穩態太陽模擬器的製作方法
2023-12-09 19:59:11 1
專利名稱：穩態太陽模擬器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜太陽能電池組件的測試儀器，尤其涉及一種穩態太陽模擬
O
背景技術：
薄膜太陽能電池能夠節省許多製備工藝，大幅度降低矽原料的使用，具有低成本的價格優勢。在光伏建築一體化方面，薄膜太陽能電池也佔有舉足輕重的地位。因此，薄膜太陽能電池技術得到了快速發展，成為光伏產業中的一支新秀。但是薄膜太陽能電池的電性能檢測標準的制定相對比較滯後，國際IEC組織頒布的相關檢測標準仍然是直接參照晶體矽測試方法，因此對於薄膜太陽能電池的檢測儀器或設備的性能指標也沒有具體的規定。太陽模擬器是用來模擬太陽光的設備，太陽模擬器一般分為脈衝式太陽模擬器和穩態式太陽模擬器，用於太陽能電池的電性能測試。對於大面積(晶體矽)太陽能電池組件的測試，例如lmXaii以上尺寸的大型(晶體矽)太陽電池組件的測試，通常採用脈衝氙燈為光源的脈衝式太陽模擬器，可以獲得大面積的均勻輻照度。但是對於薄膜太陽能電池測試而言，使用脈衝式太陽模擬器的最大缺點是脈衝長度過短，樣品還未來得及充分做出光響應，脈衝已經結束，光強已經迅速降低，從而導致測試結果不可靠。在實現光源長脈寬的過程中，光強的穩定性和可重複性也是脈衝式太陽模擬器所面臨的主要問題。穩態式太陽模擬器的優點是能提供連續照射的標準太陽光，存在的主要問題是穩態光源的發熱量大， 比較適合於製造小面積太陽模擬器。在光譜和光強相同的情況下，單晶/多晶矽太陽能電池的電性能測試時間一般需要幾個毫秒，而非晶矽薄膜太陽能電池的電性能測試至少需要IOOms的光照時間。在申請號為01113032. 6的文件中公開了一種脈衝式太陽模擬器，該模擬器的脈衝寬度為5ms，無法滿足薄膜太陽能電池的電性能測試的要求。在申請號200710177985. 5的文件中還公開了一種模擬太陽照射光源的變焦裝置，其中包括氙燈、匯聚氙燈光的球面反光鏡、光學積分器和準直鏡，對於ImX an以上尺寸的大型太陽電池組件的測試而言，這種太陽模擬器需要的光學積分器和準直鏡的尺寸也要足夠大，會導致太陽模擬器的成本非常昂貴。
發明內容
本發明的目的，就是為了提供一種能滿足太陽能電池測試所要求的大面積範圍內的輻照均勻性、輻照穩定性和光譜匹配度等方面的技術要求的穩態太陽模擬器。為了達到上述目的，本發明採用了以下技術方案一種穩態太陽模擬器，包括模擬太陽光源、電源模塊和勻光裝置，模擬太陽光源產生與太陽光譜接近的模擬太陽光，電源模塊與模擬太陽光源相連向模擬太陽光源提供用於發光的恆流電源，勻光裝置設置在模擬太陽光源的前方將不均勻的模擬太陽光整合成符合規定技術指標的均勻光投射到輻照面上。所述的模擬太陽光源包括
殼體，其內設有支撐定位裝置；短弧氙燈陳列，安裝在殼體內的支撐定位裝置上，提供與太陽光譜接近的模擬太陽光；多個球面反射鏡，分別與各短弧氙燈配套設置將對應短弧氙燈發出的光反射到指定的輻照面上；快門，設置在多個球面反射鏡的前方；多個濾光片，分別對應於各球面反射鏡設置在快門的前方；散熱機構，設置在支撐定位裝置後的殼體上。所述的支撐定位裝置上對應於各短弧氙燈分別設有可使相應的短弧氙燈沿χ軸方向移動的前後平移機構、沿y軸方向移動的左右平移機構、沿ζ軸方向移動的上下平移機構、沿y軸旋轉的俯仰角轉動機構和沿ζ軸旋轉的擺動角轉動機構。所述的模擬太陽光源還包括冷卻水制冷機構，該冷卻水制冷機構設置在快門的遠離短弧氙燈的一側對快門提供製冷。所述的球面反射鏡的反射面為拋物面或橢球面。所述的快門與由計算機控制的傳動裝置相連。所述的散熱機構選自風扇、冷卻水循環管路和液氮循環管路中的一種。本發明中的短弧氙燈是一種與太陽光譜接近的穩態點光源。球面反射鏡將短弧氙燈發出的光反射到指定的輻照面上。散熱風扇能夠通過高速空氣對流對短弧氙燈及相應反射鏡進行散熱並保證短弧氙燈在正常工作溫度範圍內通電發光。快門是一種能夠快速移動、對由反射鏡發出的反射光能夠進行有效遮擋的機械裝置。