JP2011258325A - ソーラーシミュレータ用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】
キセノンランプや希土類金属を使用したメタルハライドランプに代わり、安価な構成にて、擬似太陽光として良好なスペクトル合致度が得られるソーラーシミュレータ用光源を提供する。
【解決手段】
放電空間内に希ガスと水銀とハロゲン化インジウムを封入したメタルハライドランプにおいて、前記ハロゲン化インジウムを０．２〜２．７ｍｇ／ｃｃの密度で封入したことを特徴とする。可視波長全域から赤外波長に渡る連続発光の発生により、良好なソーラーシミュレータ用光源が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明はソーラーシミュレータ装置に用いる光源に関する。

太陽電池は太陽光を直接電気エネルギーに変換するものであり、石油の燃焼などを必要としないため、クリーンなエネルギーとして需要が高まっており、大規模な発電設備や小型エレクトロニクス装置などの幅広い分野において利用されている

この太陽電池の性能評価には、擬似的な太陽光を人工的に発生させるソーラーシミュレータ装置が使用される。ソーラーシミュレータはＪＩＳ Ｃ８９１２に規定されるように、基準太陽光のエネルギー分布に対するスペクトル合致度により等級が分けられており、このうち最も基準太陽光スペクトルに近い等級Ａのソーラーシミュレータは、太陽電池の高精度な測定、選別を行うことが可能である。

特許文献１には、光源より放射された光の光路の一部にフィルタを配し、フィルタを通過した光と通過していない光を合成して使用するソーラーシミュレータ装置が開示されている。

特許第２８９２１３２号公報

ソーラーシミュレータには、擬似的な太陽光を発生させるため、一般的にキセノンランプやメタルハライドランプが使用されている。

キセノンランプは可視域での分光分布が太陽光に近く赤外放射も大きいため、ソーラーシミュレータ用光源として良好なスペクトル合致度を得られる光源であるが、発光効率は３０ｌｍ／Ｗ程度と低い。

また、電極間距離に対するランプ電圧が低いため大電流が流れるので、大型の電極を使用する必要があり、シール部分は複雑な箔シール構造をとるため、ランプは高価である。さらに、点灯装置も大電流、高電圧に対応する必要があるため、大型、高価である。

一方、メタルハライドランプは、一般的に高効率であるが、図６に示すように、その分光分布は太陽光の分光分布からずれておりスペクトル合致度は悪く、ソーラーシミュレータに使用した場合、等級Ａのソーラーシミュレータを得ることは困難である。

また、可視域での連続発光を得るために封入されているディスプロシウムなどの希土類金属が放電容器材料である石英ガラスと反応し石英ガラスを白濁させるため、寿命が短いという欠点がある。

そこで本発明は、安価な構成で、良好なスペクトル合致度が得られるソーラーシミュレータ用光源を提供することを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明のソーラーシミュレータ用光源は、放電空間内に希ガスと水銀とハロゲン化インジウムを封入したメタルハライドランプにおいて、前記ハロゲン化インジウムを０．２〜２．７ｍｇ／ｃｃの密度で封入したことを特徴とする。

本発明に係るソーラーシミュレータ用光源の側面図。 本発明に係るソーラーシミュレータ用光源の分光分布を示す図。 本発明に係るソーラーシミュレータ用光源のスペクトル合致度を示す図。 本発明との比較例の分光分布を示す図。 本発明との別の比較例の分光分布を示す図。 従来のメタルハライドランプの分光分布を示す図。

図１は本発明のソーラーシミュレータ用放電ランプを示す図である。放電ランプ１は、略球状の発光部２とその両端に設けられたシール部３ａ、３ｂからなる石英ガラス製の放電容器を備える。

発光部２内には内径２０ｍｍの放電空間４が形成され、タングステンからなる一対の電極５ａ、５ｂが１０ｍｍの距離を隔てて配置されている。一対の電極はシール部３ａ、３ｂに配置されたモリブデン箔６ａ、６ｂに接続され、シール部外部に突出したモリブデン製のリード線（図示せず）を介して端子７ａ、７ｂに接続されている。シール部の両端には口金８ａ、８ｂが設置されており、端子間に点灯用電源から電力を供給し、放電ランプを点灯させる構造になっている。放電空間４は内容積５．４ｃｃ、内表面積１４ｃｍ²であり、内部には水銀７５ｍｇ、ヨウ化インジウム５．４ｍｇとアルゴンガス１５ｋＰａが封入されており、ヨウ化インジウムの封入密度は１．０ｍｇ／ｃｃ、管壁負荷は７１Ｗ／ｃｍ²である。

