TWI703312B

TWI703312B - 太陽光模擬系統

Info

Publication number: TWI703312B
Application number: TW108118115A
Authority: TW
Inventors: 楊蘭昇; 陳璿安; 朱建勳
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW202043712A

Abstract

本發明係有關於一種太陽光模擬系統，主要包括一均光裝置、以及一發光裝置，該均光裝置係由複數光反射壁環繞形成一光通道，而該光通道包括一入光面、及一出光面，該發光裝置係組設於該入光面；其中，該出光面之面積為該入光面之面積的1.6倍至4.4倍之間。據此，本發明藉由上述結構配置和出、入光面之面積比的配置，除了能適用之工作距離範圍大之外，因構造簡單而公差的可變異參數數量少，且不論出光效率或出光均勻度都相當高。

Description

太陽光模擬系統

本發明係關於一種太陽光模擬系統，尤指一種適用於檢測太陽能電池之太陽光模擬系統。

通常在太陽能電池出廠前，為了檢測太陽能電池之良率或轉換效率(conversion efficiency)，會將太陽能電池放置於人照光源下進行檢測，而該人照光源的光譜必須貼近實際太陽光，且其必須符合相關國際規範要求，如IEC 60904-9 ED3。

以現有技術而言，如以美國專利公告第US 8,736,272號「可調光譜之LED太陽光模擬系統和方法(Adjustable spectrum LED solar simulator system and method)」而言，請一併參閱該篇美國專利說明書之圖11至圖13，其利用一朝待測物呈漸縮形之光束均勻器，而在較大面積之入光面設置LED光源，並在較小面積之出光面設置透鏡陣列。然而，此一配置方式因採用透鏡陣列架構，故需較高的成本；而且，如果要產生大面積均勻照度範圍，則又需要組合多個光束均勻器。

又，舉例說明，以上開習知技術而言，若需要20x20cm²照光面積時，需配置64個均勻器與LED子模塊，先不論其成本高昂，其於製造上必有一定困難度。再者，當由多個均勻器之陣列所產生的光譜，因為每個均勻器或甚至每一透鏡陣列都有可能存有個別公差，積少成多的情況下，可能導致整體之光譜產生更大的偏差。

另外，請參閱我國專利公告第I484119號「人造光源(ARTIFICIAL LIGHT SOURCE)」，其包含有發光板、混光管、及出光板。其中，發光板構成中空柱狀體的頂板，混光管構成中空柱狀體的柱身，出光板構成中空柱狀體的底板，且出光板包含有準直用光學膜片。然而，此一習知技術雖然能提升輸出光的均勻度及準直性，惟出光板所採用之光學膜片會降低出光效率，且長工作距離會產生均勻度不佳之問題，故不適合長工作距離之使用。

本發明之主要目的係在提供一種太陽光模擬系統，其構造簡單、成本低廉，且能適用之工作距離範圍大，又公差的可變異參數數量少，而空間光譜相似性佳。

為達成上述目的，本發明一種太陽光模擬系統，包括一均光裝置(light homogenization device)、以及一發光裝置，該均光裝置係由複數光反射壁環繞形成一光通道，而該光通道包括一入光面、及一出光面，該發光裝置係組設於該入光面；其中，該出光面之面積為該入光面之面積的1.6倍至4.4倍之間。據此，本發明藉由上述出、入光面之面積比的配置，除了可適用於長工作距離外，因構造簡單而公差的可變異參數數量少，且不論出光效率或出光均勻度都相當高。

較佳的是，本發明之入光面與出光面間的距離可為250mm至500mm，而出光面至一受光裝置間的距離可為100mm至500mm。此外，本發明之均光裝置可由四光反射壁環繞形成該光通道，而入光面、及出光面可分別為一正方形開口，且光通道內之每一光反射壁與水平面之夾角可介於55度至85度之間。

再者，本發明之發光裝置可包括複數發光模組，而每一發光模組可包括複數不同波長之發光二極體群組，其可包括波長範圍為300nm至470nm之第一群組、波長範圍為470nm至561nm之第二群組、波長範圍為561nm至657nm之第三群組、波長範圍為657nm至772nm之第四群組、波長範圍為772nm至919nm之第五群組、以及波長範圍為919nm至1200nm之第六群組；其中，第二群組與第六群組佔每一發光模組之總幅照度之百分比略低於第一群組和該第三群組至第五群組。

另外，本發明之複數發光二極體群組可各包括不同數量之發光二極體，而每一發光模組之輸出光譜可相同，且複數發光二極體群組中所包含之發光二極體數量相對較少之群組可配置於或鄰近於每一發光模組之中央、或該發光裝置之中央。

