JP5009569B2

JP5009569B2 - ソーラシミュレータとその運転方法

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Publication number: JP5009569B2
Application number: JP2006224416A
Authority: JP
Inventors: 光博下斗米; 善裕篠原; 克実入江
Original assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: EP1771049A2; CN101893676B; US7514931B1; ATE496518T1; EP1771049B1; JP2007128861A; CN101893676A; DE602006019679D1; EP1771049A3; CN1945346A; CN1945346B; US20090080174A1

Description

本発明はソーラシミュレータとその運転方法に関し、特に太陽電池の出力特性を測定するために好適なキセノンランプの光を擬似太陽光として発生させるソーラシミュレータとその運転方法に関する。

太陽電池はクリーンなエネルギ源として増々その重要性が認められて需要が高まり、また、大型機器類のパワーエネルギ源から精密な電子機器分野での小型電源まで、様々な分野での需要も高まっている。

太陽電池が様々な分野で広く利用されるにあたっては、当該電池の特性、とりわけ出力特性が正確に測定されていないと、太陽電池を使用する側においても様々な不都合が予測される。このため従来から太陽電池の出力特性を測定するための擬似太陽光照射装置（以下、ソーラシミュレータという）が提案され、実用にも供されている（下記特許文献１参照）。

このようなソーラシミュレータにより太陽電池の出力特性を測定する場合、例えばサイズ（有効照射面の大きさ）が１ｍ×１ｍ角以上の大型太陽電池の出力特性を測定する場合、１つのキセノンランプの光量は図９に模式的に示すような照度分布になるので、太陽電池の出力測定を行うソーラシミュレータの有効照射面における照度を均一にするには、まずキセノンランプを複数個配置することが必要となる。また大型の太陽電池の形状（外形）は様々であり、横長の形状のものもある。例えば、サイズが１ｍ×４ｍ角程度の大型太陽電池に対しては、２０００ｍｍ程度の長さのキセノンランプを２本程度配置したソーラシミュレータが使用される。なお、図９において、ＸＬはキセノンランプ、Ｌｘ，Ｌｙは、Ｘ軸とＹ軸に沿った光量波形、Ｓｂは測定対象の太陽電池である。
特公平６−１０５２８０号公報

複数のキセノンランプを光源として備えるソーラシミュレータでは、各キセノンランプにより安定的に所期の光量を得て、有効照射面における照度を均一にするのが困難であるという問題がある。

また、キセノンランプを光源とする従来のソーラシミュレータ用発光回路では、複数個のキセノンランプを発光させる場合には、その発光回路をランプ毎に配備していたので、ソーラシミュレータ内において発光回路（特にそれに含まれる電源装置）の占めるスペ−スが大きくなり、装置全体が大型化してしまう問題があった。

また、このようにランプ毎に個別に発光回路を設けると、各ランプによる照射光量には時間的変化（差異）があるので、大型太陽電池に対する有効照射面における照度を均一化することは極めて難しいという問題がある。

さらに、単一の発光回路で単一のランプを発光させるソーラシミュレータにおいては、その電源として用いるコンデンサは、相応の耐圧性能を有することが必須である。しかしながら、このような耐圧性能を満たす市販のコンデンサは数μＦ〜数十μＦ程度のものが一般的であるため、そのような市販品を使用した場合、約１ｍ秒程度の時間しか発光を維持できない。また、コンデンサが放電する場合、そのコンデンサの放電カーブに伴う電圧変動に依存して、キセノンランプの発光光量が変化する。このため、安定的な光量が得られないという問題がある。このため、太陽電池の出力特性を測定する際には、測定対象である１つの太陽電池に対して、数１０回〜１３０回程度の発光を行うことで出力特性の測定を行っているのが現状である。

従って、このような状況では、複数ランプを発光させて大型の太陽電池の出力特性を測定する場合、照度の均一化がさらに困難になるという問題があり、従来技術では不可能という場合もある。

