JP2011009251A - 試験用ｌｅｄ光源及びこれを備えた太陽電池評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射光の照度ムラや色ムラの発生を抑えることができる試験用ＬＥＤ光源とこれを用いて太陽電池の出力特性を高精度に評価することができる太陽電池評価装置を提供すること。
【解決手段】発光波長の異なる複数のＬＥＤ８ａ〜８ｄと、該ＬＥＤ８ａ〜８ｄを冷却する水冷ユニットを備えて成る水冷式ＬＥＤユニット１を複数配置して構成される試験用ＬＥＤ光源２３において、複数の前記水冷式ＬＥＤユニット１の隣接するもの同士の間にリフレクタ２５を介設する。又、この試験用ＬＥＤ光源２３を、試験室内に収容された太陽電池２２に疑似太陽光を照射して太陽電池２２の出力特性を評価する太陽電池評価装置の光源として使用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光波長の異なる複数のＬＥＤから例えば疑似太陽光を出射する試験用ＬＥＤ光源とこれを備えた太陽電池評価装置に関するものである。

太陽エネルギーの有効利用する一手段として太陽電池が知られているが、実用上は、この太陽電池を複数接続して成る太陽電池モジュールによって構成された太陽電池パネルをビルや一般家屋の屋根等に敷設することによって太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することが行われている。

ところで、太陽電池の出力特性を評価することは、太陽電池の製造後の検査や太陽電池の研究開発において重要であるが、その評価を太陽電池に太陽光を照射することによって行うことは、天候等によって太陽光の強度が変動するために常に正しい結果を期待することは困難である。

そこで、特許文献１には、光源としてＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法が提案されている。この方法は、多波長のＬＥＤ発光部からの光を太陽電池に照射し、多波長発光部からの各波長毎の照射光強度（Ｗ）と各波長毎の太陽電池の出力短絡電流（Ａ）とから太陽電池の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）を測定するする方法である。

又、特許文献２には、複数の要素セルを積層して成る太陽電池等の光電変換素子の基準状態での出力を評価するための出力測定方法が提案されている。

特開２００４−２８１７０６号公報 特開２００６−１３５１９６号公報

ところが、特許文献１，２には、ＬＥＤの点灯及び試験環境によってＬＥＤ温度が室温以上になった場合の対策、例えば冷却手段を設けること等に関しては何ら開示されていない。一般にＬＥＤの発光効率は温度上昇に伴って低下するため、ＬＥＤ温度が上昇すると該ＬＥＤからの出力が変動し、太陽電池の出力特性を高精度に評価することができないという問題が発生する。

又、特に発光色の異なるＬＥＤ素子を用いる場合には、異色のＬＥＤでは温度−発光効率の特性が異なるため、ＬＥＤ温度が上昇すると照射光の色ムラが発生し、太陽電池の出力特性を高精度に評価することができなくなってしまう。

そこで、発光波長の異なる複数のＬＥＤを冷却する水冷ユニットを備えて成る水冷式ＬＥＤユニットを複数配置して試験用ＬＥＤ光源を構成することが考えられるが、この試験用ＬＥＤ光源を構成する複数の水冷式ＬＥＤユニットの組み付け上、これらの間には隙間が不可避的に発生する。このように水冷式ＬＥＤユニットの間に隙間が発生すると、各水冷式ＬＥＤユニットから出射される疑似太陽光等の光が隙間から漏れ、例えば太陽電池に照射される擬似太陽光に照度ムラや色ムラが発生し、この擬似太陽光を用いて太陽電池の出力特性を高精度に評価することができないという問題が発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、照射光の照度ムラや色ムラの発生を抑えることができる試験用ＬＥＤ光源とこれを用いて太陽電池の出力特性を高精度に評価することができる太陽電池評価装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、発光波長の異なる複数のＬＥＤと、該ＬＥＤを冷却する水冷ユニットを備えて成る水冷式ＬＥＤユニットを複数配置して構成される試験用ＬＥＤ光源において、複数の前記水冷式ＬＥＤユニットの隣接するもの同士の間にリフレクタを介設したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記リフレクタを横断面Ｖ字状に成形したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、試験室内に収容された太陽電池に疑似太陽光を照射して前記太陽電池の出力特性を評価する太陽電池評価装置が、前記太陽電池に疑似太陽光を照射する光源として請求項１又は２記載の試験用ＬＥＤ光源を備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記試験用ＬＥＤ光源からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する透明部材を前記試験室内の前記太陽電池と前記試験用ＬＥＤ光源との間に配置したことを特徴する。

