太陽光模擬器的製作方法
2023-06-15 06:37:21 3
專利名稱：太陽光模擬器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學系統，且特別是涉及一種太陽光模擬器。
背景技術：
太陽光模擬器是檢測太陽能電池與太陽能光電模塊光電轉換效率時所使用的主要測量設備，其對於太陽能產業的產品研發與驗證來說相當的重要。現有的太陽光模擬器若依據光源技術來區分，則主要分為閃光型與連續曝照型。閃光型的主要優點為成本較低且設計簡單。連續曝照型則接近真實太陽光的曝照狀態，所以使用連續曝照型的照射光源技術時，在測量上不會有瞬變現象(transient effects)所造成的誤差。此外，連續曝照型的光源技術可以結合其他的加熱曝照(exposure)與測量曝照(measurement exposure)等試驗方式在同一設備上執行。因此，連續曝照型的光源技術具有良好的實用性。太陽光模擬器具有三項性能的要求，光譜符合度、光輻射不均勻度以及光輻射瞬時不穩定度。其中光輻射不均勻度的改善方法大多著重於照射光源配光的設計、照射光源相對位置的調整、以及反射、散射元件的配置，這樣的方式對於大面積多燈陣列的連續曝照型太陽光模擬器而言要達到小於2%的光輻射不均勻度的高性能要求是非常困難的。大面積連續曝照型太陽光模擬器大多必須採用多燈陣列來達到1000W/m2光輻射照度的試驗條件。但因多燈間光輻射互相疊加幹涉以及雜散光不易處理等特性，使得光輻射的分布極為複雜，不易以現有的光學技術加以有效控制。此外，如前所述，現有市場上的大面積連續曝照型太陽光模擬器所採用的控制光輻射不均勻度的方法大多著重於照射光源配光的設計、照射光源相對位置的調整、以及反射、散射元件的配置等。然而，這樣針對局部相對位置的調整的方法卻往往也會影響到其他區域的光強度，因而須重新調整整個照射面積的光輻射分布，不僅極為費時、不易維護，也難以有效的降低光輻射不均勻度。若以這樣的太陽光模擬器來執行太陽光電模塊試驗時，也無法達到有效降低試驗誤差的效果。
發明內容
本發明的目的在於提供一種太陽光模擬器，在一個照射光源的設置下達到光輻射均勻度最佳化的效果。本發明的另一目的在於提供一種太陽光模擬器，在多個照射光源的設計下達成大照射面積的光輻射均勻度最佳化的效果。為達上述目的，本發明提出一種太陽光模擬器，其包括一照射光源以及一光導管陣列。照射光源用以發出一束光輻射。光導管陣列包括多個光導管，這些光導管彼此緊鄰並且沿光輻射的光路設置。各光導管具有反射光輻射的內壁、一入光端以及相對於入光端的一出光端。光輻射由入光端進入光導管並由出光端射出。本發明另提供一種太陽光模擬器，包括一光源陣列以及一光導管陣列。光源陣列包括多個照射光源。各照射光源用以發出一束光輻射。光導管陣列包括多個光導管，這些光導管彼此緊鄰並且沿光輻射的光路設置。各光導管具有反射光輻射的內壁、一入光端以
3及相對於入光端的一出光端。光輻射由所述多個入光端進入所述多個光導管並由所述多個出光端射出。基於上述，本發明利用多個光導管組成光導管陣列並在光導管陣列上設置一或多個照射光源。借著光導管陣列的設置，照射光源所發出的光輻射可以經由多個光導管的作用而達到理想的均勻度。此外，太陽光模擬器可以設置有多個照射光源，以實現大面積的均勻光輻射照射。為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附附圖作詳細說明如下。
圖IA為本發明第一實施例的太陽光模擬器示意圖；圖IB為照射光源與滑軌的示意圖；圖2為本發明第二實施例的太陽光模擬器示意圖；圖3A為本發明第三實施例的太陽光模擬器的示意圖；圖;3B為本發明第三實施例的另一種太陽光模擬器的示意圖；圖4為本發明一實施例的光導管陣列的示意圖；圖5為本發明另一實施例的光導管陣列示意圖。主要元件符號說明10 滑軌100,200,300 太陽光模擬器110、210、310 照射光源112、212:出光面114、214、314 反射罩116、216、316 位置調整機構120、220、320、400、500 光導管陣列122、222、322、402、502 光導管122A、222A、322A、402A 入光端122B、222B、322B、402B 出光端210A、310A 光源陣列410、510、M 立體框架結構420、520、P:內壁422 調整部430 調整導光板432:出光面積L 光輻射SL:太陽能光電模塊
