TW201432186A - 應用雙菲涅耳透鏡設計太陽光模擬器 - Google Patents

Abstract

一種新構想的太陽光模擬器，其包含一拋物反射鏡照射光源，透過兩片菲涅耳透鏡設置方法，來達到空間光均勻度的改善和照射面積的擴展，有利於太陽光模擬器的設計應用。

Description

應用雙菲涅耳透鏡設計太陽光模擬器

在本揭露是以一光學設計的設置優化為主，其應用於太陽光模擬器上，對於太陽能的產業具有幫助。

對於太陽能電池在電氣訊號的檢測上，以太陽光模擬器最為常見的設備，太陽光模擬器照射出的光輻束能量關係到太陽能電池的發電效率，所以對於太陽光模擬器的標準是具有嚴苛的標準制定，ASTM國際組織及IEC兩的單位皆以發展定義太陽光模擬器的三項性能要求，分別是光譜符合度、光輻射不均勻度、及光輻射瞬時不穩定度。太陽光模擬器其在光源的設計主要分為兩種類型閃光型及連續曝照型，閃光型太陽光模擬器具設計簡單及使用壽命較長的優點，連續曝照型光模擬器在量測上不會有暫態效應(Transient effect)所造成的誤差，因此連續曝照型光源是一般常見的類型。

專利文獻1揭示提出之太陽平行光模擬器，光源照射的光束經拋物面集中光束，接著經過反射鏡及集成透鏡再由反射鏡發射，最後再經由第二道拋物面將光束反射，照射高精度之平行光至太陽能電池的入射面。

專利文獻2揭示提出的光模擬器，包含依照射光源以及一光導管陣列。照射光源提供一束光輻射，光導管陣列包含多個光導管，光導管句有 反射光輻射的內壁。並透過多個照射光源與多個光導管來設置太陽光模擬器。

專利文獻1：公開編號TW201100693 A1號公告

專利文獻2：公開編號TW201213703 A1號公告

對於太陽能模擬器來說改善光的空間均勻度，過去的設置為了解決這個問題必須透過多光源配置、光源的相對位置、散射元件等設置，可以了解太陽光模擬器的複雜性，如果說沒有精準的設計會造成照射的空間均勻度的影響，在太陽光模擬器的光均勻度分為3個等級(Class)，照射區域均勻度(Uniformity)誤差在2%為Class A、5%為Class B、10%為Class C。

本揭露在本發明的設置以利用菲涅耳透鏡幾何倍率的特點，來以平行光源透過兩片菲涅耳透鏡來達到近似平行光與可擴展的照射面積。其原理是當平行光源設置在菲涅耳透鏡前方時，在一定的距離便可聚焦來聚集光束到一個點上，接著再透過第二片透鏡設置在聚焦光點發散的一定距離下，已藉由點光源來達到平行光的目的，便可達到太陽光模擬器所需要的均勻性的與大面積照射的需求。在以上說明了本揭露的特點與優點，接的在一下是針對實施案例來敘述，並透過圖示詳細說明。

9‧‧‧照度量測元件

10‧‧‧照射光源

14‧‧‧拋物面反射照

12-1‧‧‧第一片菲涅耳透鏡

12-2‧‧‧第二片菲涅耳透鏡

13‧‧‧照度測試區

100、200、300‧‧‧太陽能模擬器

100A‧‧‧菲涅耳透鏡固定架移動方式

110、210、310‧‧‧照射光源

112‧‧‧出光面

114、214、314‧‧‧光源反射罩

120、220、320‧‧‧菲涅耳透鏡固定架移動機構

122、124、222、224、322、324‧‧‧菲涅耳透鏡固定架

130A、230A、330A‧‧‧入光端

130B、230B、330B‧‧‧出光端

226、326‧‧‧菲涅耳透鏡固定架移動機構陣列

L1‧‧‧起始光束

L2‧‧‧近似平行光束

A‧‧‧單一光源在照設區域的光均勻度表現

B‧‧‧本揭露在照設區域的光均勻度表現

〔圖1〕繪示為本揭露的光線追跡路徑表示圖。

〔圖2〕繪示為本揭露在實施案例1的太陽光模擬器是意圖的設置圖。

〔圖3〕繪示為菲涅耳透鏡固定架移動機構與透鏡固定架的相對位置的配置方向表示圖。

〔圖4〕繪示為本揭露的實施範例2的大面積陣列裝置表示圖。

〔圖5〕繪示為本揭露的實施範例3的太陽光模擬器的大面積陣列裝置表示圖。

於本發明揭露圖1所繪示，以90內實際光線追跡的路徑行運方式，當10照射光源點起，透過14拋物面反射鏡的設置將光平行放射L1，接著12-1第一片菲涅耳透鏡聚集光束再發散，發散至12-2第二片菲涅耳透鏡將發散光源轉為近似於平行光束L2，最終照射在13照度測試區的空間光輻射具有良好的均勻性。圖1所繪示之13照度測試區，將此區域區分為數個九宮格的形式，以9光照度量測元件測量每個九宮格上的光輻射值的強度。在量測的結果中，以A單一光源和B揭露設置兩者對空間光均勻度的比較，透過本揭露的設置在13照度測試區中間區域之光均勻度(Uniformity)具有改善現象，圖1下方表所示，1cm²的面積均勻由97.77%提升到 99%，4cm2面積內都還有接近95%的光均勻度，對於未來產品化設置具是具有優勢的。