この放電ランプを点灯したときに測定される分光分布を図２に示す。

従来のインジウムを封入したランプは、インジウムの４１０ｎｍや４５１ｎｍの線スペクトルを利用した青色ランプが一般的であるが、本発明のインジウム封入ランプにおいては、インジウムを高密度で封入することにより、線スペクトルとして発光していた４１０ｎｍや４５１ｎｍの波長で吸収が起こり、可視波長全域から赤外波長に渡り発生する連続スペクトルを利用するものである。

図２に示すように、本発明の放電ランプの分光分布は、インジウムの線スペクトルの波長である４１０ｎｍや４５１ｎｍで吸収が発生し、可視波長全域から赤外波長に連続スペクトルが発生していることがわかる。この分光分布をＪＩＳ規格の基準太陽光エネルギー分布と比較し、本発明の放電ランプの合致度を計算した（表１）。

このスペクトル合致度が０．７５〜１．２５の範囲に入っていれば、等級Ａのソーラーシミュレータと判定されるが、本発明の放電ランプのスペクトル合致度は各波長帯において０．７９〜１．１９の範囲に入っており、等級Ａであることが分かる。

また、ヨウ化インジウムの封入密度を変化させたときの分光分布からスペクトル合致度を計算し、各波長帯の最大値と最小値との関係を調べた（図３）。図中の斜線部分はソーラーシミュレータとして使用可能なスペクトル合致度の範囲である。

ヨウ化インジウムの封入密度が低い場合は、図４に示す分光分布のように、水銀やインジウムの線スペクトルによる発光が主であり、可視波長での連続発光が少ない。このため基準太陽光エネルギーとのスペクトル合致度は４００〜５００ｎｍで高くなり、６００〜８００ｎｍでは低くなるため、良好なソーラーシミュレータ用光源を得ることができない。

一方、ヨウ化インジウムの封入密度が高い場合は、図５に示す分光分布のように、インジウムの線スペクトル波長である４１０ｎｍと４５１ｎｍでの吸収が大きく４００〜５００ｎｍでのスペクトル合致度が低くなり、可視波長全域から赤外波長での連続発光が増大するため９００〜１１００ｎｍでのスペクトル合致度が高くなってしまい、こちらも良好なソーラーシミュレータ用光源を得ることができない。

以上のような理由から図３に示すように、封入するヨウ化インジウムの密度は、０．２〜２．７ｍｇ／ｃｃの範囲でソーラーシミュレータ用光源として使用することが可能であり、さらに好ましい値としては０．９〜１．６ｍｇ／ｃｃの封入密度であれば、等級Ａのソーラーシミュレータ用光源としての使用が可能になる。

また、本実施例の放電ランプの発光効率は約８０ｌｍ／Ｗであり、キセノンランプの発光効率を大きく上回る。また同じ１ｋＷのキセノンランプではランプ電圧が２０Ｖと低く、５０Ａの大電流が流れるため、シール部分は複雑な箔シール構造を採用する必要があるが、本発明の放電ランプにおいては、点灯時のランプ電圧は７０Ｖであり、流れる電流は１４Ａであるため、厚さ３５μｍ、幅５ｍｍのモリブデン箔１枚によるシール構造で、問題なく電流を流すことが可能であり、簡単なシール部構造のため、キセノンランプに比べ安価に製作することが可能である。さらに電流値が小さいことにより、使用する電源を小型化、低コスト化することが可能であり、装置全体を安価に構成することができる。

また、インジウムは石英ガラスとの反応が少ないため、従来の希土類金属を封入したメタルハライドランプに比べ、使用中の石英ガラスの失透現象が少なく、良好な寿命特性を得ることができる。

尚、本実施例の放電ランプにおいては、点灯中に封入物質が全蒸発していることが望ましい。これは、封入物質が放電空間内に液相で存在していると、周囲の温度変化の影響を受けやすく、放電空間内の最冷部温度の微小な変化によって封入物質、特にスペクトルの連続発光に大きく寄与するヨウ化インジウムの蒸気圧が変動してしまうため、所望のスペクトルが得られなくなる可能性があるからである。ここで封入物質が全蒸発している状態とは、封入物質の封入密度に対する放電空間内の最冷部温度が、ある温度以上になる状態を指し、水銀１３ｍｇ／ｃｃ、ヨウ化インジウム１．０ｍｇ／ｃｃを封入した本実施例のランプにおいては、放電空間内の最冷部温度が５７０℃以上になっている状態をいう。

１ 放電ランプ
２ 発光部
３ａ、３ｂ シール部
４ 放電空間
５ａ、５ｂ 電極
６ａ、６ｂ モリブデン箔
７ａ、７ｂ 端子
８ａ、８ｂ 口金

Claims (1)

1. 放電空間内に希ガスと水銀とハロゲン化インジウムを封入したメタルハライドランプにおいて、前記ハロゲン化インジウムを０．２〜２．７ｍｇ／ｃｃの密度で封入したことを特徴とするソーラーシミュレータ用光源。

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