具體實施例方式圖IA繪示為本發明第一實施例的太陽光模擬器示意圖。請參照圖1A，太陽光模擬器100包括一照射光源110以及一光導管陣列120。照射光源110具有一出光面112，並用以發出光輻射L。光導管陣列120包括多個光導管122，這些光導管122彼此緊鄰並且沿光輻射L的光路設置。各光導管122具有反射光輻射的內壁P、一入光端122A以及相對於入光端122A的一出光端122B。光輻射L由這些入光端122A進入於這些光導管122並由出光端122B射出以提供所需的模擬太陽光。也就是說，在本實施例中，入光端122A相對接近出光面112而出光端122B相對遠離出光面112以使照射光源110的出光面112面向這些光導管122的入光端122A。在本實施例中，照射光源110可以包括有將光輻射L導向於預定光路上的反射罩 114以使光輻射L沿所設計的光路行進。光導管陣列120例如包括有四個光導管122。各個光導管122例如為矩形柱狀。因此，光導管陣列120可以多個緊鄰的矩形柱構成一立體框架結構M。在製作光導管陣列120的過程中，可以將多個具有反射內壁P的方形柱狀的光導管122組合在一起而形成如圖IA所繪示的光導管陣列120。另外，製作光導管陣列120 的方式也可以是在空心的立體框架結構M中裝設多個隔板以構成具有可反射光輻射L的內壁P的光導管陣列120。本實施例並不限定光導管陣列120的製作方式，在此，立體框架結構M以及內壁P的材質可以為反射性材質，例如鋁合金。立體框架結構M可以區分為四個區域，且每一區域即為一個光導管122所圍繞出來的區域。照射光源110所發出的光輻射L可以在這些光導管122中傳遞並且被內壁P反射。所以，光輻射L在光導管陣列120的作用之下，可以分配至多個(例如四個)照射區域並且在每個照射區域中光輻射L都會被對應的光導管122反覆地反射而均勻地分布。換言之，每一個光導管122所射出的模擬太陽光都具有均勻分布的特性。此外，照射光源110所發出的光輻射L可以均勻分配至每一個光導管122內。如此一來，由各光導管122的出光端122B所射出的光輻射L也可以具有大致相同的照射強度。 也就是說，光導管陣列120非但讓單一光導管122所照射出來的光輻射L均勻分配於該光導管122所涵蓋的區域範圍內，更可以讓多個光導管122所照射出來的光輻射L趨近一致， 達到整體照射面的光輻射均勻度最佳化的效果，進而降低光輻射分布不均勻所造成的太陽光電模塊的試驗誤差。由於本實施例採用一個照射光源110對應多個光導管122所組成的光導管陣列 120，照射光源110所發出的光輻射L可以分散在多個區域中並且在各個光導管122所定義出來的各個照射區域中均勻地分布。也就是說，本實施例的設計可以使照射光源110所發出的光輻射分配至多個光導管，因此與單一光導管相較之下可縮短光導管長度，而同樣達到理想的光輻射均勻度，有助於縮減整體裝置的體積。具體而言，本實施例僅需調整照射光源110與光導管120的相對位置就可以實現理想的光輻射均勻度。換言之，照射光源Iio可以還包括有位置調整機構116，以調整照射光源110的位置，其中位置調整機構116可以裝設於滑軌10 (如圖IB所示)上，且在需要調整照射光源110的位置時，位置調整機構116可以在滑軌10上滑動(例如沿著箭頭方向滑動)。如此一來，經過位置調整機構116的調整，照射光源110的位置可對應於光導管陣列 120的中央或是其他位置。當太陽光模擬器100所發出的光輻射(不)均勻度不符合理想時，可以通過位置調整機構116簡單地調整照射光源110的位置來獲得所需的光輻射(不) 均勻度。