圖2繪示為本發明揭露實施案例1的太陽光模擬器示意圖。首先圖2中以100太陽光模擬器涵蓋了一個110照射光源、120菲涅耳透鏡固定架移動機構、122及124為菲涅耳透鏡固定架為主。在照射光源100照光時透過反射材質的114光源拋物面反射罩來將光束平行發射。在本揭露中的主體是菲涅耳透鏡固定架移動機構120，他必須需控制照射面112至第一片菲涅耳透鏡的距離，當光束通過122菲涅耳透鏡固定架時會使光束集中成一點，則設置在下方的124菲涅耳透鏡固定架是要將集中一點的光束發散時來形成平行光。得知本揭露中圖2的設置裝置的配置後，接著對於光束的變化表示為L1起始光束進入130A入光端到透過兩片菲涅耳透鏡的設置，進一步的集中與發散光束的成為L2的近似平行光的放射特點，在130B出光端所得到的照射輻射光束會是近似的平行光便是本揭露的目的。在實施案例1中各設置的相對位置的配置圖以圖3所繪示，在120菲涅耳透鏡固定架移動機構中的122與124菲涅耳透鏡固定架，設置的距離取決於菲涅耳透鏡的所設計的焦距，所以這設置中必須要注意的是照射光源110與122透鏡固定架的限制距離，透過122透鏡固定架上的透鏡所形成的光束會將會聚焦成一點，當點聚焦點發散在特定距離範圍設置在124菲涅耳透鏡固定架上方，透過124透鏡固定架的內的菲涅耳透鏡使發散的光束將形成的光輻射光束會是均勻的近似平行光，當調整到最佳的近似平行光的位置時，將可降低光輻射分布不均勻影響太陽能模組測量上的誤差。

圖4繪示為實施範例2的大面積陣列裝置表示圖。在圖3中已將120菲涅耳透鏡固定架移動機構內的122與124菲涅耳透鏡固定架調準到最佳位置後，在本揭露的實施範例2是當以調整最佳位置以增加本揭露的陣列設置，圖4所繪示的太陽光模擬器的設置200是為求達到大面積的要求，可以透過陣列的設置來配製226菲涅耳透鏡固定架移動機構陣列，當以清楚了222與224菲涅耳透鏡固定架的最佳距離對於要以陣列的設置是非常簡單的，因為陣列內的最佳化的菲涅耳透鏡間的距離都是相同的，所以230出光端所照射出光束的將會是大面積陣列的量測區域。

圖5繪示為本揭露的實施範例3的太陽光模擬器配置示意圖。在設置上本要包含310陣列照射光源與326菲涅耳透鏡固定架移動機構陣列的搭配，已將調整到320菲涅耳透鏡固定架移動機構內的兩片菲涅耳透鏡間的距離和照射面到322菲涅耳透固定架的距離之後，以同樣的方式複製配製其他菲涅耳透鏡固定架移動機構來達到陣列的裝置結構。所以當310陣列照光原照亮時，透過314光源反射照聚集光束到326菲涅耳透鏡固定架移動機構陣列，陣列設置內各別的322與324菲涅耳透鏡固定架已調整到最佳的間距，由330A入光端的經過兩片菲涅耳透鏡後來達到優化的效果，此時330B出光端呈現的式陣列大面積的均勻平行光束，這對於太陽能模組的光電轉換效率的量測是非常實用的使用方法。

9‧‧‧照度量測元件

10‧‧‧照射光源

14‧‧‧拋物面反射照

12-1‧‧‧第一片菲涅耳透鏡

12-2‧‧‧第二片菲涅耳透鏡

13‧‧‧照度測試區

13‧‧‧九宮格型式照度測試區上視圖

A‧‧‧單一光源在照設區域的光均勻度表現

B‧‧‧本揭露在照設區域的光均勻度表現

Claims (9)

1. 一種新構想的太陽光模擬器，其包含一照射光源與一個平行光優化設置，並提高光束輸出密度的特點。其在本揭露中的平行光優化設置方法，主要是透過兩片菲涅耳透鏡作為改善的設置，將照射光源照射出光束後，透過菲涅耳透鏡聚焦和發散的原理，輸出的光束將改善照射區域均勻度與提高光強度的輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光模擬器，在其中照射光源能將光束導向的拋物線反射罩。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光模擬器，在其內部透過兩片菲涅耳透鏡來達到近似平行光的設置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之設置，是以非平行光束與菲涅耳透鏡在一定的距離下將會聚焦，其當中的距離與聚焦的光強度，取決於照射透鏡與聚焦兩者的面積。
5. 如申請專利範圍第1項所述之優化設置的配置，由兩片的菲涅耳透鏡來改善空間光的均勻性是可實行的，對於大擴大空間光均勻度有效面積的方式，提高光源的能量或是使用更高瓦數的氙氣燈、利用較精細的拋物面反射照、將菲涅耳透鏡的環狀鋸齒結構設計更細微。
6. 如申請專利範圍第1項所述之的設置中，透過第一片菲涅耳透鏡聚焦再發散來發射光源，在發散處後方在設置第二片菲涅耳透鏡，將點光源轉換成近似平行光，且此平行光放 射面積取決於菲涅耳透鏡的相對位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光模擬器，為求大面積的測量太陽能模組的的條件，以陣列照射光源與本揭露陣列優化裝置，來達到大面積的均勻平行光束。
8. 如申請專利範圍第1項所述之設置，在光線追跡中，可觀察到此發射可得到近似平行的光特性，此設置的目的有兩個重要特點，(1)對於點光源設置的比較，可減低光源能量對四周發散的損失，因為在此揭露中使用拋物面的反射照來準直光束。(2)對於本揭露以第二片菲涅耳透鏡來將發散光源轉為平行光方法，可擴大第二片菲涅耳透鏡的尺寸，並將第二片菲涅耳透鏡移動到相對的位置，由此得到大面積的平行光。
9. 如申請專利範圍第1項所述之設置，意謂的是由小面積之平行光束轉化為大面積的近似平行光束，須達到大面積的平行光取決於第二片的菲涅耳透鏡面積。