請求項１及び２記載の発明によれば、複数の水冷式ＬＥＤユニット間の隙間から漏れて従来は試験用に利用されていなかった光がリフレクタで反射して他の光と共に試験用に利用されるため、水冷式ＬＥＤユニット間の隙間の領域において発生していた照射光の照度ムラや色ムラの発生が抑えられる。又、試験用ＬＥＤ光源を構成する各水冷式ＬＥＤユニットに設けられた水冷ユニットによって発熱源である複数のＬＥＤが強制冷却されるため、該ＬＥＤの温度上昇が抑えられ、ＬＥＤ温度が一定に保たれて該ＬＥＤの出力変動及び試験用ＬＥＤ光源から出射される光の色ムラの発生が抑えられる。

請求項３記載の発明によれば、水冷式ＬＥＤユニットを複数配置して構成された試験用ＬＥＤ光源によって太陽電池に疑似太陽光を照射して太陽電池の出力特性を評価するため、擬似太陽光の照度ムラや色ムラの発生が抑えられ、太陽電池の出力特性の評価を高精度に行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、試験室内の湿気の試験用ＬＥＤ光源への侵入が透明部材によって遮断されるため、試験用ＬＥＤ光源が湿気によって悪影響を受けることがなく、該試験用ＬＥＤ光源の安定した動作が可能となる。この場合、試験用ＬＥＤ光源からの擬似太陽光は透明部材を透過して太陽電池に安定的に照射される。又、各水冷式ＬＥＤユニットから出射される疑似太陽光の一部は、透明部材で反射して各水冷式ＬＥＤユニット間に介設されたリフレクタに向かい、該リフレクタで反射して他の光と共に太陽電池に向かって照射され、太陽電池の出力特性の評価に供される。

本発明に係る試験用ＬＥＤ光源とこれを備えた太陽電池評価装置の構成を示す斜視図である。 本発明に係る試験用ＬＥＤ光源の部分斜視図である。 本発明に係る試験用ＬＥＤ光源の部分正面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る水冷式ＬＥＤユニットの斜視図である。 本発明に係る水冷式ＬＥＤユニットの正面図（図６の矢視Ｃ方向の図）である。 本発明に係る水冷式ＬＥＤユニットの側面図（図６の矢視Ｄ方向の図）である。 図８のＥ−Ｅ線断面図である。 図８のＦ−Ｆ線断面図である。 各種ＬＥＤの基板上へ配置を示す平面図である。 ＬＥＤの温度と駆動電流との関係を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る試験用ＬＥＤ光源とこれを備えた太陽電池評価装置の構成を示す斜視図、図２は試験用ＬＥＤ光源の部分斜視図、図３は同試験用ＬＥＤ光源の部分正面図、図４は図３のＡ−Ａ線断面図、図５は図３のＢ−Ｂ線断面図である。

本発明に係る太陽電池評価装置２０は、図１に示すように、矩形ボックス状の試験室２１内に収容されたパネル状の太陽電池２２に疑似太陽光を照射して太陽電池２２の出力特性を評価する装置であって、太陽電池２２に疑似太陽光を照射する光源として本発明に係る試験用ＬＥＤ光源２３が使用される。

上記試験用ＬＥＤ光源２３は、水冷式ＬＥＤユニット１を複数（本実施の形態では横６個×縦５個＝計３０個）配置して構成されている。尚、図４に示すように、試験室２１内に収容された太陽電池２２と試験用ＬＥＤ光源２３との間には、試験用ＬＥＤ光源２３からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する石英ガラス等の透明部材２４が配置されている。

ところで、図２〜図５に試験用ＬＥＤ光源２３を構成する一部（図示例では９個）の水冷式ＬＥＤユニット１の配置構成を示すが、試験用ＬＥＤ光源２３の組み付け上、複数の水冷式ＬＥＤユニット１の縦及び横において互いに隣接するもの同士の間には、図４及び図５に示すように、所定の隙間Ｓがそれぞれ形成されている。

