JP5522183B2 - 光照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池モジュールに試験用光を照射する寿命加速試験用の光照射装置に関する。
紫外線照射は、被照射物(以下、ワークともいう。)の表面改質、露光、成形、硬化、接着および洗浄などの光照射処理プロセスや、光照射試験等の様々な分野で使用されており、例えば太陽電池モジュールの寿命加速試験にも用いられている。
図1は太陽電池モジュールの構造を模式的に示す説明用断面図である。太陽電池モジュールは、太陽電池セル10の表面上に例えばSiN膜などからなる反射防止膜11が形成され、当該反射防止膜11上および太陽電池セル10の裏面上に電極13A,13Bがそれぞれ印刷によって形成されたものの複数が、同一平面上に並べられ、これらがワイヤからなるインターコネクター材12によって直列に配線された状態において、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)やポリビニルブチラール(PVB)、シリコーン樹脂などの透光性の封止材によりパネル14内に密閉されてなるものである。パネル14は、封止材によって形成された封止部15の受光面側(太陽電池セル10の表面側)に設けられた、外部からの応力や水蒸気の影響からの保護のための光透過性の高いガラスなどよりなる透光板16と、当該透光板16に対向するよう、封止部15の背面側(太陽電池セル10の裏面側)に設けられた、ポリフッ化ビニル(PVF)やポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)などよりなる、バックシートと呼ばれる水蒸気バリア性を持つ保護シート17A,17Bとよりなり、さらに、これらの透光板16および保護シート17A,17Bの周囲(封止部15の側面側)は、シール材18を介してアルミニウム製のフレーム19によって固定されている。
現在、太陽電池市場においては、太陽電池モジュールの長寿命化が要請されている。太陽電池モジュールの寿命には、例えば、P型半導体、N型半導体、電極からなる太陽電池セル10をパネル14内に封止する封止部15を形成する封止材や、太陽電池セル10や封止部15を保護する保護シート17A,17B等の有機材料の紫外線照射による劣化が影響を及ぼすことが知られており、このような劣化についての対策として、例えば、特許文献1や特許文献2には、太陽光(紫外線)に関する耐候性が良好な材料が提案されている。
一方、近年、太陽電池モジュールの寿命試験に要する時間の短縮化を実現するため、太陽電池モジュールの寿命加速試験方法の検討が進められている。具体的には、ワーク(太陽電池モジュール)の表面上の紫外線照度が、太陽光が照射される場合の紫外線照度より大きくなるよう、ワークの表面に紫外線を照射することが検討されており、このような要請に対応した、より高い照度でワークの光照射面に紫外線を照射することが可能な光照射装置が望まれている。
しかしながら、寿命加速試験に要する時間の短縮化を促進した場合、実使用環境においては発生しない類の故障事象が発生する、つまりは破壊試験となってしまうことが懸念される。従って、より実使用環境に近い条件で加速させることできる寿命加速試験方法や光照射装置が望まれている。
寿命加速試験方法としては、擬似太陽光源を用いた方法があり、自然太陽光の複数倍の照度を持つ紫外線をワークの表面に照射する方法が一般的である。
また、以前は太陽電池モジュールを構成する材料個々についての光照射試験がなされていたが、太陽電池セルや他の材料の組み合わせによって寿命特性が変化する可能性があるため、実際に使用される状態、すなわち太陽電池モジュールの形態において行われる寿命試験が重要視されるようになりつつある。
太陽電池モジュールの形態において寿命試験が行われることが主流になる中、紫外線による劣化の影響を受けやすい封止部15や保護シート17A,17Bに関しても、太陽電池モジュールの表面からの紫外線照度を破壊試験にならない程度に大きくすることによって、透光板16からの透過光や太陽電池セル10間の漏れ光を利用し、より加速度を高める試験方法や装置の開発がなされてきた。
特開2011−18872号公報 特開2011−228382号公報
