JP2011138923A

JP2011138923A - ソーラーシミュレータ

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Publication number: JP2011138923A
Application number: JP2009297836A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Yoshino; 野征治吉
Original assignee: NPC Inc
Current assignee: NPC Inc
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: WO2011081048A1; JP5220723B2; EP2521185A1; US20120161658A1; CA2744222A1

Abstract

【課題】応答速度の遅い太陽電池においてもその出力特性を高精度に測定できるソーラーシミュレータを提供する。
【解決手段】ソーラーシミュレータは、太陽電池モジュールへ光を放射するフラッシュランプ１０３と、前記フラッシュランプへ電流を供給する電源１０１と、オン時は前記フラッシュランプへ電流が供給され、オフ時は前記フラッシュランプへの電流が遮断される、並列に接続されたスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃと、前記スイッチ部と前記電源との間に設けられたバラスト抵抗１０６ａ〜１０６ｃと、前記スイッチ部のオンオフ制御を行い、オンさせるスイッチ部を所定時間毎に順に切り替える制御部１０２とを備え、スイッチ部に含まれる半導体の温度上昇による熱破壊を防止し、フラッシュランプ１０３に長時間連続して電流を供給して光を放射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、性能検査対象の太陽電池モジュールへ擬似太陽光を照射するソーラーシミュレータに関するものである。

太陽電池の電気性能の検査では、擬似太陽光照射装置（ソーラーシミュレータ）から擬似太陽光が照射された時の太陽電池の出力特性が測定される。ソーラーシミュレータとして、例えば、簡便な蓄電器（以下キャパシタと称す）方式ロングアークキセノンフラッシュランプが実用化されている（例えば非特許文献１参照）。

キャパシタ方式フラッシュランプは、蓄電したキャパシタを低圧ロングアークキセノンランプに接続することでロングアークキセノンランプの管外に高電圧を印加し、内部冷陰極電極からの電界放出電子により放電プラズマを発生させ、キャパシタの電荷をプラズマで放電させ発光させる。

これは、キャパシタのエネルギーだけで総発光量を容易に制御でき、かつ簡単な回路になる。キャパシタの電荷は放電に伴い減少し、放射照度も時間経過に伴い指数関数的に低下する。そのため、一定の放射照度は得られないが、減少関数の狭い範囲に限定すれば、放射照度をモニタする手段を設けることで照度変化を補正できる。従って、キャパシタ方式フラッシュランプは、１ｋｗ（±２０％）の放射照度及び２ｍｓ程度の測定時間が要求されるシリコン結晶系の太陽電池モジュールの性能検査に良く利用されている。

一方、安価で大量生産に適した薄膜型太陽電池では、シリコン結晶系の太陽電池と比較して光に対する応答速度が遅いため、ソーラーシミュレータの光源であるフラッシュランプには、安定した照度で１０ｍｓ〜１００ｍｓ程度の間発光することが要求される。

そのため、フラッシュ光が、４ｍｓ〜２０ｍｓの間、安定した照度を保てるように、コイルとインダクタによるローパスフィルタを多段接続してランプ電流を駆動するソーラーシミュレータが提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、この手法では、個々の素子における損失が大きい。また、回路素子が特注部品となり、かつ多数の切り替え回路が必要になるため、コストが高くなるという問題があった。

回路規模やコストを削減しつつ、フラッシュランプの放射照度を安定に制御するためには、半導体の能動領域を使用したスイッチ回路を使用してランプを定電流パルス駆動することが有効であると考えられる。しかし、応答速度の遅い太陽電池の性能を正しく測定するためにフラッシュランプを長時間発光させる場合、スイッチ回路を構成する半導体で大電力が消費され、電力過多による熱破壊が起きるおそれがあり、装置の信頼性を保証することが困難であった。

特開２００７−８８４１９号公報

光技術情報誌「ライトエッジ」特集放電ランプ、ウシオ電機株式会社、Ｎｏ．１５、１９９８年１１月

本発明は、応答速度の遅い太陽電池においてもその出力特性を高精度に測定できるソーラーシミュレータを提供することを目的とする。

本発明の一態様によるソーラーシミュレータは、太陽電池モジュールへ光を放射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプへ電流を供給する電源と、オン時は前記フラッシュランプへ電流が供給され、オフ時は前記フラッシュランプへの電流が遮断される、並列に接続された第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）のスイッチ部と、前記第ｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）のスイッチ部と前記電源との間に設けられた第ｋのバラスト抵抗と、前記第１〜第ｎのスイッチ部のオンオフ制御を行い、オンさせるスイッチ部を所定時間毎に順に切り替える制御部と、を備えるものである。