再且，本發明之系統可更包括控制器、及散熱裝置，而控制器係電性連接發光裝置之複數發光模組，散熱裝置係組設於發光裝置。換言之，本發明可獨立控制每一發光模組上各個不同波長之發光二極體，使光譜或光強度皆可彈性調整，亦可靈活應用於多色溫照明，並可改變輸出的場形優化均勻照度面；而散熱模組則可降低發光二極體電光轉換所產生的熱能。

2‧‧‧均光裝置

20‧‧‧光反射壁

21‧‧‧光通道

211‧‧‧入光面

212‧‧‧出光面

3‧‧‧發光裝置

31‧‧‧發光模組

4‧‧‧控制器

5‧‧‧散熱裝置

G1~G6‧‧‧發光二極體群組

Sp‧‧‧受光裝置

圖1係本發明一較佳實施例之太陽光模擬系統的分解圖。

圖2係本發明一較佳實施例中發光裝置和控制器之電性連接示意圖。

圖3A係本發明一較佳實施例之發光裝置之發光模組中各發光二極體群組的配置示意圖。

圖3B係本發明另一較佳實施例之發光裝置的發光模組中各發光二極體群組的配置示意圖。

圖4係本發明一較佳實施例之照度圖。

圖5係本發明一較佳實施例之照射範圍下不同位置所量測到的光譜圖。

本發明太陽光模擬系統在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

請先參閱圖1、及圖2，圖1係本發明一較佳實施例之太陽光模擬系統的分解圖，圖2係本發明一較佳實施例中發光裝置和控制器之電性連接示意圖。如圖中所示，本實施例之太陽光模擬系統主要包括一均光裝置2、一發光裝置3、一控制器4、及一散熱裝置5；其中，均光裝置2係由四片光反射壁20環繞形成一光通道21，而光通道21包括一入光面211、及一出光面212，又入光面211、及出光面212之形心係同軸配置且分別為一正方形開口。另外，發光裝置3係組設於入光面211。

其中，於符合法規IEC 60904-9 ED3規範的A等級的條件下，本發明仍可適用於較大範圍之工作距離，例如100mm至500mm，此即為出光面212至受光裝置Sp間的距離，受光裝置Sp即為待測物，也就是太陽能電池。然而，在如此大範圍之工作距離下，出光面212與入光面211之面積比可介於的1.6倍至4.4倍之間；而入光面211和出光面212間的距離可介於為250mm至500mm之間，此即為整個均光裝置2之總長度；且光通道21內之每一光反射壁20與水平面之夾角則可介於55度至85度之間。

進一步說明，在照度範圍為400cm²之條件下，若工作距離為100mm時，出光面212與入光面211之最大面積比可為4.08，最小面積比可為1.83，而光反射壁20與水平面之最大夾角可為77度，最小夾角則可為63度。另一方面，若工作距離為500mm時，出光面212與入光面211之最大面積比可為4.2，最小面積比可為2.02，而光反射壁20與水平面之最大夾角可為76.5度，最小夾角則可為65.2度。

再者，以下又提供二個工作距離之較佳實施例，其分別為300mm和150mm；以300mm為例，若照度範圍同樣為400cm²，正方形開口之入光面211的邊長可為266mm，而正方形開口之出光面212的邊長可為468mm，而入光面211與出光面212間的距離可為380mm，且出光面212之面積可為入光面211之面積的3.1倍，光反射壁20與水平面之最大夾角則可為75.12度。

又，以150mm為例，若照度範圍同樣為400cm²，正方形開口之入光面211的邊長可為228mm，而正方形開口之出光面212的邊長可為358mm，且入光面211與出光面212間的距離可為400mm，出光面212之面積則可為入光面211之面積的2.47倍，光反射壁20與水平面之最大夾角則可為80.77度。據此，套用上述較佳實施例之設計參數或參數範圍值均可符合法規IEC 60904-9 ED3規範的A等級的條件。

在請同步參閱圖2、圖3A、及圖3B，圖3A係本發明一較佳實施例之發光裝置之發光模組中各發光二極體群組的配置示意圖，圖3B係本發明另一較佳實施例之發光裝置的發光模組中各發光二極體群組的配置示意圖。在本實施例中，發光裝置3包括四個發光模組31，每一發光模組31包括六個不同波長之發光二極體群組G1~G6，而每一發光二極體群組G1~G6所包括之發光二極體的數量不同，且每一發光模組31之輸出光譜相同。

其中，六個發光二極體群組G1~G6分別包括波長範圍為300nm至470nm之第一群組G1、波長範圍為470nm至561nm之第二群組G2、波長範圍為561nm至657nm之第三群組G3、波長範圍為657nm至772nm之第四群組G4、波長範圍為772nm至919nm之第五群組G5、以及波長範圍為919nm至1200nm之第六群組G6。