昨今、様々な分野および場所で太陽電池の普及が拡大している。例えば従来においては個別住宅の屋根に太陽電池モジュールを設置する使用方法が主流であったが、その後、マンションの屋上や遊休中の土地、さらにはメガソーラー発電所での使用に発展している。
個別住宅の屋根以外のような環境で使用される場合、より発電の効率を高めるため、太陽の照射角度に合わせた架台の上に太陽電池モジュールを設置している。またこの際、地面からの湿気の影響を低減させるために、地面より1m程度高い位置に太陽電池モジュールを設置することができる架台を使用することが一般的である。また、メガソーラー発電所などにおいては、太陽光を効率的に受光するための太陽追尾装置が搭載された架台を使用することもある。
このように、太陽電池モジュールがある程度の高さを有する架台の上に設置された場合、最初から傾斜を有する個別住宅の屋根に設置する場合とは異なり、地表(架台の設置面)によって反射・散乱された太陽光が太陽電池モジュールの背面の保護シートに照射される。
地表(架台の設置面)からの反射光は、太陽からの直接光に比較して照度が小さいものではあるが、一般的に太陽からの直接光に対し、草地では3〜4%、コンクリートでは10%、砂地では15%、雪面にいたっては80〜90%の反射率を持つことが知られており、保護シートの劣化に強く影響を与えることが分かった。
すなわち、太陽電池モジュールの設置形態によっては、地表(架台の設置面)によって反射・散乱される太陽光が太陽電池モジュールの裏面側から当該太陽電池モジュールに照射され、この太陽電池モジュールの裏面側から照射される太陽光が当該太陽電池モジュールを構成する保護シートへ及ぼす影響も考慮する必要があることが判明した。
しかしながら、従来の紫外線を照射する寿命加速試験に用いる光照射装置は、試験用光を太陽電池モジュールの表面側から当該太陽電池モジュールに照射するものであり、地表(架台の設置面)により反射・散乱されて太陽電池モジュールの裏面側から当該太陽電池モジュールに照射される太陽光の影響が考慮された構成のものではなかった。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、擬似太陽光源を使用した太陽電池モジュールの寿命加速試験において、実使用に近い環境を再現することができ、従って加速度が高められる寿命加速試験用の光照射装置を提供することにある。
本発明の光照射装置は、光照射ユニットから放出される光を太陽電池モジュールの表面に照射する光照射装置において、
前記太陽電池モジュールの裏面を含む仮想平面より裏面側に、前記光照射ユニットよりの光を当該太陽電池モジュールの裏面に向けて反射する反射手段が設けられていると共に、 前記太陽電池モジュールの裏面に光を照射する補助光照射ユニットが設けられていることを特徴とする。
本発明の光照射装置においては、前記太陽電池モジュールの裏面に照射される光の強度を調整する調光手段が設けられていることが好ましい。
また、本発明の光照射装置においては、前記補助光照射ユニットから放出される光の強度を調整する補助光用調光手段が設けられていることが好ましい。
本発明の光照射装置によれば、太陽電池モジュールの裏面を含む仮想平面より裏面側に、光照射ユニットよりの光を当該太陽電池モジュールの裏面に向けて反射する反射手段が設けられているので、当該太陽電池モジュールの表面および裏面の両面に試験用光を照射することができる。従って、擬似太陽光源を使用した太陽電池モジュールの寿命加速試験において、実使用に近い環境を再現することができ、その結果、加速度が高められた寿命加速試験を実施することができる。
また、太陽電池モジュールの裏面に光を照射する補助光照射ユニットが設けられた構成の光照射装置によれば、太陽電池モジュールの表面および裏面の照度をそれぞれ調整することができるので、より実使用に近い環境を再現することができ、従って、より加速度が高められた寿命加速試験を実施することができる。
