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Title:
DEVICE FOR GENERATING SIMULATED SOLAR LIGHT FOR SOLAR BATTERY CHARACTERISTIC MEASUREMENT AND METHOD OF GENERATING SIMULATED SOLAR LIGHT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/145145
Kind Code:
A2
Abstract:
Disclosed is a device for generating simulated solar light, wherein a switching system is adopted that makes it possible to provide a larger amount of power, that makes it possible to measure the I-V characteristic of a solar battery accurately and with high efficiency, and that makes it possible to increase the time for which arc discharge of a lamp is maintained. Power is supplied to a double-layer accumulator and power control circuit (20) from a charging power source (12) connected with a mains power source (11), and charging is performed by charging control by a control circuit (70). Then, when charging of the double-layer accumulator and power control circuit (20) is completed, a flash lamp (50) is switched on by charging a smoothing capacitor (38) with a prescribed voltage, using the control circuit (70) to control a switching-type power source voltage boosting circuit (30).

Inventors:
HASHIMOTO TORU (JP)
TOGAWA YOSHIMASA (JP)
ITO TOMOAKI (JP)
NAKANISHI HIROHARU (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/059530
Publication Date:
December 03, 2009
Filing Date:
May 25, 2009
Export Citation:
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Assignee:
NPC INC (JP)
HASHIMOTO TORU (JP)
TOGAWA YOSHIMASA (JP)
ITO TOMOAKI (JP)
NAKANISHI HIROHARU (JP)
International Classes:
H01L31/04; H05B41/32
Foreign References:
JP2007095928A2007-04-12
JP2002043082A2002-02-08
JPS61296695A1986-12-27
Other References:
"Optical Technology Information Magazine", November 1998, SPECIAL ISSUE, DISCHARGE LAMP, article "Light Edge"
Attorney, Agent or Firm:
HAGIWARA, Yasushi et al. (JP)
Yasushi Hagiwara (JP)
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Claims:
太陽電池特性測定用の疑似太陽光生成装置であって、
フラッシュランプと、
スイッチング方式昇圧電源回路と、
発光光量検出センサーと、
充電電源と、
充放電・電圧・電流および光量を制御する制御回路と、
電流検出器と、
D級アンプ回路と、
アンプ出力制御回路と、
電気二重層蓄電器および電力制御回路とを備える、疑似太陽光生成装置。
前記発光光量検出センサーは、測定対象である太陽電池と分光感度を同等とする分光感度センサーである、請求項1に記載の疑似太陽光生成装置。
前記フラッシュランプには、反射ミラーと、集光器と、前記集光器に接続される光ファイバーとが備えられている、請求項1に記載の疑似太陽光生成装置。
太陽電池特性測定用の疑似太陽光生成方法であって、
電気二重層蓄電器に充電電源により充電を行い、
電気二重層蓄電器からの放電によりフラッシュランプを点灯させ、
充放電・電圧・電流および光量を制御する制御回路により電流検出器における電流を定電流制御し、
前記制御回路によりフラッシュランプの光量を目的の量に制御し、
所定の時間経過後に電気二重層蓄電器からの放電を停止しフラッシュランプの点灯を完了させる、疑似太陽光生成方法。
Description:
太陽電池特性測定用の疑似太陽 生成装置および疑似太陽光生成方法

 本発明は、太陽電池特性測定用の疑似太 光生成装置および疑似太陽光生成方法に関 る。

 従来より太陽電池のI-V特性測定では、疑似 陽光を照射しそのときの太陽電池のI-V特性 測定するという方法が取られてきている。
 図1は、従来用いられていた直流点灯放電ラ ンプ点灯装置100を表す説明図である(非特許 献1参照)。図1に示すように、直流点灯放電 ンプ点灯装置100は、ランプと、ランプを始 (絶縁破壊)させ、アーク放電への移行を行う イグナイタと、アーク放電の維持を行うため にランプ電流を制御する点灯装置とで構成さ れる。

 また、図2は時間経過とランプ電流およびラ ンプ電圧の関係を示すグラフである。図2に いてランプ電流およびランプ電圧が安定す までの時間がアーク放電への移行であり、 者が安定している時間がアーク放電の維持 なる。
 太陽電池のI-V特性測定は、ランプがアーク 電の維持を行っているときに実行されるた 、このアーク放電を維持する時間は長いほ が好ましい。