進一步而言，照射光源110在本實施例中可以採用發光二極體或是高壓放電燈管作為發光元件，但不以此為限。並且，光導管122的形狀分別為多邊形柱。圖IA中雖繪示著光導管122為四方柱的實施態樣，不過，光導管122的形狀也可以選擇性地為六邊柱、八邊柱等其他空心的柱狀體。進一步而言，內壁P之間的夾角可以隨不同的設計需求而是90 度或是其他不為0的角度。圖2繪示為本發明第二實施例的太陽光模擬器示意圖。請參照圖2，太陽光模擬器 200包括一光源陣列210A以及一光導管陣列220。光源陣列210A包括多個照射光源210。 各照射光源210用以由出光面212發出一光輻射L。光導管陣列220包括多個光導管222，這些光導管222彼此緊鄰並且沿這些照射光源210所發出的光輻射L的光路設置。各光導管 222具有反射光輻射L的內壁P、一入光端222A以及相對於入光端222A的一出光端222B。 這些照射光源210所發出的光輻射L由入光端222A進入光導管222並由出光端222B射出。 具體而言，照射光源210可以包括有將光輻射L導向於預定光路上的反射罩214。並且，各光導管220的入光端222A相對接近照射光源210的出光面212而出光端222B相對遠離照射光源210的出光面212。整體來說，本實施例與第一實施例的差異主要在於，本實施例的太陽光模擬器200中，照射光源210的數量為多個，且各個照射光源210對應於其中一個光導管222。詳言之，光導管陣列220例如構成一立體框架結構M，內壁P在立體框架結構M內以定義出多個區域，也就是這些光導管222。在本實施例中，光導管222的數量例如等於照射光源210的數量。另外，內壁P的高度例如等於立體框架結構M的高度，但本發明不以此為限。在此，立體框架結構M以及內壁P的材質可以為鋁合金等反射性材質。所以，每一個照射光源210所發出的光輻射L可以在其中一個光導管222中傳遞，並且被內壁P反覆地反射以達均勻化的效果。在本實施例中，每一照射光源210所發出的光輻射L經過對應的光導管222作用之後可以由出光端222B射出。由於每一照射光源210所發出的光輻射L在各光導管222 中反覆地被內壁P反射，所以每個光導管222的出光端222所射出的光輻射L可以具有均勻的分布。此外，各個照射光源210可以採用發光二極體或是高壓放電燈管作為光源，但本發明不以此為限。在此，所有照射光源210的發光強度經控制後(例如光源型號的選用以及光源電流的調整等)可以大致相同。因此，太陽光模擬器200可以提供大面積且光輻射均勻的模擬太陽光，達到降低太陽光電模塊試驗誤差的效果。另外，照射光源210可以還包括有位置調整機構216，以調整照射光源210的位置使得光輻射L在各光導管222中均勻化。太陽光模擬器200用以檢測一太陽能光電模塊SL時，太陽能光電模塊SL可以設置於各光導管222的出光端222B。也就是說，照射光源210與待測的太陽能光電模塊SL可以設置在光導管陣列220的相對兩側，其中照射光源210所在的一側對應於各光導管222 的入光端222A，而太陽能光電模塊SL所在的一側對應於各光導管222的出光端222B。此時，太陽能光電模塊SL可以受到大面積且分布均勻的模擬太陽光所照射以進行太陽能光電模塊SL的特性測試。本實施例的太陽光模擬器200若偵測到模擬太陽光分布不均勻的情形，僅需調整光導管陣列220與各照射光源210的相對位置(例如通過位置調整機構來調整照射光源CN 210的位置)就可以使得模擬太陽光的均勻度獲得改善。相比較於現有所採用的多燈陣列的架構而言，改善了燈與燈之間光輻射輸出相互疊加幹涉的情形，個別區域光輻射量的調整不會顯著的影響其他區域，對於整體照射面光輻射均勻度的調整不僅更為簡單也更為省時。圖3A繪示為本發明第三實施例的太陽光模擬器的示意圖。請參照圖3A，太陽光模擬器300包括有多個照射光源310以及一光導管陣列320，其中各照射光源310用以由出光面312發出一光輻射L，而光導管陣列320包括多個光導管322。實際上，多個照射光源310 例如構成一光源陣列310A。各光導管322沿光輻射L的光路設置且各光導管322具有反射光輻射L的內壁P、一入光端322A以及一出光端322B。入光端322A都相對接近這些出光面312而出光端322B相對遠離這些出光面312以使這些出光面312面向入光端322A。以本實施例而言，照射光源310可以包括有將光輻射L導向於預定光路上的反射罩314以使光輻射L沿所設計的光路行進。此外，光輻射L由這些入光端322A進入於這些光導管320 並由出光端322B射出以提供所需的模擬太陽光。具體而言，本實施例與第二實施例的主要差異在於，本實施例的設計使得各照射光源310對應於多個光導管322。在本實施例中，每一個照射光源310例如對應於四個光導管322，所以照射光源310的數量少於光導管322的數量。