また、応答の遅い太陽電池の出力測定を行う場合は、ランプの発光時間を数１００ｍ秒〜数秒とする必要がある。このような長時間発光を行う発光回路では、長時間発光のために、主放電の電圧供給源を大型、大容量の電源として構成している。しかしながら、光源ランプが、例えば放電電極間の距離が１０００ｍｍ程度のキセノンランプであるとすると、２０００Ｖ〜３０００Ｖ程度の電位を必要とし、なおかつ主放電の際には３０Ａ程度の電流が流れるので、このような高電位、大電流の仕様を満たす電源には６０ＫＷ〜９０ＫＷ程度の大型電源となる。このような従来の発光回路では、複数ランプを発光させる必要のある大型太陽電池の出力特性を測定する場合、電源装置が巨大化することになる。この結果、ソーラシミュレータの大型化を招来し、装置コストの増大を招くという問題がある。

本発明は、従来のソーラシミュレータにおける上述した種々の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数のキセノンランプを光源として備えるソーラシミュレータにおいて、各キセノンランプにより安定的に所期の光量を得て、有効照射面における照度を均一化することができるソーラシミュレータを提供することにある。

また、他の目的は、装置を大型化することなく、１以上のキセノンランプを安定的にロングパルス発光させることができるソーラシミュレータを提供することにある。

また、さらに他の目的は、大型太陽電池（例えば、サイズ１ｍ×１ｍ角以上）でも、小型電源装置で複数ランプを点灯させ大きな有効照射面での照度むらを生じさせることなく出力特性の測定を可能とし、更に、測定の高精度化を実現できる画期的性能を発揮できるソーラシミュレータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るソーラシミュレータは、複数のキセノンランプと、前記各キセノンランプに対して配備された複数の光量センサと、前記各キセノンランプに対して配備され、該キセノンランプを流れる電流又は該キセノンランプに掛かる電圧を制御する複数の制御回路と、を含み、前記各光量センサによる検出信号を前記各制御回路にフィードバックさせて該制御回路を制御することにより、前記各キセノンランプの光量を制御させるようにしたことを特徴とする。

このとき、前記各光量センサによる検出信号を重み付けして合成してから、前記各制御回路にフィードバックさせるようにしてよい。

また、本発明に係るソーラシミュレータは、１以上のキセノンランプを同時又は選択的に点灯させる発光回路を備えたソーラシミュレータであって、前記発光回路は、前記各キセノンランプの電極間の電気的な絶縁状態を破壊する電位を出力する第１電源と、前記各キセノンランプの電極間の電気的な絶縁状態を破壊する電位を印加した後、主放電を誘発する電位を出力する第２電源と、主放電が開始されてから更に前記各キセノンランプ内の管内の電気的抵抗と主放電の電流値から求められる電位を維持するとともに、主放電の電流を維持する第３電源と、を備えることを特徴とする。ここで、前記第３電源は安定化電源を含んでよい。また、第３電源は前記安定化電源により充電されるコンデンサを含んでよい。

また、前記１以上のキセノンランプに対して夫々に光量センサを配備し、各光量センサによる検出信号を前記各キセノンランプに配備した電流制御回路又は電圧制御回路にフィードバックさせて、該制御回路を制御することにより、前記各キセノンランプの光量を制御するようにしてよい。

また、本発明に係るソーラシミュレータの運転方法は、上記いずれかの第２電源及び第３電源からなる電源回路により発光される、少なくとも１つのキセノンランプを個々に備えた複数台のソ−ラシミュレータにおける前記各キセノンランプの発光を制御して、前記複数台のソーラシミュレータを稼動させることを特徴とする。

例えば外形サイズが１ｍ×１ｍ角以上の大型太陽電池の出力特性を測定するためには、ソーラシミュレータは複数のキセノンランプを配置した構造にする必要がある。本発明によると、こうした場合に、各ランプに光量センサを配備し、各センサによる検出信号をランプ毎に配備した電流制御回路又は電圧制御回路にフィードバックさせて、前記制御回路を制御するようにしたので、各ランプの光量を安定化させることができる。従って、測定すべき太陽電池の照射面の照度を均一化でき、高精度な測定が可能となる。