本発明の一態様によるソーラーシミュレータは、太陽電池モジュールへ光を放射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプへ電流を供給する電源と、オン時は前記フラッシュランプへ電流が供給され、オフ時は前記フラッシュランプへの電流が遮断される、並列に接続された複数のスイッチ部と、前記複数のスイッチ部の共通接続点と前記電源との間に設けられたバラスト抵抗と、前記複数のスイッチ部の各々のオンオフのタイミングが異なるようにオンオフ制御を行う制御部と、を備えるものである。

本発明によれば、太陽電池の応答速度にかかわらず太陽電池の出力特性を高精度に測定することができる。

本発明の第１の実施形態に係るソーラーシミュレータの概略構成図である。スイッチ部を流れる電流の変化の一例を示すグラフである。スイッチ部に含まれる半導体の温度変化の一例を示すグラフである。スイッチ部を流れる電流の変化の一例を示すグラフである。比較例によるソーラーシミュレータの概略構成図である。比較例におけるスイッチ部に含まれる半導体の温度変化の一例を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るソーラーシミュレータの概略構成図である。スイッチ部を流れる電流の変化の一例を示すグラフである。変形例によるソーラーシミュレータの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係るソーラーシミュレータの概略構成を示す。ソーラーシミュレータは、電源１０１、制御部１０２、フラッシュランプ１０３、電力吸収部１０４、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃ及びバラスト抵抗１０６ａ〜１０６ｃを備える。

フラッシュランプ１０３は、図示しない薄膜型太陽電池モジュールへ擬似太陽光を照射する。擬似太陽光を照射された薄膜型太陽電池モジュールの出力特性を検出することで、電気性能を検査することができる。

電源１０１はフラッシュランプ１０３に電流を供給する。制御部１０２はスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃのオンオフ制御を行う。制御部１０２は例えばマイクロコンピュータである。スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃはそれぞれ例えば複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電力用半導体を用いたスイッチ回路であり、制御部１０２の制御指令値に基づいて能動領域でオンするため、ランプに一定の電流を流せる特徴がある。

スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃの少なくともいずれか１つがオンしている時はフラッシュランプ１０３に電流が流れ、フラッシュランプ１０３が点灯する。スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃが全てオフしている時はフラッシュランプ１０３に電流が流れず、フラッシュランプ１０３は点灯しない。

バラスト抵抗１０６ａ〜１０６ｃはそれぞれスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃと電源１０１との間に設けられている。電力吸収部１０４は、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃの共通接続点とフラッシュランプ１０３との間に設けられており、例えば抵抗器により構成される。

制御部１０２によるスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃのオンオフ制御について図２及び図３を用いて説明する。図２は、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを流れる電流の大きさ及びフラッシュランプ１０３の放射照度の理想的変化の一例を示す。また、図３は、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを構成する半導体（電力用半導体）の温度変化を示す。

まず、制御部１０２は、時刻ｔ１にスイッチ部１０５ａをオンさせる。この時、スイッチ部１０５ｂ及び１０５ｃはオフになっている。これにより、フラッシュランプ１０３及びスイッチ部１０５ａに電流が流れ、フラッシュランプ１０３は点灯する。

続いて、制御部１０２は、時刻ｔ２にスイッチ部１０５ａをオフさせると共に、スイッチ部１０５ｂをオンさせる。フラッシュランプ１０３及びスイッチ部１０５ｂに電流が流れ、フラッシュランプ１０３は点灯を続ける。

続いて、制御部１０２は、時刻ｔ３にスイッチ部１０５ｂをオフさせると共に、スイッチ部１０５ｃをオンさせる。フラッシュランプ１０３及びスイッチ部１０５ｃに電流が流れ、フラッシュランプ１０３は点灯を続ける。

以後、制御部１０２は、オンさせるスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを順に切り替える。１つのスイッチ部をオンさせている時間Ｔは例えば４ｍｓ程度である。図２では時刻ｔ４にて全てのスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃがオフされ、フラッシュランプ１０３が消灯する。

図３から分かるように、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを構成する半導体は、オン時に温度が上昇し、オフになると温度が低下する。オンするスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを切り替えることで、各スイッチ部を構成する半導体の温度が過度に高くならない。