並且，各照射光源310的位置可以位在四個緊鄰的光導管322中央，亦即光導管陣列320將各照射光源310所發出的光輻射L分配至對應的四個光導管322中，但本發明不以此為限。此外，各個光導管322的形狀可以為一多邊形柱。本實施例以四邊柱形狀的光導管322來說明，但本發明不以此為限。詳言之，光導管陣列320可以由多個光導管322構成一立體框架結構M0在一實施例中，光導管陣列320可以由多個獨立的光導管322粘貼而成。內壁P都是由反射材料所構成的，所以在每一個光導管322中傳遞的光輻射L會受到內壁P的反射作用而均勻地分布並由出光端322B射出。如此一來，由每一個光導管322射出的光輻射L可以具有理想的均勻度。進一步而言，每個照射光源310所發出的光輻射L都因對應的四個光導管322作用而均勻地分布，所以各照射光源310的光輻射L由對應的四個光導管322射出後可以呈現理想的均勻度。另外，就整體太陽光模擬器300的出光效果而言，各照射光源310所發出的光輻射L經由光導管陣列320的作用後達到理想的光輻射均勻度，可降低光輻射分布不均勻所造成的太陽光電模塊的試驗誤差。此外，值得一提的是，以上實施例是以光導管322的數量大於或等於照射光源310 的數量來說明，在其他實施例中，如圖3B所示，光導管322的數量可以小於照射光源310的數量。也就是說，可以採用多個照射光源310對應光導管陣列320的其中一個光導管322 的設計。圖4繪示為本發明一實施例的光導管陣列的示意圖。請參照圖4，光導管陣列400 例如由多個光導管402構成為立體框架結構410，且光導管陣列400的每個光導管402具有可反射光輻射的內壁420，其中每一內壁420即為相鄰兩個光導管402共同的邊界。在本實施例中，各個光導管402具有一入光端402A以及一出光端402B，各內壁420可包括鄰近於入光端402A的一調整部422。調整部422在相鄰兩個光導管402之間調整各個光導管402 在入光端402A的一入光面積。
詳言之，調整部422例如是由各個內壁420鄰近於入光端402A的可調整角度的導光板所構成。當調整部422調整角度時，對應的兩個光導管402的入光面積將會一者增大而另一者減小。將光導管陣列400應用於第一至第三實施例的太陽光模擬器100 300時， 可進一步微調光輻射的分布使得均勻度達到最佳化。除此之外，各內壁420也可選性地包括鄰近於出光端402B的一調整部，用於調整對應光導管402的出光面積，以獲得所需均勻度的模擬太陽光。在本實施例中，光導管陣列400還可選擇性地包括至少一調整導光板430，其配置於其中一個光導管402中以在對應的光導管402的出光面分割出多個出光面積432。在此， 調整導光板430的高度可小於各內壁420的高度，但本發明不以此為限。整體而言，調整部 422與調整導光板430至少其中一者都可以選擇地應用於第一實施例至第三實施例的太陽光模擬器100 300任一者中以實現模擬太陽光的均勻化。在調整導光板430的設置下，光導管陣列400可以將入射其中一個光導管402的光輻射分散於多個出光面積432中。舉例來說，將調整導光板430應用於第三實施例的太陽光模擬器300，則每一照射光源310所發出的光輻射L原本被分散至4個照射區域的狀態， 可以進一步分散至16個照射區域，而更有助於提高模擬太陽光的光輻射均勻度。因此，每一個光導管402內的光輻射可以更高程度地被均勻化以獲得理想的光輻射均勻度。在此， 調整導光板430之間所夾的角度或是調整導光板430與內壁420之間所夾的角度可以視實際的設計與需求而有所調整，因此兩調整導光板430所夾的最大角度可以不需為90度，也可以為90度。圖5繪示為本發明另一實施例的光導管陣列示意圖。請參照圖5，光導管陣列500 包括多個光導管502，其例如構成一立體框架結構510且各個光導管502包括多個可反射光輻射的內壁520。本實施例與前述實施例的主要差異在於，光導管陣列500中每一個光導管 502的形狀為六邊形柱。光導管陣列500可以應用於前述第一實施例至第三實施例至少其中一者中以取代光導管陣列120、220或是320。此時，各實施例中的照射光源可以配置於相鄰兩個光導管502之間或是緊鄰的三個光導管502之間，或是多個照射光源同時對應於其中一個光導管502，但本發明不以此為限。