また、第２電源及び第３電源からなる電源回路によりキセノンランプを発光させるようにしたので、装置を大型化させることなく、安定的に１以上のキセノンランプをロングパルス発光させることができる。特に、複数のキセノンランプを点灯させるための発光回路を上記の構成とすることにより、電源ユニットは１式で足りるので電源そのものを低コストで作製し、しかも、小型化できる利点があるのみならず、大型の太陽電池の出力特性を測定するソーラシミュレータ自体のサイズを従来構成の発光回路を使用したものと比較して格段に小型化できる。

また本発明では、第２電源及び第３電源から構成される、１台の電源回路により複数のキセノンランプを点灯させるようにしたので、１台の電源回路により複数台のソーラシミュレータを運転して行う測定態様を実現できる。従って、太陽電池を大量生産するため、複数台のソーラシミュレータを設置する場合に比べ、設置場所の省スペース化や送配電設備の簡素化が可能になる。

次に、本発明の実施の形態例について、図に拠り説明する。図１は、本発明ソーラシミュレータにおける発光回路の実施形態１を説明するためのブロック図、図２はランプ発光用電源回路の構成例を示す図である。図３は本発明ソーラシミュレータにおける発光回路の実施形態２の要部を説明するためのブロック図、図４は本発明ソーラシミュレータにおける発光回路の実施形態３の要部を説明するためのブロック図、図５は本発明ソーラシミュレータのランプ配置例１を模式的に示した斜視図、図６は本発明ソーラシミュレータのランプ配置例２を模式的に示した斜視図、図７はランプ発光用電源回路の他の構成例を示す図、図８は本発明による複数台のソーラシミュレータの運転方法を説明するためのブロック図である。

まず、本発明ソーラシミュレータにおける発光回路の実施形態１について、図１に沿って説明する。１は、複数本のキセノンランプ４１，４２・・・４ｎ（以下、４１〜４ｎと表し、ｎは自然数とする）に対し、トランス1ｂの二次側に初期の絶縁破壊を行う電圧を発生させるトリガパルス発生回路１ａを備えた第１電源である。１０は、ランプ４１〜４ｎを発光させるためのランプ発光用電源回路である。図１では、単一のランプ発光用の電源回路１０にて複数本のランプ４１〜４ｎを発光させる構成となっているが、このランプ発光用電源回路１０はランプ毎に設けてもよい。また、各ランプ４１〜４ｎには発光させたときの光量を安定化させるための電流制御回路７を付加している。電流制御回路７は、特に限定されたものではなく公知の回路を使用することができる。また図示したキセノンランプ４１〜４ｎとしては、放電間距離が１００ｍｍ以上あり、電極４ａ，４ｂ間の電気的な絶縁状態を破壊する電位をガラス管の外から印加できる形状のもであればよい。

ランプ発光用電源回路１０としては、一例として図２（ａ）（ｂ）のような公知のランプ発光用の電源回路を用いることができる。なお、図２において、Ｌ，Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３・・・はコイル，Ｃ，Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３・・・はコンデンサである。また、充電用電源は直流電源回路である。図２（ａ）の回路は、コイルとコンデンサにて、ランプを発光させるパルスの時間をある一定時間にした回路であり、同図（ｂ）は複数のコイルとコンデンサの組を用いてランプを発光させるパルスの時間を拡張させた回路である。

本実施形態では、複数個（本）のキセノンランプ４１〜４ｎを発光させるため、第１電源１におけるトランス１ｂの２次側は、図１の通り、一方の配線を、複数個のランプ４１〜４ｎに対応し分岐させる形態としてもよい。又は、図８のようにトランス１ｂを含むトリガパルス発生回路１ａの第１電源１を、配置するランプ個数分に対応した個数で配置してもよい。

更に本実施形態では、各キセノンランプ４１〜４ｎに、それぞれの光量をモニタするために、一例として太陽電池セルなどによる光量センサＳ１〜Ｓｎを配置し、各センサＳ１〜Ｓｎの出力信号を、図１に例示した各キセノンランプ４１〜４ｎの電流制御回路７に帰還させ、各ランプ４１〜４ｎの光量が揃うように制御できるように構成している。

