JP4982884B2 - ソーラシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ソーラパネル等の測定に用いられるソーラシミュレータに関する。

図３は、従来技術に係るソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角を上げるために取られてきた標準的な光学構造を示す図である。
同図に示すように、通常、入射角θ１と出射角θ２を等しく設計した均一照射用インテグレ−タ４を用いて、不図示の光源からの光を光軸の近くに集めた後、コリメーションレンズ５により収束させ、高平行度出射光を得ている。
ここで、コリメーションレンズ５から出射された光の平行度角φは、φ≒ａｔａｎ（ｒ／ｆ）で近似できる。ただし、ｒはインテグレータ４の外接円半径、ｆはコリメ−ションレンズ５の焦点距離である。
従来、このような構造においては、出射光束の平行度角を上げる（φを小さくする）ために、コリメーションレンズ５の焦点距離ｆを大きく取る方法が取られてきた。
特開２００２−１８９１９２号公報 特開２００２−１１６５０1号公報 特開２００１−０４２４３２号公報

しかしながら、図３に示すような光学構造においては、インテグレータ４の出射角θ２を固定したまま、図４に示すように、平行度角φを上げるためにコリメ−ションレンズ５の焦点距離ｆを大きくしていくと、インテグレータ４とコリメーションレンズ５間の距離も大きくなるため、インテグレータ４からの出射光はコリメーションレンズ５の外まで大きく拡がる。つまり、インテグレータ４から出射した光の大部分がコリメーションレンズ５外に放散されてしまう。そのため、光エネルギーの損失が大きく、また、コリメーションレンズ５から得られる平行光の照度も小さくなるという問題が生じていた。
本発明の目的は、出射光の高平行度化と出射光の高照度化の問題を同時に解決すると共に、出射光の均一度を上げることを可能にしたソーラシミュレータを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
光源から放射された光をインテグレータに入射し、該インテグレータから出射された光をコリメーションレンズに入射し、該コリメーションレンズから平行光を出射させるソーラシミュレータにおいて、
前記インテグレータの外接円半径をｒ、前記平行光の平行度角をφ、前記コリメーションレンズの焦点距離をｆ＝ｒ／ｔａｎφとするとき、前記平行度角φが２.５°未満でかつ焦点距離ｆが３２０ｍｍ以上となるように前記焦点距離ｆを選択するとともに、前記インテグレータは、一辺が５ｍｍ以下の９本以上の微小インテグレータの集合体で構成され、かつ、前記インテグレータの外接円半径ｒが１０.６ｍｍ以下であり、前記インテグレータから出射される光の出射角をθ、前記コリメーションレンズの直径をＤ、前記インテグレータから見た前記コリメーションレンズの見込み角度θＸ＝２×ａｔａｎ（Ｄ／２ｆ）とするとき、前記出射角θを前記見込み角度θＸより小さくしたことを特徴とするソーラシミュレータである。

請求項１に記載の発明によれば、照射面において、高平行度化された高照度光が得られる。
請求項２に記載の発明によれば、照射面において、高均一化された光が得られる。

本発明の一実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るソーラシミュレータの構成を示す図である。
同図に示すように、例えば、３００ＷのＸｅ（キセノン）ランプ１から出射された光は、楕円鏡２によって反射され、ＡＭ（エアマス）フィルター３を介して小出射角の微小インテグレータの集合体からなるインテグレータ４に入射される。インテグレータ４から出射された光は長焦点距離を有するコリメーションレンズ５に入射され、高平行度光として出射される。出射された高平行光はソーラパネル等の照射面６に高照度で照射される。

図２は、図１に示したソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角を上げるために取られた光学構造を示す図である。
同図において、不図示の光源から放射された光はインテグレータ４に入射され、インテグレータ４から出射された光はコリメーションレンズ５に入射され、コリメーションレンズ５から平行光が出射される。
ここで、インテグレータ４の外接円半径をｒ、平行光の平行度角をφ、コリメーションレンズ５の焦点距離をｆ、インテグレータ４とコリメーションレンズ５間の距離をＬ、インテグレータ４の入射角をθ１、インテグレータ４の出射角をθ２、コリメーションレンズ５の直径をＤ、インテグレータ４から見たコリメーションレンズ５の見込み角度をθＸとする。

通常、インテグレータ４は、正方形断面の微小インテグレータの集合体からなり、例えば、５ｍｍ角の正方形の微小インテグレータの３×３＝９本の集合体で構成される。集合体の外形をできるだけ外接円に近づけるためには、各微小インテグレータの断面を正方形以外の多角形、例えば、正６角形で構成するとよい。

インテグレータ４から出射された光を、焦点距離ｆのコリメーションレンズ５で収束させる場合、インテグレータ４の外接円の半径ｒが無限に０に近い場合、インテグレータ４とコリメーションレンズ５間の距離を焦点距離ｆに等しく取れば、コリメーションレンズ５からの出射光は、球面収差・色収差等を無視すれば、完全な平行光となる。

しかし、実際のインテグレータ４は、上述のごとく、微小インテグレータの集合体で構成されるため、その外接円半径ｒは有限の大きさを持つため、その円周上の光（微小インテグレータ個々の光）が、コリメーションレンズ５通過後に光軸となす角度が誤差となって、完全な平行光とはならない。
つまり、コリメーションレンズ５の出射光の平行度角φは、コリメーションレンズ５中心からインテグレータ４を見たときの外接円半径ｒの見込み角度で求められ、次式で与えられる。
φ＝ａｔａｎ（ｒ／Ｌ）≒ａｔａｎ（ｒ／ｆ）
ここで、φが小さいとき、Ｌ≒ｆとなる関係を用いた。