當然，六邊形柱的光導管502在此僅是舉例說明之用，並非用以限定本發明的精神。在其他的實施例中，光導管502可以是八邊形柱、十邊形柱等。綜上所述，本發明利用多個光導管所構成的光導管陣列設置於照射光源前，以利用光導管的作用將照射光源所發出的光輻射均勻化。因此，太陽光模擬器可以具有理想的光輻射均勻度。並且，照射光源與光導管陣列之間的相對位置可以隨著照射光源的出光效果以及所需的光輻射均勻度來調整，因此本發明所提供的結構採用相當簡易的方式就可以達到所需的光輻射均勻度。雖然本發明結合以上實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍應以附上的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種太陽光模擬器，包括照射光源，用以發出一束光輻射；以及光導管陣列，包括多個光導管，該些光導管彼此緊鄰並且沿該光輻射的一光路設置，各該光導管具有反射該光輻射的內壁、入光端以及相對於該入光端的出光端，且該光輻射由該些入光端進入該些光導管並由該些出光端射出。
2.如權利要求1所述的太陽光模擬器，其中該照射光源包括將該光輻射導向該光路的反射罩。
3.如權利要求1所述的太陽光模擬器，其中該照射光源包括調整該照射光源的位置的一位置調整機構。
4.如權利要求1所述的太陽光模擬器，其中該些光導管的形狀分別為一多邊形柱。
5.如權利要求1所述的太陽光模擬器，其中各該光導管的該內壁包括鄰近於該入光端的調整部，該調整部在相鄰兩個光導管之間調整各個光導管在該入光端的一入光面積。
6.如權利要求1所述的太陽光模擬器，還包括至少一調整導光板，配置於其中一個光導管中以將對應的光導管的一出光面分割出多個出光面積。
7.一種太陽光模擬器，包括光源陣列，包括多個照射光源，各該照射光源用以發出一束光輻射；以及光導管陣列，包括多個光導管，該些光導管彼此緊鄰並且沿該些照射光源發出的該光輻射的光路設置，各該光導管具有反射該些光輻射的內壁、入光端以及相對於該入光端的出光端，且該些光輻射由該些入光端進入該些光導管並由該些出光端射出。
8.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中各該照射光源對應於一個光導管。
9.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中各該照射光源對應於多個光導管。
10.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中多數個該些照射光源對應於一個光導管。
11.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中該些光導管的形狀分別為一多邊形柱。
12.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中各該光導管的該內壁包括鄰近於該入光端的調整部，該調整部在相鄰兩個光導管之間調整各個光導管在該入光端的一入光面積。
13.如權利要求7所述的太陽光模擬器，包括至少一調整導光板，配置於其中一個光導管中，以將對應的光導管的一出光面分割出多個出光面積。
14.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中各該照射光源包括將該光輻射導向該光路的反射罩。
15.如權利要求7所述的太陽光模擬器，其中各該照射光源包括調整該照射光源的位置的一位置調整機構。
全文摘要
本發明公開一種太陽光模擬器，其包括一照射光源以及一光導管陣列。照射光源用以發出一束光輻射。光導管陣列包括多個光導管，這些光導管彼此緊鄰並且沿光輻射的一光路設置。各光導管具有反射該光輻射的一內壁、一入光端以及相對於入光端的一出光端，且光輻射由入光端進入光導管並由出光端射出。
文檔編號G01R31/26GK102419414SQ20111028752
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月26日 優先權日2010年9月27日
發明者吳登峻, 吳鴻森, 李思賢 申請人:財團法人工業技術研究院