次に、上述した本発明におけるキセノンランプ４１〜４ｎの発光回路の実施形態１について、その動作を説明する。まず、ソーラシミュレータを操作する作業者が起動釦などを押す手動操作、或は、自動運転などの自動操作の場合はパソコンなどの制御装置から図２の電源回路１０におけるコンデンサＣ又はＣ_１〜Ｃ_３への充電開始信号が加えられる。充電開始後一定時間経過後、自動的にトリガパルス発生回路１ａ（第１電源１）に点灯開始信号１ｃが加えられる。

点灯開始信号１ｃがトリガパルス発生回路１ａに加えられると、出力トランス１ｂの二次側から各キセノンランプ４１〜４ｎのガラス管の外周に数ＫＶのトリガパルスが印加される。このトリガパルスにより、各キセノンランプ４１〜４ｎ内で対向した電極４ａ，４ｂ間の電気的な絶縁状態が破壊される。この後、図２のランプ発光用の電源回路１０が起動し４５０Ｖ程度の放電待機電圧を各キセノンランプ４１〜４ｎの電極４ａ，４ｂ間に印加する。これにより内部での主放電が誘発され、各キセノンランプ４１〜４ｎの管内抵抗は、数ＭΩ以上の状態から急激に低下し数Ω以下（ランプによって異なる）になり、コイルとコンデンサの組み合わせにより決められた一定時間ランプが発光する。

本発明発光回路における実施の形態２は、図３に例示する通り、図１の各ランプ４１〜４ｎにおける電流制御回路７を電圧制御回路８に変更したものである。なお、電流制御回路７は、図４に示すようにキセノンランプ４１〜４ｎの陽極側に設けてもよい。

上記の発光回路を用いることにより複数本のキセノンランプ４１〜４ｎを発光させる本発明ソーラシミュレータの構成例を図５と図６に拠り説明する。

図５において、１１は、測定すべき太陽電池の受光面が載置される上面に光透過性の測定面１１ａを形成すると共に、周壁１１ｂと底壁１１ｃを遮光性材料で形成した本発明ソーラシミュレータにおける筐体で、図示した例では、４本のキセノンランプ４１〜４４が、それぞれソケットや配線などを含むランプ受部材１２に装着されて、底壁１１ｃ上に、均等な配置となるように設置されている。前記ランプ４１〜４４の上方には、筐体１１の内部を水平に横断する形態で、光学フィルタ１３などが配置され、各ランプ４１〜４４の点灯による光量が測定面１１ａ（有効照射面１１ａともいう）に均等に照射されるようにしている。測定面１１ａには、一例として、２ｍ×４ｍ角程度の太陽電池を置いて測定することができる。

ここで、筐体１１の内部において、周壁１１ｂの内面には、各ランプ４１〜４４に対応して、４個の光量センサＳ１〜Ｓ４が配置されている。また、測定面１１ａの所定位置には、規格で定められた照度測定用基準セルＳｍが配置される。各センサＳ１〜Ｓ４の検出信号は、各ランプ４１〜４４の電流制御回路７又は、電圧制御回路８にフィードバックされて、各ランプ４１〜４４の照度が一定に揃うように、各ランプ４１〜４４に印加される電流又は電圧が一定に制御される。

図６は、上記の発光回路を用いて複数本のキセノンランプ４１〜４ｎを発光させる本発明ソーラシミュレータの別例であるが、ここでは、太陽電池の大きさが横長の機種、例えば１ｍ×４ｍ角程度のものに対して使用することができるように構成した例である。

図６において、図５のソーラシミュレータと同一部材は、同一符号を使用している。図６の例では、３本のキセノンランプ４５〜４７を筐体１１の内部に直列状に配置し、これに対応して筐体１１の測定面１１ａも、１ｍ×４ｍ角程度の太陽電池の受光面に対応した形状となっている。各ランプ４５〜４７に対応させてフィルタ１３よりも上方に３個の光量センサＳ５〜Ｓ７が配置されている。