このような構成にすることで、フラッシュランプ１０３に長時間途切れずに一定電流を流すと共に、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃの温度上昇に伴う熱破壊を防止できる。フラッシュランプ１０３は安定して長時間発光するため、応答速度の遅い薄膜型太陽電池モジュールの出力特性を高精度に測定できる。

なお、図２では、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを流れる電流の大きさの理想的変化を示していたが、実際には、電流の立ち上がり、立ち下がり時にはサージ電圧が発生する。従って、スイッチ部の切り替え時を除いたフラッシュランプ１０３の放射光が安定した領域（時間帯）で薄膜型太陽電池モジュールの出力特性の測定を行うことが好適である。

図４に示すように、電流の立ち上がり、立ち下がりに傾きを持たせてもよい。これにより、過渡電流が抑えられ、サージ電圧の発生を抑制できる。また、フラッシュランプ１０３の放射照度の変動も抑制できる。傾きを変えるには、例えば、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを構成するＩＧＢＴの入力ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に抵抗を介して接続された電流源の電流値を変更する。

図４に示す場合においても、薄膜型太陽電池モジュールの出力特性の計測は、スイッチ部の切り替え時を除いたフラッシュランプ１０３の放射光が安定した領域（時間帯）で行うことが好適である。

（比較例）図５に比較例によるソーラーシミュレータの概略構成を示す。ソーラーシミュレータは、電源１０１、制御部１２、フラッシュランプ１０３、電力吸収部１０４、スイッチ部１５及びバラスト抵抗１６を備える。図１に示す上記第１の実施形態と比較して、スイッチ部が１個になっている点が異なり、同じ構成要素については同じ参照番号を付して説明を省略する。

制御部１２は、スイッチ部１５のオンオフ制御を行う。スイッチ部１５は図６（ａ）に示すように、長時間（例えば１０ｍｓ以上）電流を流し続けることが求められる。しかし、図６（ｂ）に示すように、スイッチ部１５を構成する半導体の温度が上昇し続け、時刻ｔ５で熱破壊に至る。

そのため、スイッチ部１５を流れる電流、フラッシュランプ１０３の放射照度はそれぞれ図６（ｃ）、（ｄ）に示すような変化となる。フラッシュランプ１０３は長時間発光することができず、薄膜型太陽電池モジュールのような応答速度の遅い太陽電池モジュールの出力特性を測定できない。

一方、上記第１の実施形態では、複数のスイッチ部を設け、オンするスイッチ部を切り替えながらフラッシュランプ１０３に定電流を流し続けることで、スイッチ部の熱破壊を防止し、かつフラッシュランプ１０３を長時間発光させることができる。フラッシュランプ１０３は、数１００ｍｓ間のロングパルス駆動も可能となる。

（第２の実施形態）図７に本発明の第２の実施形態に係るソーラーシミュレータの概略構成を示す。ソーラーシミュレータは、電源１０１、制御部１０２、フラッシュランプ１０３、電力吸収部１０４、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃ及びバラスト抵抗１０６を備える。

図１に示す上記第１の実施形態では複数のスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃの各々に対応するように複数のバラスト抵抗１０６ａ〜１０６ｃが設けられていたが、本実施形態では共通化されたバラスト抵抗１０６が設けられている。

また、上記第１の実施形態では、制御部１０２はスイッチ部１０５ａをオフすると同時にスイッチ部１０５ｂをオンさせていたが、本実施形態では、スイッチ部１０５ａをオフする所定時間前にスイッチ部１０５ｂをオンさせる。同様に、制御部１０２は、スイッチ部１０５ｂをオフする所定時間前にスイッチ部１０５ｃをオンさせ、スイッチ部１０５ｃをオフする所定時間前にスイッチ部１０５ａをオンさせる。

図８（ａ）〜（ｃ）に、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを流れる電流の変化の一例を示す。また、図８（ｄ）にスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃを流れる電流の合計値（フラッシュランプ１０３に供給される電流）の変化を示し、図８（ｅ）にフラッシュランプ１０３の放射照度変化を示す。

時刻ｔ０でスイッチ部１０５ａがオンし、スイッチ部１０５ａには電流Ｉが流れる。

時刻ｔ１でスイッチ部１０５ｂがオンする。これにより、スイッチ部１０５ａ、１０５ｂに流れる電流はそれぞれＩ／２となる。時刻ｔ２でスイッチ部１０５ａがオフし、スイッチ部１０５ｂに流れる電流はＩとなる。