太陽電池モジュールの構造を模式的に示す説明用断面図である。 本発明の光照射装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。 図2−AのX−X線断面図である。 ワークホルダの構造の一例を示す説明用斜視図である。 図2−Aの光照射装置におけるワークホルダの固定状態を示す説明用断面図である。 ワークホルダのサポーターの構造を示す説明用拡大斜視図である。 ワークホルダの支持フレームの構造を示す説明用斜視図である。 ワークホルダ上にワークが載置された状態を示す説明用斜視図である。 ワークホルダ上に載置されたワークが固定された状態を示す説明用斜視図である。 図2−Aに示す光照射装置における光路を概略的に示す説明用断面図である。 従来の光照射装置における構成の概略を示す説明用断面図である。 図5に示す光照射装置における光路を概略的に示す説明用断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る光照射装置の構成の概略を示す説明用断面図である。 図7に示す光照射装置における光路を概略的に示す説明用断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係る光照射装置の構成の概略を示す説明用断面図である。
以下、本発明について具体的に説明する。
<第1の実施の形態>
図2−Aは、本発明の光照射装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図、図2−Bは、図2−AのX−X線断面図である。
この光照射装置1は、光照射ユニット30から放出される試験用光を、ワークWである太陽電池モジュールの表面に向けて放射し、当該太陽電池モジュールの表面および裏面に照射する寿命加速試験用のものである。
光照射装置1は、具体的には、ワークWが収容される処理室Rを形成する略箱型のチャンバ20を有し、当該チャンバ20の上面には、試験用光を処理室R内に導入するための開口20aが形成されており、このチャンバ20の上方に、当該チャンバ20の開口20aを塞ぐ状態に、試験用光を放射するランプ31を有する光照射ユニット30が配置されて構成されている。
そして、この光照射装置1においては、ワークWの裏面を含む仮想平面Sより下方に、光照射ユニット30よりの光を当該ワークWの裏面に向けて反射する反射手段が設けられている。
具体的には、チャンバ20が、底面が塞がれた角型漏斗状の形状を有している。詳細には、向かい合う側壁21A,21Bおよび向かい合う側壁21C,21Dとからなる略矩形枠状の周壁24と、当該側壁21A,21B,21C,21Dのそれぞれの下辺から連続して下方に向かって中央側に傾斜して伸びてワークWの裏面に対向する傾斜壁22A,22B,22C,22Dと、当該傾斜壁22A,22B,22C,22Dのすべてに連続すると共に側壁21A,21B,21C,21Dと垂直となる状態に伸びる底壁23とを有している。そして、当該チャンバ20を構成する傾斜壁22A,22B,22C,22Dが、内面が反射面とされた反射板からなるものとされており、さらに、傾斜壁22A,22B,22C,22Dは、光照射ユニット30から出射されて当該傾斜壁22A,22B,22C,22Dの内面によって反射された反射光が実質的にワークWの裏面全域を照射することができる角度に傾斜されている。すなわち、傾斜壁22A,22B,22C,22Dの内面によって、反射手段が形成されている。
また、チャンバ20を構成する側壁21A,21Bおよび図示されない2つの側壁からなる周壁24、並びに底壁23も、その内面が反射面とされた反射板からなるものとされていることが好ましい。
チャンバ20を構成する周壁24、傾斜壁22A,22Bおよび底壁23のそれぞれ内面は、各々、全反射する面であってもよく、また、散乱反射する面であってもよい。
チャンバ20内には、ワークWを、当該ワークWとチャンバ20の周壁24との間に光照射ユニット30からの光が通過する領域が形成されると共に当該ワークWの裏面が露出する状態に保持するためのワークホルダ25が設けられている。
このワークホルダ25は、保持すべきワークWの大きさによってその大きさを調整することができる可変のものとされている。ワークホルダ25は、具体的には、図3−A〜図3−Fに示されるように、2本ずつ縦横に伸びてそれぞれ直交するよう格子状に配置された4本の支持フレーム27A,27A,27B,27Bと、支持フレーム27A,27A,27B,27Bによる交差箇所を立体交差状態に保持する4つのサポーター28と、それぞれの支持フレーム27A,27A,27B,27Bの一端部および他端部が水平な一方向に移動可能に嵌合される溝部を有するレール29A,29A,29B,29Bとから構成されている。