而して、本実施の形態では、複数の水冷式ＬＥＤユニット１の隣接するもの同士の間に形成された隙間Ｓには、横断面Ｖ字状に成形されたリフレクタ２５が介設されている。この結果、図２及び図３に示すように、各水冷式ＬＥＤユニット１の周囲は格子枠状を成すリフレクタ２５によって縁取りされている。

次に、試験用ＬＥＤ光源２３を構成する各水冷式ＬＥＤユニット１の構成を図６〜図１１に基づいて説明する。尚、全ての水冷式ＬＥＤユニット１の構成は同じであるため、以下、１つの水冷式ＬＥＤユニット１についてのみ説明する。

図６は水冷式ＬＥＤユニットの斜視図、図７は同水冷式ＬＥＤユニットの正面図（図６の矢視Ｃ方向の図）、図８は同水冷式ＬＥＤユニットの側面図（図６の矢視Ｂ方向の図）、図９は図８のＥ−Ｅ線断面図、図１０は図８のＦ−Ｆ線断面図、図１１は各種ＬＥＤの基板上へ配置を示す平面図である。

水冷式ＬＥＤユニット１は、図９及び図１０に示すように、矩形ボックス状のハウジング２の内部に光源ユニット３と制御回路４及び水冷ユニット５を組み込んで構成されている。尚、水冷式ＬＥＤユニット１の光照射方向は図６の下方であって、該水冷式ＬＥＤユニット１は図１に示すように光照射方向が水平方向となるよう設置されるが、以下の説明における水冷式ＬＥＤユニット１の上下は図６に示す状態における上下を言うものとする。

上記ハウジング２は、ＰＣ等の樹脂或いはアルミニウム等の金属で構成されており、図６に示すように、その周面には縦方向に長い複数のスリットから成る吸気口６が形成され、上面には扇形の複数のスリットから成る排気口７が形成されている。そして、このハウジング２の下面は開口しており、この開口部には前記光源ユニット３が嵌め込まれて固定されている。

上記光源ユニット３は、図９及び図１０に示すように、光源として発光波長の異なる（発光波長０．３μｍ〜１．５μｍの間）の４種のＬＥＤ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ（図１１参照）を実装して成る基板９と、該基板９を取り付ける矩形プレート状のベース１０及びハウジング２の下面開口部に嵌め込まれる矩形プレート状の透明な樹脂製のレンズ１１を含んで構成されている。

ここで、発光波長の異なるＬＥＤ８ａ〜８ｄのうち、ＬＥＤ８ａはＧａＡｌＡｓ系の赤外ＬＥＤ（波長８５０ｎｍ）、ＬＥＤ８ｂはＧａＮ系の紫外（波長３６５ｎｍ）ＬＥＤ、ＬＥＤ８ｃはＧａＡｌＡｓ系の赤（波長６３０ｎｍ）ＬＥＤ、ＬＥＤ８ｄはＧａＮ系の青（波長４５５ｎｍ）ＬＥＤであって、これらは図１１に示すように基板９上に配置されている。又、これらのＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度（℃）と駆動電流（Ａ）との関係を図１２に示すが、同図から明らかなように温度が５０℃を超えると各ＬＥＤ８ａ〜８ｄへの駆動電流が下がり、各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの使用最高温度は８０℃である。ここで、ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度とは、チップ接合部の温度であるジャンクション温度を指す。

又、前記制御回路４は、図９に示すように、下面が開口する矩形ボックス状の回路ケース１２の内部に各種電子部品が実装された不図示の回路基板を組み込み、回路ケース１２の下面開口部を矩形プレート状のカバー１３によって覆うことによって構成されている。ここで、回路ケース１２は熱伝導率の高いアルミダイキャスト等によって成形されており、その上面には放熱部を構成する多数の放熱ピン１４が一体に突設されている。

前記水冷ユニット５は、図９及び図１０に示すように、熱交換器である水冷ジャケット１５と、該水冷ジャケット１５において受熱して温度が高くなった冷却水を外気（冷却風）との熱交換によって冷却するラジエータ１６と、該ラジエータ１６に冷却風を供給するファン１７と、冷却水を閉ループの循環経路内で循環させる循環ポンプ１８及び冷却水を貯留するリザーブタンク１９を備えており、ファン１７はラジエータ１６と対向してこれの上方に配置されている。