 なお、ランプ電流を制御する点灯装置とし は、高速応答が可能なシリーズパス(ドロッ パー)方式が採用されており、小型・軽量が 待できるスイッチング方式は、応答特性が 分でない点と、大電力化が困難であること ら、あまり採用されていない。
光技術情報誌「ライトエッジ」No.15特集 放電ランプ(1998年11月発行)

 しかしながら、近年開発の進む大型太陽電 のI-V特性測定において、商用電源をトラン で所定の電圧にし、ダイオードで整流し、 滑コンデンサーで直流として使用した場合 瞬時の大電力に対応するために、回路規模 大規模になってしまう。
 また、近年では、測定に数百ミリ秒かかる うなI-V特性測定性能が要求される高効率の 陽電池が発明・開発されている。この高効 の太陽電池のI-V特性測定に対応する太陽光 成装置として、従来のフラッシュ放電ラン を用いたものでは、コンデンサーの容量が さく、アーク放電を維持する時間が非常に くなってしまうという問題点があった。そ で、電力を蓄積するコンデンサーの容量を きくすることにより、アーク放電を維持す 時間を長くすることも考えられるが、点灯 置の回路規模が大きくなってしまい、現実 ではない。
 さらに、フラッシュ放電ランプにおいては 放射照度の時間的変化が大きいためI-V特性 定に必要な放射照度が一定とならず、高効 の太陽電池の正確な測定ができないという 題点があった。

 上記問題点に鑑み、本発明の目的は、ス ッチング電源方式を採用した上で、大電力 が可能であり、高効率の太陽電池の正確なI -V特性測定を行うことが可能であり、ランプ アーク放電を維持する時間を長くすること できる疑似太陽光生成装置および疑似太陽 生成方法を提供することにある。

 本発明によれば、太陽電池特性測定用の 似太陽光生成装置であって、フラッシュラ プと、スイッチング方式昇圧電源回路と、 光光量検出センサーと、充電電源と、充放 ・電圧・電流および光量を制御する制御回 と、電流検出器と、D級アンプ回路と、アン プ出力制御回路と、電気二重層蓄電器および 電力制御回路とを備える、疑似太陽光生成装 置が提供される。

 前記発光光量検出センサーは、測定対象 ある太陽電池と分光感度を同等とする分光 度センサーであってもよい。

 前記フラッシュランプには、反射ミラー 、集光器と、前記集光器に接続される光フ イバーとが備えられていてもよい。

 また、別の観点からの本発明によれば、 陽電池特性測定用の疑似太陽光生成方法で って、電気二重層蓄電器に充電電源により 電を行い、電気二重層蓄電器からの放電に りフラッシュランプを点灯させ、充放電・ 圧・電流および光量を制御する制御回路に り電流検出器における電流を定電流制御し 前記制御回路によりフラッシュランプの光 を目的の量に制御し、所定の時間経過後に 気二重層蓄電器からの放電を停止しフラッ ュランプの点灯を完了させる、疑似太陽光 成方法が提供される。

 本発明によれば、スイッチング電源方式を 用した上で、大電力化が可能であり、高効 の太陽電池の正確なI-V特性測定を行うこと 可能であり、ランプのアーク放電を維持す 時間を長くすることができる疑似太陽光生 装置が提供される。
 つまり、疑似太陽光生成のための点灯装置 、大容量の電気二重層蓄電器を使用するこ により、電源を小型化することが可能とな 。また、蓄電容量の大きい電気二重層蓄電 の使用により、従来短かった点灯装置の点 時間を必要十分な時間に延長することがで る。
 さらに、点灯時の照度を連続点灯で採用さ ている負帰還制御およびD級アンプ方式を取 り入れることで、負帰還制御を円滑に行い、 放射照度の安定化が図られる。

直流点灯放電ランプ点灯装置100を表す 明図である。 時間経過とランプ電流およびランプ電 の関係を示すグラフである。 疑似太陽光生成装置1の説明図である。 D級アンプ回路40の構成を説明する説明 である。 低反射率誘電体ミラー92および凸面反 集光レンズ94を設けた場合の実施の形態を説 明する説明図である。 光ファイバーを用いた光量検出方法の 明図である。