具体的には、互いに同方向(図3−Bにおいて左右方向)に伸びる支持フレーム27A,27Aは同一の長さを有し、支持フレーム27A,27Aの各々の一端部および他端部が、それぞれ支持フレーム27Bと同方向に伸びるレール29B,29Bに嵌合されており、同様に、互いに同方向(図3−Bにおいて紙面に垂直な方向)に伸びる支持フレーム27B,27Bも同一の長さを有し、支持フレーム27B,27Bの各々の一端部および他端部が、それぞれ支持フレーム27Aと同方向に伸びるレール29A,29Aに嵌合されている。
レール29B,29Bによって規制される支持フレーム27A,27Aの移動方向と、レール29A,29Aによって規制される支持フレーム27B,27Bの移動方向とは、互いに直交する状態とされている。
サポーター28は、図3−Cに示されるように、支持フレーム27Aの断面形状と同じ形状(この例においては四角形)の断面形状を有する長孔が形成された筒からなる支持フレームA用筒部28aと、支持フレーム27Bの断面形状と同じ形状(この例においては四角形)の断面形状を有する長孔が形成された筒からなる支持フレームB用筒部28bとが、それぞれの長孔の伸びる方向が直交する状態に上下に積層されて一体化されたものである。
このワークホルダ25は、水平な状態でそのレール29A,29A,29B,29Bがチャンバ20の周壁24に固定されている。
そして、このワークホルダ25においては、4本の支持フレーム27A,27A,27B,27Bによって中央領域に形成される矩形枠26が、ワークWである太陽電池モジュールのフレーム19に従った大きさとされ(図3−D参照)、当該太陽電池モジュールのフレーム19が矩形枠26上に載置され(図3−E参照)、さらにモジュール固定治具26sによって矩形枠26に固定される(図3−F参照)。
光照射ユニット30は、一方(図2−Aにおいて下方)に光放射口32aが開口する略直方体の箱型形状の筐体32と、この筐体32の内部における光放射口32a側の領域において、管軸が光放射口32aの開口端面と平行な同一平面内に位置されると共に互いに平行に延びる状態で並列に配置された複数本の棒状のランプ31と、各々のランプ31に電力を供給する給電手段(図示せず)とを有するものである。本発明の光照射装置1に係る光照射ユニット30においては、筐体32の光放射口32aの開口端面が水平面とされている。
これらのランプ31の上方には、ランプ31の各々からの光を下方に反射する反射板が配置されていてもよい。
光照射ユニット30におけるランプ31の配置位置は、当該光照射ユニット30から放出される光の照射領域が、ワークWよりも大きくなるよう設定されている。
ランプ31としては、太陽電池モジュールの寿命加速試験に用いられる擬似太陽光源となるものであればよく、例えば、希ガス蛍光ランプなどを用いることができる。
光照射ユニット30におけるランプ31の本数は、ワークWのサイズ、ワークWの光照射面での放射照度に応じて適宜定められる。例えば、ワーク(太陽電池モジュール)Wの光照射面の放射照度が3〜5Sun(1Sunは100mW/cm2 )となるようにするためには、インバータ入力40Wの希ガス蛍光ランプが10〜33本用いられる。
この光照射装置1においてワークWの表面および裏面に照射される光の強度比は、ワークWの表面に対する放射照度をA、ワークWの裏面に対する放射照度をBとすると、B=0.03A〜0.9Aであることが好ましい。ワークWの表面および裏面に照射される光の強度比が上記の範囲にあることによって、確実に実使用に近い環境を再現することができる。
この光照射装置1において、チャンバ20内におけるワークWとチャンバ20の周壁24との距離は例えば50〜500mmとされる。
また、光照射ユニット30のランプ31からワークWの表面への距離は例えば100〜1000mmとされる。
また、ワークWである太陽電池モジュールのサイズは、縦横が例えば1.2m×1.5mとされる。
以上のような光照射装置1においては、光照射ユニット30から放出される光は、直接、あるいは、チャンバ20の周壁24や傾斜壁22A,22Bの内面(反射面)に反射されて、ワークWである太陽電池モジュールの表面または裏面に照射される。