本実施の形態では、図９及び図１０に示すように、ハウジング２内下部の底部に水冷ジャケット１５が水平に配置されており、この水冷ジャケット１５を挟んでこれの上下に制御回路４と光源ユニット３が配置されている。ここで、制御回路４は、そのカバー１３が水冷ジャケット１５の上面に密着する状態で該水冷ジャケット１５の上面側に配置されている。尚、本実施の形態では、冷却水として水にプロピレングリコールを混合して成る不凍液が使用されている。

他方、図９及び図１０に示すように、ハウジング２内の水冷ジャケット１５から離間した上部には前記ラジエータ１６とファン１７が配置されており、水冷ジャケット１５とラジエータ１６との間の空間部には制御回路４と循環ポンプ１８及びリザーブタンク１９が配置されている。

而して、以上のように構成された水冷式ＬＥＤユニット１が起動されて光源ユニット３と制御回路４及び水冷ユニット５に電源が供給されると、光源ユニット３の発光波長の異なる４種のＬＥＤ８ａ〜８ｄが発光し、各色の光が合成されて疑似太陽光がレンズ１１を透過して図６の下方に向かって照射される。このとき、光源ユニット３の点灯制御は制御回路４によってなされ、駆動中において光源ユニット３のＬＥＤ８ａ〜８ｄ及び制御回路４の各種電子部品（不図示）が発熱し、そのままでは光源ユニット３と制御回路４が過熱されてこれらの温度が上昇する。光源ユニット３の各種ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度が上昇すると発光効率が低下することは前述の通りであり、供給電流も低下することは図１２に示す通りである。

然るに、本実施の形態では、水冷ユニット５が同時に駆動され、光源ユニット３と制御回路４は、閉ループを形成する循環経路を循環する冷却水によって強制冷却されてその温度上昇が抑えられる。

即ち、循環ポンプ１８によって循環経路を循環する冷却水は、水冷ジャケット１５において光源ユニット３及び制御回路４において発生する熱を受熱して光源ユニット３及び制御回路４を冷却し、受熱して温度の高くなった冷却水はラジエータ１６へと導入される。

他方、ファン１７が不図示のモータによって回転駆動されると、外気がハウジング２の周面に形成された吸気口６から冷却風としてハウジング２内に側方から吸引され、この冷却風は水冷ジャケット１５とラジエータ１６との間に形成された空間部を上方に向かって流れ、その過程でラジエータ１６を通過し、ハウジング２の上面に開口する排気口７から外部に排出される。そして、ラジエータ１６においては、ここを通過する冷却風によって冷却水の熱が外部に放熱されて該冷却水が冷却され、温度の下がった冷却液水は循環ポンプ１８に吸引される。

循環ポンプ１８に吸引された冷却水は、昇圧された後に循環ポンプ１８からリザーブタンク１９へと送り出され、その一部はリザーブタンク１９に貯留され、残りの冷却水はリザーブタンク１９から水冷ジャケット１５へと導入されて光源ユニット３と制御回路４の冷却に供される。そして、以上の作用（冷却サイクル）が連続的に繰り返されて光源ユニット３と制御回路４が水冷ジャケット１５を流れる冷却水によって強制冷却され、それらの温度上昇が一定値以下に抑えられる。尚、本実施の形態では、制御回路４の下面を水冷ジャケット１５に密着させ、上面に放熱部を構成する多数の放熱ピン１４を突設したため、制御回路４が冷却水によって強制冷却されると同時に放熱ピン１４から自然放熱され、該制御回路４が効率良く冷却されてその温度上昇が一層効果的に抑えられる。

以上のように各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度上昇が防がれ、その温度が一定に保たれる結果、各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの出力変動及び照射光である疑似太陽光の色ムラの発生が抑えられる。