濾光片是能夠使不同波段之間的光線按照預期的透過率穿過、且穿過光線的光譜符合特定的規範要求的光學玻璃片。 勻光裝置是能把不均勻的光整合成符合規定技術指標的均勻光的光學系統。電源模塊是能夠保障短弧氙燈正常工作的供電系統。球面反射鏡用於反射短弧氙燈發出的光，球面反射鏡的結構參數經過優化設計， 當球面反射鏡與輻照面的距離一定時，球面反射鏡還能夠提高輻照面的輻照均勻性。本發明的穩態太陽模擬器能夠實現大面積輻照均勻性，滿足國際標準規定的太陽光譜匹配度和輻照穩定性等指標要求，有效防止待測太陽能電池組件的嚴重發熱的問題， 可直接用於大面積薄膜太陽能電池組件的測試。
圖1是本發明穩態太陽模擬器的結構示意圖。圖2為本發明穩態太陽模擬器中的燈陣分布圖；圖3為本發明穩態太陽模擬器的光入射角示意圖；圖4為本發明穩態太陽模擬器中的短弧氙燈的5自由度調節示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明的穩態太陽模擬器，包括模擬太陽光源1、電源模塊2和勻光裝置 3，模擬太陽光源1產生與太陽光譜接近的模擬太陽光，電源模塊2與模擬太陽光源相連向模擬太陽光源提供用於發光的恆流電源，勻光裝置3設置在模擬太陽光源的前方將不均勻的模擬太陽光整合成符合規定技術指標的均勻光投射到輻照面上。模擬太陽光源1包括殼體11、支撐定位裝置12、短弧氙燈陳列13、多個球面反射鏡 14、快門15、多個濾光片16和散熱機構17。殼體11前端設有模擬太陽光的出口通道，支撐定位裝置12豎向設置在殼體11內的後部，配合參見圖4，支撐定位裝置12上對應於各短弧氙燈分別設有可使相應的短弧氙燈沿χ軸方向移動的前後平移機構、沿y軸方向移動的左右平移機構、沿ζ軸方向移動的上下平移機構、沿y軸旋轉的俯仰角轉動機構和沿ζ軸旋轉的擺動角轉動機構。短弧氙燈陳列13安裝在殼體內的支撐定位裝置12上，提供與太陽光譜接近的模擬太陽光。短弧氙燈陳列13可以由m行Xn列個短弧氙燈均勻排列構成，本實施例圖加所示為2行X3列。陣列中每個短弧氙燈對輻照面的光入射角度為90士 15度。多個球面反射鏡14分別與各短弧氙燈13配套設置將對應短弧氙燈發出的光反射到指定的輻照面上，球面反射鏡的反射面為拋物面或橢球面。本實施例採用拋物面反射鏡。快門15設置在多個球面反射鏡的前方，快門15與由計算機控制的傳動裝置相連， 由計算機控制傳動裝置帶動其迅速開關。快門具有調整短弧氙燈照射輻照面的輻照時間間隔的功能。在短弧氙燈的總光通量保持恆定之前，快門始終位於球面反射鏡的正前方，使短弧氙燈發出的光無法照射到輻照面上；當短弧氙燈的總光通量保持恆定之後，計算機控制系統通過傳動裝置迅速打開快門，使短弧氙燈發出的模擬太陽光照射到輻照面上；測試完畢後，計算機控制系統再次關閉快門，從而實現模擬太陽光對輻照面的輻照時間的調節功能。通過機械傳動裝置實現快門的關閉和開啟的時間遠大於100ms，能夠滿足薄膜太陽能電池的光響應時間長的測試要求。快門處於關閉狀態時，還能使光源和太陽能電池完全隔離，防止太陽能電池因輻照時間長而溫度過高，確保太陽能電池在規定的溫度範圍內進行測試，從而保證測試結果的準確性。多個濾光片16分別對應於各球面反射鏡設置在快門的前方。散熱機構17設置在支撐定位裝置後的殼體上，散熱機構17可以採用風扇、冷卻水循環管路和液氮循環管路中的一種。為了達到標準太陽常數的輻照度，短弧氙燈的功率通常會超過lkw，需要外部強制製冷。短弧氙燈的製冷方式包括高速風冷、循環水製冷和液氮製冷等，本發明中優選採用高速風冷的方式即通過風扇製冷。本發明中的的模擬太陽光源中還設有冷卻水制冷機構(未圖示出來)，該冷卻水制冷機構設置在快門的遠離短弧氙燈的一側對快門提供製冷。在短弧氙燈通電發光後且快門處於關閉狀態時，冷卻水制冷機構對快門具有散熱製冷效果，可以避免快門發熱嚴重進而影響快門的正常工作。本發明的穩態太陽模擬器的工作原理是，在對大型太陽電池組件測試時，由電源模塊向氙燈提供恆流電源，在對氙燈通電數分鐘後，氙燈的發光總通量保持恆定，因此，本發明實施例中的太陽模擬器具有很好的輻照穩定性和可重複性。