再且，上述發光二極體群組G1~G6佔發光模組31之總幅照度之百分比分別為17.58%、15.60%、17.67%、17.02%、17.03%、15.10%，而個別之照度分別為147.6W/m²、132.4W/m²、149.9W/m²、144.4W/m²、143.9W/m²、127.6W/m²，且總幅照度845.8W/m²。由上述數據可知，在本實施例中，第二群組G2與第六群組G6佔每一發光模組31之總幅照度之百分比略低於其他群組。

又，以下提供二種發光二極體群組G1~G6的位置配置方式，請先參閱圖3A，如圖中所示，六個發光二極體群組G1~G6中所包含之發光二極體數量相對較少之群組係配置於或鄰近於每一發光模組31之中央。詳言之，第一群組G1所含括之發光二極體數量最少，故將其配置於發光模組31之中央位置，而第二群組G2至第六群組G6所個別含括之發光二極體數量則依序遞增，故將第二、三群組G2,G3配置於第一群組G1之上下兩側，而第四群組G4則配置於第一群組G1和第二、三群組G2,G3之左右兩側，而第五群組G5則配置於第二、三群組G2,G3和第四群組G4之上下兩側，第六群組G6配置於環繞第四、五群組G4,G5之外環周。

請再參閱圖3B，圖中顯示本發明之發光二極體群組G1~G6的另一種配置方式，其係將發光二極體群組G1~G6中所包含之發光二極體數量相對較少之群組配置於或鄰近於整個發光裝置3之中央，並依據各群組之數量多寡而逐層佈設。具體說明之，發光二極體群組G1~G6中各群組所包含之發光二極體數量是依序遞增，而本實施例在整個發光裝置3之發光面的中央係配置第一群組G1，即四個發光模組31對應於發光裝置3之中央的角落位置均配置第一群組G1之發光二極體，並依據此一規則將第二、三群組G2,G3、第四群組G4、第五群組G5、以及第六群組G6依序層疊佈設，亦即其他的群組G2~G6則在整個發光裝置3上大致依序呈矩形同心向外擴張佈設。

然而，透過上述實施方式，本發明之太陽光模擬系統可產生相當均勻的照度，即如圖4所示，其不均勻度僅為1.85%，已達法規IEC 60904-9 ED3規範的A等級。另一方面，如圖5所示，於20cm×20cm之照度範圍下，在其中央、左側、右側、以及四個角落其中之一等位置處所分別量測到的光譜，由此可以很明顯看出四個量測位置之光譜極為接近，而最大光譜誤差也僅在5.5%以內，同樣符合法規IEC 60904-9 ED3規範的A等級之要求。

請再同時參閱圖1、及圖2，本實施例之系統又更包括一控制器4、及一散熱裝置5，其中散熱裝置5為一散熱鰭片(heat sink)，其主要目的係為排散發光二極體因電光轉換所產生的熱能，而在其他實施例中亦可添加風扇，以產生強制氣體流動來降低散熱鰭片之溫度。

再且，關於控制器4，其係電性連接發光裝置3之每一發光模組31之每一發光二極體群組G1~G6，即如圖2所示；換言之，控制器4可以針對每一發光二極體群組G1~G6獨立控制，即透過對不同發光二極體群組之波長權重進行控制，達到控制輸出光譜的功能，以將輸出光譜調製成與太陽光光譜一致，再透過控制空間上的發光二極體權重，改變輸出場形，優化均勻照度面。事實上，本實施例發光裝置3之輻照度可達100-1500W/m²。

綜上所述，本發明至少具備以下優勢：1.本發明之均光裝置僅係由複數光反射壁環繞形成一光通道，完全無需設置如準直透鏡等光學結構，結構簡單，成本低廉，穩定可靠，生產製造難度低，且使用壽命長；2.藉由本發明之均光裝置、以及發光裝置之搭配，可產生均勻的照度面，不論光譜誤差或不均勻度皆可控制在良好的範圍內，完全符合法規IEC 60904-9 ED3規範的A等級之要求；3.本發明採用單一光源、及單一均光裝置，即可達成模擬太陽光之人造光源系統，故公差的可變異參數之數量少，即可將誤差產生之機率降至最低； 4.本發明可適用之工作距離範圍相當大，如100mm至500mm，故使用範圍相當彈性、便利；且輻照度可達100~1500W/m²；5.本發明之控制器可對不同發光二極體群組之波長權重進行控制，達到控制輸出光譜的功能，以將輸出光譜調製成與太陽光光譜一致，再透過控制空間上的發光二極體權重，改變輸出場形，優化均勻照度面；6.藉由本發明所提供之發光模組、以及發光二極體群組之配置方式，如將數量越少的發光二極體群組盡量配置在各個發光模組或整個發光裝置的中央，並依據發光二極體之數量多寡逐層向外擴散配置；然而，以此方式配置發光二極體群組，其空間光譜相似性佳，且照度均勻；7.本發明藉助於散熱裝置，可顯著降低發光裝置、甚至整個系統之溫度，可維持發光裝置之發光品質，並有效提升發光裝置之壽命。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。