 1…疑似太陽光生成装置
11…商用電源
12…充電電源
20…電気二重層蓄電器および電力制御回路
30…スイッチング方式昇圧電源回路
32…昇圧用インダクター
34…逆流防止ダイオード
36…スイッチング用素子
38…負荷用平滑コンデンサー
40…D級アンプ回路
45…アンプ出力制御回路
50…フラッシュランプ
60…電流検出器
70…制御回路
80…発光光量検出センサー
90…太陽電池
100…直流点灯放電ランプ点灯装置
110…反射集光ミラー
120…光ファイバー
125…ファイバー受光器
200…光
202…光束

 以下、本発明の実施の形態を、図面を参 にして説明する。なお、本明細書及び図面 おいて、実質的に同一の機能構成を有する 成要素については、同一の符号を付するこ により重複説明を省略する。

 図3は本発明の実施の形態にかかる太陽電池 特性測定用の疑似太陽光生成装置1の説明図 ある。
 図3に示すように、疑似太陽光生成装置1は 商用電源11、充電電源12、電気二重層蓄電器 よび電力制御回路20、スイッチング方式昇 電源回路30、D級アンプ回路40、アンプ出力制 御回路45、フラッシュランプ50、電流検出器60 、制御回路70、発光光量検出センサー80から 成されている。

 ここで、スイッチング方式昇圧電源回路3 0は、昇圧用インダクター32、逆流防止ダイオ ード34、スイッチング用素子36、負荷用平滑 ンデンサー38により構成されている。また、 制御回路70は、充放電・電圧・電流および光 を制御する回路である。

 以下、疑似太陽光生成装置1の構成について 説明する。
 商用電源11は充電電源12に接続しており、ま た、充電電源12は電気二重層蓄電器および電 制御回路20に接続している。電気二重層蓄 器および電力制御回路20にはフラッシュラン プ50が接続され、電流が流れることにより点 する。ここで、フラッシュランプ50を点灯 せるための電気回路上にはスイッチング方 昇圧電源回路30、D級アンプ回路40、電流検出 器60が設けられている。なお、D級アンプ回路 40はフラッシュランプ50の上流部(下流部でも い)、電流検出器60はフラッシュランプ50の 流部(上流部でもよい)にそれぞれ設けられ、 スイッチング方式昇圧電源回路30は電気二重 蓄電器および電力制御回路20の上流部及び 流部に接続するよう設けられている。

 また、図3の点線矢印で示すように、制御 回路70は、充電電源12の充電制御、電気二重 蓄電器および電力制御回路20の放電制御、ス イッチング方式昇圧電源回路30を制御してい 。一方、アンプ出力制御回路45は、電気二 層蓄電器および電力制御回路20から出力され る電圧値、スイッチング方式昇圧電源回路30 ら出力される電圧値、フラッシュランプ50 電圧値、発光光量検出センサー80から出力さ れる光量情報により、D級アンプ回路40を制御 する構成となっている。なお、本発明は、フ ラッシュランプ50の点灯時、つまりフラッシ ランプ50がアーク放電の維持を行っている 合に関するため、アーク放電への移行を行 イグナイタ(フラッシュランプ点灯用トリガ 回路)については図示しない。

 以上のように構成される疑似太陽光生成装 1において、以下に説明するように疑似太陽 光が生成される。
 まず、制御回路70の充電制御により、商用 源11に接続される充電電源12から、電気二重 蓄電器および電力制御回路20に電力が供給 れ、充電が行われる。そして、電気二重層 電器および電力制御回路20の充電が完了した 後、制御回路70によってスイッチング方式昇 電源回路30を制御し、所定の電圧を平滑コ デンサー38に蓄電させ、フラッシュランプ50 点灯準備が完了する。

 そして、フラッシュランプ50の点灯が起 されると、フラッシュランプ50の状態は、図 示しないイグナイタによるアーク放電への移 行からアーク放電の維持へと遷移する。ここ で、アーク放電の維持への遷移は、制御回路 70の制御によって、電気二重層蓄電器および 力制御回路20から放電される電流によって われる。さらに、アーク放電の維持を継続 るために、フラッシュランプ50に供給される 電流値を測定する電流検出器60の測定値を随 測定し、制御回路70が受け取るその電流測 値が下がった場合には、制御回路70によって スイッチング用素子36を制御することでフラ シュランプ50へ流れる電流を上昇させ、定 流となるように制御が行われる。なお、本 施の形態においては、過渡応答に対応する めにD級アンプ回路40をスイッチング方式昇 電源回路30とフラッシュランプ50の間に設け こととしている。