すなわち、図4に示されるように、光照射ユニット30から放出される光は、ワークWの表面に直接的に照射される光A、周壁24の内面に反射されてワークWの表面に照射される光(図4においては矢印省略)、周壁24の内面に反射されるがワークWの表面には照射されない光B、ワークWの表面には照射されず当該ワークWと周壁24との間を通過して傾斜壁22A,22Bに向かう光Cからなる。そして、このワークWの表面に直接的に照射されない光B,Cの少なくとも一部が、傾斜壁22A,22Bによって反射されて(図4においてそれぞれ光D,光E)ワークWの裏面に照射される。
なお、図5および図6に示されるように、従来の反射手段が設けられていない光照射装置4においては、光照射ユニット30から放出される光は、直接、あるいは、チャンバ60を構成する筐体の周壁の内面に設けられた反射板61に反射されて、ワークWである太陽電池モジュールの表面のみに照射される。
以上のような光照射装置1によれば、ワークWの裏面を含む仮想平面Sより裏面側に、光照射ユニット30よりの光を当該ワークWの裏面に向けて反射する反射手段が設けられているので、当該ワークWの表面および裏面の両面に試験用光を照射することができる。従って、擬似太陽光源を使用した太陽電池モジュールの寿命加速試験において、実使用に近い環境を再現することができ、その結果、加速度が高められた寿命加速試験を実施することができる。
以上、本発明の光照射装置の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、周壁24および傾斜壁22A,22Bの内面が反射面とされておらず、その代わりに、光照射ユニット30から放出される光を反射する反射板が別途設けられた構成とされていてもよい。
<第2の実施の形態>
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る光照射装置の構成の概略を示す説明用断面図である。
本発明の第2の実施の形態に係る光照射装置2は、第1の実施の形態に係る光照射装置1において、底壁23に補助光照射ユニット40が設けられてなることの他は、第1の実施の形態に係る光照射装置1と同様の構成を有するものである。
具体的には、この光照射装置2は、チャンバ20の底壁23に開口23aが形成されており、このチャンバ20の下方に、当該チャンバ20の底壁23の開口23aを塞ぐ状態に、ワークWの裏面に向けて試験用光を放射するランプ41を有する補助光照射ユニット40が配置されて構成されている。
補助光照射ユニット40は、一方(図7において上方)に光放射口42aが開口する略直方体の箱型形状の筐体42と、この筐体42の内部における光放射口42a側の領域において、管軸が光放射口42aの開口端面と平行な同一平面内に位置されると共に互いに平行に延びる状態で並列に配置された複数本の棒状のランプ41と、各々のランプ41に電力を供給する給電手段(図示せず)とを有するものである。本発明の光照射装置2に係る補助光照射ユニット40においては、筐体42の光放射口42aの開口端面が水平面とされている。
これらのランプ41の下方には、ランプ41の各々からの光を上方に反射する反射板が配置されていてもよい。
補助光照射ユニット40におけるランプ41の配置位置は、当該補助光照射ユニット40から放出される光の照射領域が、ワークWよりも小さくなるよう設定されている。
また、当該補助光照射ユニット40におけるランプ41の配置位置は、当該補助光照射ユニット40から放出される光の照射領域が、ワークWの裏面の中央領域となるよう設定されていることが好ましい。
第1の実施の形態に係る光照射装置1においては、ワークWの裏面における放射照度分布が、傾斜壁22A,22Bによる反射光はワークWの裏面の中央領域においてその光強度が低くなる傾向にあるために、例えばワークWが大型の太陽電池モジュールなどである場合に顕著な不均一性を示すことがある。すなわち、以上のような光照射装置2によれば、ワークWが大型の太陽電池モジュールであっても、ワークWの裏面、具体的には中央領域における光量不足を補助光照射ユニット40からの光Fによって補完することによって、ワークWの裏面における試験用光の不均一性を小さく抑制することができる。
本発明の第2の実施の形態に係る光照射装置においては、上記の実施の形態に限られず、種々の変更を加えることができる。
<第3の実施の形態>
図9は、本発明の第3の実施の形態に係る光照射装置の構成の概略を示す説明用断面図である。
本発明の第3の実施の形態に係る光照射装置は、ワークWの裏面に照射される光の強度を調整する調光手段が設けられてなることの他は、第2の実施の形態に係る光照射装置2と同様の構成を有するものである。