例えば、インテグレータ４の外接円半径ｒ＝１０．６ｍｍ、コリメーションレンズ５の焦点距離ｆ＝２００ｍｍのとき、平行度角φ＝３．０４°であり、インテグレータ４の外接円半径ｒ＝１０．６ｍｍ、コリメーションレンズ５の焦点距離ｆ＝３２０ｍｍのとき、平行度角φ＝１．９０°であった。つまり、コリメーションレンズ５の焦点距離ｆを２００ｍｍから３２０ｍｍに増加させることにより、実測平行度角φを３．０°から１．９°に改善することができた。このことから、高平行度光を得るためには、コリメーションレンズ５の長焦点化が有効であることが分かる。

下記に示す表は、図２〜図４に示す光学構造において、インテグレータ４の出射角θ２、インテグレータ４から見たコリメーションレンズ５の見込み角度をθＸ、及びコリメーションレンズ５の焦点距離ｆを変化させたときの、コリメーションレンズ５から出射される光の平行度角、及び照射面６における照度を示すものである。なお、見込み角度θＸは、
θＸ＝２×ａｔａｎ（Ｄ／２ｆ）で示され、インテグレータ４の入射角θ１はいずれも２７°である。
対応図 出射角 見込み角度 焦点距離 平行度角 照度（ｍＷ／ｃｍ^２）
図３ ２７° ３５° ２００ｍｍ ３．０４° １００
図３ ２７° ３０° ２５０ｍｍ ２．４３° ６７
図４ ２７° ２３° ３２０ｍｍ １．９０° ３９
図２ １７° ２０° ３２０ｍｍ １．９０° ９７

上表に示すように、図３及び図４に示す従来の光学構造においては、インテグレータ４の出射角θ２を２７°と入射角θ１と等しく固定した場合、焦点距離ｆが２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３２０ｍｍと増加させるにつれて、平行度角は３．０４°、２．４３°、１．９０°と改善されるが、照度は１００ｍＷ／ｃｍ^２、６７ｍＷ／ｃｍ^２、３９ｍＷ／ｃｍ^２と減少することが分かる。このように、出射角θ２が２７°と大きいと、比較的短焦点のコリメーションレンズ５でないと、照度は１００ｍＷ／ｃｍ^２という、所望の高照度を得ることができないということが分かる。
即ち、図４に示す光学構造においては、平行度角が１．９０°という高平行度を得るためにコリメーションレンズ５の焦点距離ｆを３２０ｍｍと大きくすれば、照度が３９ｍＷ／ｃｍ^２と低照度になってしまい、逆に、図３に示す光学構造において、照度を１００ｍＷ／ｃｍ^２に維持するためにコリメーションレンズ５の焦点距離ｆを２００ｍｍと小さくすれば、平行度角は３．０４°に低下してしまう。

これに対して、上記の問題を解決するために、図２に示す本発明の光学構造においては、インテグレータ４の出射角θ２を、インテグレータ４中心から見たコリメーションレンズ５の見込み角度θＸより小さくなるように構成する。このように構成することにより、１．９０°という高平行度を得るためにコリメーションレンズ５の焦点距離ｆを３２０ｍｍと大きくしても、照度は９７ｍＷ／ｃｍ^２となり、図３に示した光学構造における最大照度１００ｍＷ／ｃｍ^２とほぼ同水準の照度が得られる。

ソーラシミュレータ５に要求される他の特性は、照射面６における照度の高均一化である。高均一性を得るためには、例えば、直径が５ｍｍ以下である複数の微小インテグレータの集合体であって、この集合体の外接円半径ｒが１０．６ｍｍのインテグレータ４を用いることによって実現することができる。
コリメーションレンズ５の焦点距離３２０ｍｍ、照射面６における有効照射面積を６０ｍｍ角としたときの、インテグレータ４の細分化の効果を９本と２５本の集合本数について実測した結果、３×３（９本組）のインテグレータ４を用いて照射面６における均一度は±４．５％、５×５（２５本組）のインテグレータ４を用いて照射面６における均一度は±１．５％であった。この実測結果に示すように、インテグレータ４を９本から２５本に細分化することにより、照度の均一度が３倍改善された。

本発明に係るソーラシミュレータの構成を示す図である。 図１に示したソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角及び照射面における照度を上げるために取られた光学構造を示す図である。 従来技術に係るソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角を上げるために取られてきた標準的な光学構造を示す図である。 従来技術に係るソーラシミュレータにおける光学構造を示す図である。

符号の説明

１ Ｘｅ（キセノン）ランプ
２ 楕円鏡
３ ＡＭ（エアマス）フィルター
４ インテグレータ
５ コリメーションレンズ
６ 照射面

Claims (1)

1. 光源から放射された光をインテグレータに入射し、該インテグレータから出射された光をコリメーションレンズに入射し、該コリメーションレンズから平行光を出射させるソーラシミュレータにおいて、
   前記インテグレータの外接円半径をｒ、前記平行光の平行度角をφ、前記コリメーションレンズの焦点距離をｆ＝ｒ／ｔａｎφとするとき、前記平行度角φが２.５°未満でかつ焦点距離ｆが３２０ｍｍ以上となるように前記焦点距離ｆを選択するとともに、前記インテグレータは、一辺が５ｍｍ以下の９本以上の微小インテグレータの集合体で構成され、かつ、前記インテグレータの外接円半径ｒが１０.６ｍｍ以下であり、前記インテグレータから出射される光の出射角をθ、前記コリメーションレンズの直径をＤ、前記インテグレータから見た前記コリメーションレンズの見込み角度θＸ＝２×ａｔａｎ（Ｄ／２ｆ）とするとき、前記出射角θを前記見込み角度θＸより小さくしたことを特徴とするソーラシミュレータ。

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