ここで、各センサＳ５，Ｓ６，Ｓ７は、夫々に対応するランプ４５，４６，４７からだけの光のほか、他のランプの光も入射するので、各ランプ４５〜４７の夫々の電流又は電圧の制御回路７又は同８に対して３つのセンサＳ５〜Ｓ７の検出信号を重み付け合成をしたフィードバック信号を帰還させるようにする。例えば、キセノンランプ４５の電流制御回路７又は電圧制御回路８にフィードバックされる信号Ｆｓは、Ｆｓ＝α×（光量センサＳ５の出力信号）＋β×（光量センサＳ６の出力信号）＋γ×（光量センサＳ７の出力信号）（ここで、α，β，γは重み付け変数である。）という具合になる。ランプ４６と４７についてもフィードバックされる信号Ｆｓについて同様の手法によりフィードバックされる。このような重み付けをして合成したフィードバック信号は、図５の例のソーラシミュレータにおいても、勿論、適用することができる。

またソーラシミュレータのランプ発光用の電源回路として、図２の構成のものに替えて、図７に示される、本発明のランプ発光用の電源回路を使用することができる。図７において、２は、ランプ４１〜４ｎに主発光のための放電（主放電）を開始させる電圧を発生する直流電源Ｂ（第２電源）である。３は、ランプ４１〜４ｎに目標光量の放電を維持させるための電圧を発生する直流電源Ａ（第３電源）である。直流電源Ａは、キャパシタ６（電気二重層コンデンサともいう。）とそれを充電する充電用電源（安定化電源）５とを主体に構成されており、ランプ４１〜４ｎの管内の電気的抵抗と主放電の電流値から求められる電位を維持することにより、主放電を維持する。ＳＷは、直流電源Ａ及び直流電源Ｂの出力と、キセノンランプ４１〜４ｎの一方端子と、の間に設けられるスイッチであり、直流電源Ａ及び直流電源ＢはスイッチＳＷを介してランプ４１〜４ｎに対して並列に接続される。

同図に示される電源回路を用いたソーラシミュレータの機能を図１及び図７により説明する。まず、トリガパルス発生回路１ａ（第１電源１）に点灯開始信号１ｃが加えられる。この点灯開始信号１ｃの入力は、ソーラシミュレータを操作する作業者が起動釦などを押す手動操作、或は、自動運転などの自動操作の場合はパソコンなどの制御装置から出力するスタート信号によりなされる。なお、スイッチＳＷは、まず開状態から閉状態になると点灯開始信号１ｃが出力されランプが発光開始し一定時間（約１００ｍ秒〜数秒）経過後、開状態となる。

図１の点灯開始信号１ｃがトリガパルス発生回路１ａに加えられると、出力トランス１ｂの二次側から各キセノンランプ４１〜４ｎのガラス管の外周に数ＫＶのトリガパルスが印加される。このトリガパルスにより各キセノンランプ４１〜４ｎ内で対向した電極４ａ，４ｂ間の電気的な絶縁状態が破壊される。この後、図７のランプ発光用電源回路１０の直流電源Ｂ（第２電源２）が起動し、４５０Ｖ程度の放電待機電圧を各キセノンランプ４１〜４ｎの電極４ａ，４ｂ間に印加する。これにより内部での主放電が誘発され、各キセノンランプ４１〜４ｎの管内抵抗は、数ＭΩ以上の状態から急激に低下し数Ω以下（ランプによって異なる）になる。更にこの後直流電源Ａ（第３電源３）が起動し、１３０Ｖ程度の放電維持電圧を当該各キセノンランプ４１〜４ｎの電極４ａ，４ｂ間に印加する。これにより各キセノンランプ４１〜４ｎの内部で主放電が継続され、所定の光量で連続発光しそれが所要時間（約１００ｍ秒〜数秒）維持される。

このように長時間のロングパルス発光が可能になったので、応答が遅く、しかも大型の太陽電池の出力特性を、複数ランプを発光させて高精度に測定することが可能となった。なお、ランプ発光用電源回路１０に１つのキセノンランプを接続し、該キセノンランプをロングパルス発光させるようにしてもよいのはもちろんである。