具体的には、この光照射装置3は、補助光照射ユニット40とワークWとの間の空間であって、補助光照射ユニット40の近傍に当該補助光照射ユニット40の光放射口42aを塞ぐ状態に補助光照射ユニット用調光手段55が設置されると共に、補助光照射ユニット40とワークWとの間の空間であって、ワークWの裏面近傍に当該ワークWの裏面全面を覆う状態に反射光用調光手段51が設置されて構成されている。
補助光照射ユニット用調光手段55によれば、主として補助光照射ユニット40から放出される光の光量を調整することができる。また、反射光用調光手段51によれば、補助光照射ユニット40から放出される光、および、傾斜壁22A,22Bからの反射光の光量を調整することができる。
補助光照射ユニット用調光手段55、反射光用調光手段51としては、それぞれ、例えば金属ワイヤーを網目状に構成した調光用メッシュを用いることができる。このような調光用メッシュは、網目の大きさを調整することにより、光の減光率を設定することができる。
このような光照射装置3によれば、ワークW(太陽電池モジュール)の設置場所に応じた寿命加速試験を行うことができる。
すなわち、地表(架台の設置面)により反射・散乱される太陽光の強度は、地表(架台の設置面)の状態に依存する。例えば、上記したようなマンションの屋上や遊休中の土地、さらにはメガソーラー発電所での地表(架台の設置面)の状態はそれぞれ異なるので、太陽光の反射率、散乱方向もそれぞれ相違するが、補助光照射ユニット用調光手段55および反射光用調光手段51によってワークWの設置場所に従った条件を設定することにより、より実使用に近い環境を再現することができ、従って、より加速度が高められた寿命加速試験を実施することができる。
本発明の第3の実施の形態に係る光照射装置においては、上記の実施の形態に限られず、種々の変更を加えることができる。
例えば、補助光照射ユニット用調光手段55および反射光用調光手段51を構成する調光用メッシュとして、調光率が互いに相違する複数種類が予め用意されており、これらの調光用メッシュが試験対象の太陽電池モジュールの設置場所の条件に対応して交換可能とされる交換機構が設けられていてもよい。
また例えば、補助光照射ユニット用調光手段55および反射光用調光手段51は両方設けられることに限定されず、一方のみが設けられた構成とすることもできる。
1,2,3,4 光照射装置
10 太陽電池セル
11 反射防止膜
12 インターコネクター材
13A,13B 電極
14 パネル
15 封止部
16 透光板
17A,17B 保護シート
18 シール材
19 フレーム
20 チャンバ
20a 開口
21A,21B,21C,21D 側壁
22A,22B,22C,22D 傾斜壁
23 底壁
23a 開口
24 周壁
25 ワークホルダ
26 矩形枠
26s モジュール固定治具
27A,27B 支持フレーム
28 サポーター
28a 支持フレームA用筒部
28b 支持フレームB用筒部
29A,29B レール
30 光照射ユニット
31 ランプ
32 筐体
32a 光放射口
40 補助光照射ユニット
41 ランプ
42 筐体
42a 光放射口
51 反射光用調光手段
55 補助光照射ユニット用調光手段
60 チャンバ
61 反射板
S 仮想平面
R 処理室
W ワーク

Claims (3)

  1. 光照射ユニットから放出される光を太陽電池モジュールの表面に照射する光照射装置において、
    前記太陽電池モジュールの裏面を含む仮想平面より裏面側に、前記光照射ユニットよりの光を当該太陽電池モジュールの裏面に向けて反射する反射手段が設けられていると共に、前記太陽電池モジュールの裏面に光を照射する補助光照射ユニットが設けられていることを特徴とする光照射装置。
  2. 前記太陽電池モジュールの裏面に照射される光の強度を調整する調光手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光照射装置。
  3. 前記補助光照射ユニットから放出される光の強度を調整する補助光用調光手段が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光照射装置。
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