氙燈發出的光經反射鏡照射在快門上，快門及其控制系統能夠實現快門的開啟與關閉，進而可以實現光源對輻照面的輻照時間的控制。當快門打開時，濾光片能夠對光譜進行處理和修正，以獲得接近太陽光譜的模擬光線。勻光裝置的作用是使光線更加均勻化，實現輻照面上的光線滿足輻照均勻性的測試要求。殼體和支撐定位裝置對氙燈具有固定和位置調節的作用。冷卻風扇可實現 Ikw IOkw短弧氙燈的強制製冷，保證氙燈的正常工作。當測試完畢後，快門自動關閉，光線無法通過濾光片和勻光裝置。由於測試時間很短，太陽能電池的溫度變化僅局限在很小的範圍內，不影響太陽能電池組件電性能測試的準確性。圖2為本發明中的短弧氙燈陳列分布圖，由一組氙燈組成的陳列可以實現設定輻照面積上的輻照強度，短弧氙燈陳列可以以不同的排列方式組合，如m行Xn列。圖2(a) 的實施例給出了一組氙燈按照2行X3列的方式構成氙燈陣列。圖2(b)給出了每列氙燈的對稱分布，圖中顯示了 2個氙燈的俯仰角。圖2(c)給出了每行氙燈的對稱分布，圖中顯示了 3個氙燈的擺動角。圖3為本發明中的光入射角示意圖，短弧氙燈陳列中每個短弧氙燈對輻照面的光入射角度為90士 15度。圖4為本發明中的氙燈的5個自由度調節示意圖。氙燈的5個自由度分別包括: 沿χ軸方向的前後平移、沿y軸方向的左右平移、沿ζ軸方向的上下平移、沿y軸旋轉的俯仰角轉動和沿ζ軸旋轉的擺動角轉動。因為氙燈及其球面反射鏡具有軸向對稱性，因此不需要繞X軸的旋轉。
權利要求
1.一種穩態太陽模擬器，其特徵在於包括模擬太陽光源、電源模塊和勻光裝置，模擬太陽光源產生與太陽光譜接近的模擬太陽光，電源模塊與模擬太陽光源相連向模擬太陽光源提供用於發光的恆流電源，勻光裝置設置在模擬太陽光源的前方將不均勻的模擬太陽光整合成符合規定技術指標的均勻光投射到輻照面上。
2.如權利要求1所述的穩態太陽模擬器，其特徵在於所述的模擬太陽光源包括 殼體，其內設有支撐定位裝置；短弧氙燈陳列，安裝在殼體內的支撐定位裝置上，提供與太陽光譜接近的模擬太陽光；多個球面反射鏡，分別與各短弧氙燈配套設置將對應短弧氙燈發出的光反射到指定的輻照面上；快門，設置在多個球面反射鏡的前方； 多個濾光片，分別對應於各球面反射鏡設置在快門的前方； 散熱機構，設置在支撐定位裝置後的殼體上。
3.如權利要求2所述的穩態太陽模擬器，其特徵在於所述的支撐定位裝置上對應於各短弧氙燈分別設有可使相應的短弧氙燈沿χ軸方向移動的前後平移機構、沿y軸方向移動的左右平移機構、沿ζ軸方向移動的上下平移機構、沿y軸旋轉的俯仰角轉動機構和沿ζ 軸旋轉的擺動角轉動機構。
4.如權利要求2所述的穩態太陽模擬器，其特徵在於所述的模擬太陽光源還包括冷卻水制冷機構，該冷卻水制冷機構設置在快門的遠離短弧氙燈的一側對快門提供製冷。
5.如權利要求2所述的穩態太陽模擬器，其特徵在於所述的球面反射鏡的反射面為拋物面或橢球面。
6.如權利要求2所述的穩態太陽模擬器，其特徵在於所述的快門與由計算機控制的傳動裝置相連。
7.如權利要求2所述的穩態太陽模擬器，其特徵在於所述的散熱機構選自風扇、冷卻水循環管路和液氮循環管路中的一種。
全文摘要
一種穩態太陽模擬器，包括模擬太陽光源、電源模塊和勻光裝置，模擬太陽光源產生與太陽光譜接近的模擬太陽光，電源模塊與模擬太陽光源相連向模擬太陽光源提供用於發光的恆流電源，勻光裝置設置在模擬太陽光源的前方將不均勻的模擬太陽光整合成符合規定技術指標的均勻光投射到輻照面上。本發明的穩態太陽模擬器能夠實現大面積輻照均勻性，滿足國際標準規定的太陽光譜匹配度和輻照穩定性等指標要求，有效防止待測太陽能電池組件的嚴重發熱的問題，可直接用於大面積薄膜太陽能電池組件的測試。
文檔編號G01R31/26GK102338323SQ20101023191
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月21日 優先權日2010年7月21日
發明者張瀅清, 朱小芳, 李紅波, 祁永慶, 薛永勝 申請人:上海太陽能工程技術研究中心有限公司