また本発明の図７の電源回路（第２電源及び第３電源から構成される。）を使用することにより、電源回路１台を用いて複数台のソーラシミュレータを運転することも可能である。例えば、少なくとも１本のキセノンランプを備えたソーラシミュレータの複数台を同時に、又は、選択して運転可能である。その運転方法の一例を図８の模式図により説明する。なお、図８において、図１〜図７と同一部材は同一符号を使用している。

図においては、夫々に１本のキセノンランプ４８，４９，４１０を備えた３台のソーラシミュレータＳＳ１〜ＳＳ３に対し各キセノンランプ４８，４９，４１０の第１電源１Ａ，１Ｂ，１Ｃを配置し、第２電源２と第３電源３の出力回路が各キセノンランプ４８，４９，４１０に、それぞれスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して並列に接続されている。従って、各第１電源１Ａ〜１Ｃに、点灯開始信号Ｃ１〜Ｃ３が同時に入力すると、３本のキセノンランプ４８，４９，４１０は同時に発光することになる。図８の例において、図示しないが３本のランプ４８〜４１０に対して、１個の第１電源１を配置した形態を採ることもできる。この形態であると、３台のソーラシミュレータＳＳ１〜ＳＳ３は、同時にキセノンランプ４８，４９，４１０が発光することになる。この点、図８では、ランプごとに第１電源１Ａ〜１Ｃが配置されているので、同時発光のほか選択的発光も可能である。

本実施形態は以上の通りであって、１台の発光回路によりソーラシミュレータのランプを複数本発光させることが可能になったので、ソーラシミュレータとしてきわめて有用であり、以下の具体的効果が得られる。
（１）１台の発光回路によりソーラシミュレータの複数本のランプを発光させることができるので、大型太陽電池の出力特性を測定する場合でも電源を従来技術に比べ格段に小型で安価のものとすることができる。
（２）ソーラシミュレータの複数本のランプを連続発光させる場合でも、その光量を安定に維持することができる。従って、ソーラシミュレータによる太陽電池の出力特性の測定を高精度に行うことが可能となる。
（３）第２電源及び第３電源から構成される１台の電源回路により複数台のソーラシミュレータを運転することができるので、装置の省スペース化や送配電設備を簡便化することができる。

また、第２電源及び第３電源から構成される電源回路により、装置を大型化することなく、１以上のキセノンランプをロングパルス発光させることができる。

本発明ソーラシミュレータの発光回路の実施形態１を説明するためのブロック図である。ランプ発光用電源回路の構成例を示す図である。本発明ソーラシミュレータの発光回路の実施形態２を説明するための要部のブロック図である。本発明ソーラシミュレータの発光回路の実施形態３を説明するための要部のブロック図である。本発明ソーラシミュレータのランプ配置例１を説明するためソーラシミュレータ筐体の一部を切開した模式的斜視図である。本発明ソーラシミュレータのランプ配置例２の模式的斜視図である。ランプ発光用電源回路の他の構成例を示す図である。本発明ソーラシミュレータにおける運転方法を説明するためのブロック図である。ランプ発光の際の光量の場所分布を示す模式的波形図である。

符号の説明

１第１電源、１ａトリガパルス発生回路（第１電源）、１ｂトランス、１ｃ点灯開始信号、２第２電源（直流電源Ｂ）、３第３電源（直流電源Ａ）、４１〜４ｎキセノンランプ、５充電用電源、６キャパシタ、７電流制御回路、８電圧制御回路、１０ランプ発光用電源回路、１１ソーラシミュレータ筐体、１２ランプ受部材、１３光学フィルタ、Ｓｍ照度測定用基準セル、Ｓ１〜Ｓｎ光量センサ。

Claims

複数のキセノンランプと、
前記各キセノンランプに対して配備された複数の光量センサと、
前記各キセノンランプに対して配備され、該キセノンランプを流れる電流又は該キセノンランプに掛かる電圧を制御する複数の制御回路と、を含み、
前記各光量センサによる検出信号を重み付け変数を作用させた上で合成したフィードバック信号を、前記各制御回路に対して個別に生成し、前記各制御回路にフィードバックさせて該制御回路を制御することにより、前記各キセノンランプの光量を制御させるようにしたソーラシミュレータ。