時刻ｔ３でスイッチ部１０５ｃがオンする。これにより、スイッチ部１０５ｂ、１０５ｃに流れる電流はそれぞれＩ／２となる。時刻ｔ４でスイッチ部１０５ｂがオフし、スイッチ部１０５ｃに流れる電流はＩとなる。

各スイッチ部をオンしている時間（時刻ｔ０〜ｔ２の間、ｔ１〜ｔ４の間など）は、温度上昇によりスイッチ部の半導体が熱破壊に至らない時間であり、例えば４ｍｓ程度である。２つのスイッチ部が同時にオンする時間（時刻ｔ１〜ｔ２の間など）は短時間でよく、例えば０．５ｍｓ程度である。

このような構成によっても、上記第１の実施形態と同様に、スイッチ部の熱破壊を防止しつつ、フラッシュランプ１０３に定電流を流し続けて長時間発光させることができる。また、本実施形態によれば、スイッチ部のオンオフ切り替えによる電流の時間変化を抑え、フラッシュランプ１０３の放射照度変動を抑制することができる。

上記第１、第２の実施形態では、スイッチ部を３個設けた構成について説明したが、スイッチ部は２個以上であればよい。スイッチ部の個数は、スイッチ部を構成する半導体の耐熱性能や、太陽電池モジュールの出力特性検出に必要とされるフラッシュランプの点灯時間等を考慮して決定することが好適である。

上記第１及び第２の実施形態では、制御部１０２はスイッチ部１０５ａ〜１０５ｃのオンオフ制御を行っていたが、さらに電源電圧を制御することで、スイッチ部で消費される電力を抑制し、スイッチとしての半導体の熱破壊をより効果的に抑制すると共に、ランプ電流を安定に保ち、ソーラーシミュレータの信頼性をより高めることができる。また、電力吸収部１０４を省略した構成にすることが可能となる。

具体的には、制御部１０２が、図９に示すように、スイッチ部１０５ａ〜１０５ｃのオンオフ制御を行うと共に、電源電圧を決定する所定関数に基づいて電源１０１の電圧を制御する。この所定関数は、放射照度、ランプ電流、及びランプ点灯時間（放射時間）、スイッチ部を構成する半導体の過渡的な温度上昇値を入力パラメータとして、最適な電源電圧値を求める関数である。図７に示す構成においても同様に、制御部１０２が電源１０１の電圧を制御できるようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０１電源
１０２制御部
１０３フラッシュランプ
１０４電力吸収部
１０５ａ〜１０５ｃスイッチ部
１０６ａ〜１０６ｃバラスト抵抗

Claims

太陽電池モジュールへ光を放射するフラッシュランプと、
前記フラッシュランプへ電流を供給する電源と、
オン時は前記フラッシュランプへ電流が供給され、オフ時は前記フラッシュランプへの電流が遮断される、並列に接続された第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）のスイッチ部と、
前記第ｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎを満たす整数）のスイッチ部と前記電源との間に設けられた第ｋのバラスト抵抗と、
前記第１〜第ｎのスイッチ部のオンオフ制御を行い、オンさせるスイッチ部を所定時間毎に順に切り替える制御部と、
を備えるソーラーシミュレータ。
前記第１〜第ｎのスイッチ部はそれぞれ電力用半導体を有し、当該電力用半導体の入力ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に印加される電圧は可変であることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
前記電力用半導体は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項２に記載のソーラーシミュレータ。
太陽電池モジュールへ光を放射するフラッシュランプと、
前記フラッシュランプへ電流を供給する電源と、
オン時は前記フラッシュランプへ電流が供給され、オフ時は前記フラッシュランプへの電流が遮断される、並列に接続された複数のスイッチ部と、
前記複数のスイッチ部の共通接続点と前記電源との間に設けられたバラスト抵抗と、
前記複数のスイッチ部の各々のオンオフのタイミングが異なるようにオンオフ制御を行う制御部と、
を備えるソーラーシミュレータ。
前記制御部は、第１のスイッチ部をオフさせる所定時間前に第２のスイッチ部をオンさせることを特徴とする請求項４に記載のソーラーシミュレータ。
前記制御部は、前記フラッシュランプの光の放射照度、放射時間、ランプ電流、及び前記スイッチ部に含まれる電力用半導体の過渡熱温度上昇値に基づいて前記電源の電圧を制御することを特徴とする請求項１乃至５に記載のソーラーシミュレータ。