 また、制御回路70は、発光光量検出センサ 80から光量情報を受け取り、その光量情報に おいてフラッシュランプ50の光量が少ないと 断される場合には、スイッチング用素子36 制御することで、フラッシュランプ50の光量 が一定になるように制御を行う。
 ここで、制御回路70による上記定電流制御 おける定電流の値は、光量制御において、 ラッシュランプ50の光量が所定の光量となる ように定められる。

 以上述べた工程において、アーク放電の 持が継続している間において、フラッシュ ンプ50は所定の時間点灯し、その所定の時 経過後には電気二重層蓄電器および電力制 回路20からの電力供給は制御回路70によって 止され、フラッシュランプ50の点灯が完了 る。フラッシュランプ50の点灯時には、太陽 電池特性測定が行われる。その後、上述した 工程を再度繰り返すことで、太陽電池特性測 定が再度行われる。

 ここで、以下にD級アンプ回路40について 面を参照して説明する。フラッシュランプ5 0の上流(スイッチング方式昇圧電源回路30の 流)に設けられたD級アンプ回路40は、スイッ ング方式電源の過渡応答が遅いことへの対 として設けられているものである。

一般的に、スイッチング方式電源は、過渡 特性がさほど問題とならない用途に使われて いる。そこで、本実施の形態において、大電 力動作を必要とするにもかかわらず、D級ア プ回路40が設けられていない場合、スイッチ ング方式電源の過渡応答が遅いことにより、 スイッチング方式昇圧電源回路30の負荷用コ デンサー38の電荷がフラッシュランプ50(負 )に流入し、過大電流が流れてしまう恐れが る。定電流動作時には、負荷電圧が低い状 から高い状態(負荷インピーダンス上昇)と り、電圧の上昇が遅くなる。また、定電圧 作時には、負荷電流が急に減少した時は、 大電圧が生じてしまう。さらに、過渡時に ける大エネルギーが負荷を破壊、劣化させ 恐れや、不安定にさせてしまう恐れがある

 そこで、図3に示すように、本実施の形態 では、D級アンプ回路40をスイッチング方式昇 圧電源回路30とフラッシュランプ50(負荷)の間 に設け過渡応答に対応することとしている。 また、D級アンプ回路40を設けたことに伴い、 D級アンプ回路40の出力を制御するアンプ出力 制御回路45が設けられる。

 図4はD級アンプ回路40の構成を説明する説明 図である。図4に示すように、D級アンプ回路4 0はGATE-DRIVE AMPLIFIER42と二つのMOSFET43によって 成される。
 D級アンプ回路40は上述した問題点を解消す ため、スイッチング方式昇圧電源回路30か 出力される電圧を入力し、アンプ出力制御 路45からの制御に従ってフラッシュランプ50 の電圧を制御する。

 ここで、アンプ出力制御回路45は、フラ シュランプ50(負荷)に過大電流、過大電圧が からないように、D級アンプ回路40の出力を 御する回路であり、一般的に広く知られて るデジタルシグナルプロセッサのようなマ クロプロセッサで構成することもできる。 体的制御としては、電気二重層蓄電器およ 電力制御回路20から出力される電圧値、ス ッチング方式昇圧電源回路30から出力される 電圧値、フラッシュランプ50の電圧値、発光 量検出センサー80から出力される光量情報 ら、過渡応答を予測し、D級アンプ回路40の 力を制御することとなる。

 アンプ出力制御回路45がスイッチング方式 源の過渡応答を部分的に受け持つことで、D アンプ回路40の電力消費を最小限にし、ス ッチング方式電源を、過渡特性をさほど問 とすることなく使用することができる。
これによりD級アンプ回路40に吐き出しと吸い 込み定電流特性を持たせることで、負荷用平 滑コンデンサー38の電荷が負荷への突入電流 防止でき、また、電流の吸い込み性がある め、オーバーシュートを抑えることができ 。負荷用平滑コンデンサー38を、目的とす 最大電圧にし、D級アンプ回路40で吸い込み ある1、2、3象限型定電圧定電流特性で安定 た制御が行われる。
負荷変動とその応答は、非線形であり、アナ ログ制御方式では目的とする特性を達成でき ないので、DSP等を使用し、デジタルで過渡応 答を予測的に制御することで、応答特性を最 適に制御できる。

 以上、本発明の実施の形態の一例を説明 たが、本発明は図示の形態に限定されない 当業者であれば、特許請求の範囲に記載さ た思想の範疇内において、各種の変更例ま は修正例に想到し得ることは明らかであり それらについても当然に本発明の技術的範 に属するものと了解される。