而して、試験用ＬＥＤ光源２３を備えた図１に示す太陽電池評価装置２０は、所定の試験環境（湿度１０％〜１００％、温度２０℃〜９０℃）において試験用ＬＥＤ光源２３から出射される疑似太陽光を透明部材２４（図４参照）を介して太陽電池２２に照射する加速試験を行うことによって該太陽電池２２の出力特性を評価するが、本実施の形態では、図６〜図１０に示した水冷式ＬＥＤユニット１を複数設置して構成された試験用ＬＥＤ光源２３によって太陽電池２２に疑似太陽光を照射するようにしたため、前述のように各水冷式ＬＥＤユニット１の各種ＬＥＤ８ａ〜８ｄ（図１１参照）の温度が一定に保たれる。このため、試験用ＬＥＤ光源２３から出射される擬似太陽光の出力変動及び色ムラの発生が抑えられ、太陽電池２２の出力特性が高精度に評価される。

又、本実施の形態では、図２〜図５に示すように、複数の水冷式ＬＥＤユニット１の隣接するもの同士の間に形成された隙間Ｓにリフレクタ２５を介設したため、各水冷式ＬＥＤユニット１から出射される疑似太陽光の一部は、図４にＬ１，Ｌ２にて示すように透明部材２４の表面で反射してリフレクタ２５に向かい、該リフレクタ２５で再び反射して他の光Ｌ３と共に透明部材２４を透過して太陽電池２２に向かって照射され、該太陽電池２２の出力特性の評価に供される。このため、複数の水冷式ＬＥＤユニット１間の隙間Ｓから漏れて従来は試験用に利用されていなかった光Ｌ１，Ｌ２がリフレクタ２５で反射して他の光Ｌ３と共に試験用に利用されるため、水冷式ＬＥＤユニット１間の隙間Ｓに相当する箇所（図４に示す領域Ｒ）において発生していた照射光の照度ムラや色ムラの発生が抑えられ、この結果、太陽電池２２の出力特性の評価を高精度に行うことができる。

又、本実施の形態では、試験室２１内に収容された太陽電池２２と試験用ＬＥＤ光源２３との間に石英ガラス等の透明部材２４を配置したため（図４参照）、試験室２１内の湿気の試験用ＬＥＤ光源２３への侵入が透明部材２４によって遮断され、試験用ＬＥＤ光源２３が湿気によって悪影響を受けることがなく、該試験用ＬＥＤ光源２３の安定した動作が可能となる。この場合、試験用ＬＥＤ光源２３からの擬似太陽光は透明部材２４を透過して太陽電池２２に安定的に照射される。

尚、各水冷式ＬＥＤユニット１の各種ＬＥＤ８ａ〜８ｄの基板９上への配置は図１１に示したものに限定されず、任意に設定し得るものである。

１ 水冷式ＬＥＤユニット
２ ハウジング
３ 光源ユニット
４ 制御回路
５ 水冷ユニット
６ 吸気口
７ 排気口
８ａ〜８ｄ ＬＥＤ
９ 基板
１０ ベース
１１ レンズ
１２ 回路ケース
１３ カバー
１４ 放熱ピン
１５ 水冷ジャケット
１６ ラジエータ
１７ ファン
１８ 循環ポンプ
１９ リザーブタンク
２０ 太陽電池評価装置
２１ 試験室
２２ 太陽電池
２３ 試験用ＬＥＤ光源
２４ 透明部材
２５ リフレクタ
Ｌ１〜Ｌ３ 光
Ｒ 照射光の領域
Ｓ 水冷式ＬＥＤユニット間の隙間

Claims (4)

1. 発光波長の異なる複数のＬＥＤと、該ＬＥＤを冷却する水冷ユニットを備えて成る水冷式ＬＥＤユニットを複数配置して構成される試験用ＬＥＤ光源において、
   複数の前記水冷式ＬＥＤユニットの隣接するもの同士の間にリフレクタを介設したことを特徴とする試験用ＬＥＤ光源。
2. 前記リフレクタを横断面Ｖ字状に成形したことを特徴とする請求項１記載の試験用ＬＥＤ光源。
3. 試験室内に収容された太陽電池に疑似太陽光を照射して前記太陽電池の出力特性を評価する太陽電池評価装置であって、前記太陽電池に疑似太陽光を照射する光源として請求項１又は２記載の試験用ＬＥＤ光源を備えることを特徴とする太陽電池評価装置。
4. 前記試験用ＬＥＤ光源からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する透明部材を前記試験室内の前記太陽電池と前記試験用ＬＥＤ光源との間に配置したことを特徴する請求項３記載の太陽電池評価装置。

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