 例えば、上述した本実施の形態では、フラ シュランプ50に供給される電流およびフラ シュランプ50の光量の値によってスイッチン グ方式昇圧電源回路30を制御し、フラッシュ ンプ50の光量を一定に制御することとして る。
 しかし、フラッシュランプ50の光の放射照 は、照射全域で比例していない。これは発 光量検出センサー80がフラッシュランプ50の 射光の一部しか検出していないためである そこで、上記本発明の実施の形態において フラッシュランプ50の照射全域の光量に比 した信号で光量全体を制御し、放射照度の 定度をさらに高めることがより望ましい。

 図5は上記実施の形態において、低反射率ミ ラー92および集光レンズ94を設けた場合を説 する説明図である。このとき、低反射率ミ ー92は、例えば表面反射ミラーである。
 図5に示すように、低反射率ミラー92はフラ シュランプ50と太陽電池90の間に設けられ、 また、低反射率ミラー92と発光光量検出セン ー80との間には集光レンズ94が設けられてい る。

フラッシュランプ50から照射される照射全域 光は、低反射率ミラー92により反射され、 光レンズ94において集光され、発光光量検出 センサー80において光量が検出される。検出 れた光量情報は制御回路70へ送られ、光量 報に基づいて、フラッシュランプ50の光量は 一定に制御される。
なお、特に積分レンズ等を使用して、全体を 均一化しているソーラーシミュレータの場合 は、局部の小さい変動があり、光量検出を照 射全域の光から行う効果は大きい。

 また、フラッシュランプ50のスペクトル 布は、時間的に変動する。この変動は全領 負帰還でも安定させることはできない。そ ため、太陽電池出力に変動が生じてしまう れがある。そこで、光量検出の際の分光感 と、測定対象物(ここでは太陽電池90)の分光 度とをほぼ同等にし、負帰還をかけること よりスペクトル変動の影響を最小限にする とが好ましい。

 具体的な方法としては、上記実施の形態に いて、発光光量検出センサー80の代わりに 陽電池90と類似の分光感度を有する分光感度 センサーを用いることが考えられる。この場 合、両者のスペクトル分布は、ほぼ同じにな るため、スペクトル変動の影響を最小限に抑 えることが可能となる。
 また、発光光量検出センサー80において検 する光のスペクトル分布を太陽電池90のスペ クトル分布と同じにするためのフィルターを 発光光量検出センサー80の検出部に設けるこ も考えられる。この場合に、発光光量検出 ンサー80は、該フィルターを介して太陽電 90のスペクトル分布と同じスペクトルの範囲 だけにおいて光量を検出するため、スペクト ル変動の影響を最小限に抑えることが可能と なる。

 一方、フラッシュランプ50から放射される は、反射屈折を利用して光学的に照射領域 導かれる。そのため、照射域に導くことが 難な光束が無駄となってしまう。そこで、 駄になってしまう光束を光ファイバーに集 して光路を変えることで照射域へと導くこ が望ましい。以下図面を参照して説明する
 図6は光ファイバーを用いた光量検出方法の 説明図である。フラッシュランプ50と太陽電 90の間には反射集光ミラー110が設けられ、 た、フラッシュランプ50の反射集光ミラー110 と反対側には、光ファイバー120が接続される 集光器125が設けられている。なお、反射集光 ミラー110の中央部はフラッシュランプ50の光 透過させる構造となっており、また、光フ イバーの先端出力方向は、太陽電池90の方 である。

 フラッシュランプ50から太陽電池90へ向かう 光200(図6における点線矢印)の照射については 、上記述べてきた実施の形態と同じである。 一方フラッシュランプ50からの照射域を導く とが困難な光束202(図6における一点鎖線矢 )は反射集光ミラー110によって反射し、その 束202はファイバー受光器125へ集光される。 ァイバー受光器125には光ファイバー120が接 されており、集光された光は、光ファイバ 120の先端より出力される。光ファイバー120 ら出力される光の方向は制御可能であり、 の光は太陽電池90において照射光量の少な 部分に向けて照射される。
 従って、太陽電池90に対するフラッシュラ プ50からの光の照射照度の場所むらを改善す ることが可能となる。

 本発明は、太陽電池特性測定用の疑似太 光生成装置および疑似太陽光生成方法に適 できる。