专利名称：稳态太阳模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜太阳能电池组件的测试仪器，尤其涉及一种稳态太阳模拟
O
背景技术：
薄膜太阳能电池能够节省许多制备工艺，大幅度降低硅原料的使用，具有低成本的价格优势。在光伏建筑一体化方面，薄膜太阳能电池也占有举足轻重的地位。因此，薄膜太阳能电池技术得到了快速发展，成为光伏产业中的一支新秀。但是薄膜太阳能电池的电性能检测标准的制定相对比较滞后，国际IEC组织颁布的相关检测标准仍然是直接参照晶体硅测试方法，因此对于薄膜太阳能电池的检测仪器或设备的性能指标也没有具体的规定。太阳模拟器是用来模拟太阳光的设备，太阳模拟器一般分为脉冲式太阳模拟器和稳态式太阳模拟器，用于太阳能电池的电性能测试。对于大面积(晶体硅)太阳能电池组件的测试，例如lmXaii以上尺寸的大型(晶体硅)太阳电池组件的测试，通常采用脉冲氙灯为光源的脉冲式太阳模拟器，可以获得大面积的均勻辐照度。但是对于薄膜太阳能电池测试而言，使用脉冲式太阳模拟器的最大缺点是脉冲长度过短，样品还未来得及充分做出光响应，脉冲已经结束，光强已经迅速降低，从而导致测试结果不可靠。在实现光源长脉宽的过程中，光强的稳定性和可重复性也是脉冲式太阳模拟器所面临的主要问题。稳态式太阳模拟器的优点是能提供连续照射的标准太阳光，存在的主要问题是稳态光源的发热量大， 比较适合于制造小面积太阳模拟器。在光谱和光强相同的情况下，单晶/多晶硅太阳能电池的电性能测试时间一般需要几个毫秒，而非晶硅薄膜太阳能电池的电性能测试至少需要IOOms的光照时间。在申请号为01113032. 6的文件中公开了一种脉冲式太阳模拟器，该模拟器的脉冲宽度为5ms，无法满足薄膜太阳能电池的电性能测试的要求。在申请号200710177985. 5的文件中还公开了一种模拟太阳照射光源的变焦装置，其中包括氙灯、汇聚氙灯光的球面反光镜、光学积分器和准直镜，对于ImX an以上尺寸的大型太阳电池组件的测试而言，这种太阳模拟器需要的光学积分器和准直镜的尺寸也要足够大，会导致太阳模拟器的成本非常昂贵。
发明内容
本发明的目的，就是为了提供一种能满足太阳能电池测试所要求的大面积范围内的辐照均勻性、辐照稳定性和光谱匹配度等方面的技术要求的稳态太阳模拟器。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案一种稳态太阳模拟器，包括模拟太阳光源、电源模块和勻光装置，模拟太阳光源产生与太阳光谱接近的模拟太阳光，电源模块与模拟太阳光源相连向模拟太阳光源提供用于发光的恒流电源，勻光装置设置在模拟太阳光源的前方将不均勻的模拟太阳光整合成符合规定技术指标的均勻光投射到辐照面上。所述的模拟太阳光源包括
壳体，其内设有支撑定位装置；短弧氙灯陈列，安装在壳体内的支撑定位装置上，提供与太阳光谱接近的模拟太阳光；多个球面反射镜，分别与各短弧氙灯配套设置将对应短弧氙灯发出的光反射到指定的辐照面上；快门，设置在多个球面反射镜的前方；多个滤光片，分别对应于各球面反射镜设置在快门的前方；散热机构，设置在支撑定位装置后的壳体上。所述的支撑定位装置上对应于各短弧氙灯分别设有可使相应的短弧氙灯沿χ轴方向移动的前后平移机构、沿y轴方向移动的左右平移机构、沿ζ轴方向移动的上下平移机构、沿y轴旋转的俯仰角转动机构和沿ζ轴旋转的摆动角转动机构。所述的模拟太阳光源还包括冷却水制冷机构，该冷却水制冷机构设置在快门的远离短弧氙灯的一侧对快门提供制冷。所述的球面反射镜的反射面为抛物面或椭球面。所述的快门与由计算机控制的传动装置相连。所述的散热机构选自风扇、冷却水循环管路和液氮循环管路中的一种。本发明中的短弧氙灯是一种与太阳光谱接近的稳态点光源。球面反射镜将短弧氙灯发出的光反射到指定的辐照面上。散热风扇能够通过高速空气对流对短弧氙灯及相应反射镜进行散热并保证短弧氙灯在正常工作温度范围内通电发光。快门是一种能够快速移动、对由反射镜发出的反射光能够进行有效遮挡的机械装置。滤光片是能够使不同波段之间的光线按照预期的透过率穿过、且穿过光线的光谱符合特定的规范要求的光学玻璃片。 勻光装置是能把不均勻的光整合成符合规定技术指标的均勻光的光学系统。电源模块是能够保障短弧氙灯正常工作的供电系统。球面反射镜用于反射短弧氙灯发出的光，球面反射镜的结构参数经过优化设计， 当球面反射镜与辐照面的距离一定时，球面反射镜还能够提高辐照面的辐照均勻性。本发明的稳态太阳模拟器能够实现大面积辐照均勻性，满足国际标准规定的太阳光谱匹配度和辐照稳定性等指标要求，有效防止待测太阳能电池组件的严重发热的问题， 可直接用于大面积薄膜太阳能电池组件的测试。
图1是本发明稳态太阳模拟器的结构示意图。图2为本发明稳态太阳模拟器中的灯阵分布图；图3为本发明稳态太阳模拟器的光入射角示意图；图4为本发明稳态太阳模拟器中的短弧氙灯的5自由度调节示意图。
具体实施例方式参见图1，本发明的稳态太阳模拟器，包括模拟太阳光源1、电源模块2和勻光装置 3，模拟太阳光源1产生与太阳光谱接近的模拟太阳光，电源模块2与模拟太阳光源相连向模拟太阳光源提供用于发光的恒流电源，勻光装置3设置在模拟太阳光源的前方将不均勻的模拟太阳光整合成符合规定技术指标的均勻光投射到辐照面上。模拟太阳光源1包括壳体11、支撑定位装置12、短弧氙灯陈列13、多个球面反射镜 14、快门15、多个滤光片16和散热机构17。壳体11前端设有模拟太阳光的出口通道，支撑定位装置12竖向设置在壳体11内的后部，配合参见图4，支撑定位装置12上对应于各短弧氙灯分别设有可使相应的短弧氙灯沿χ轴方向移动的前后平移机构、沿y轴方向移动的左右平移机构、沿ζ轴方向移动的上下平移机构、沿y轴旋转的俯仰角转动机构和沿ζ轴旋转的摆动角转动机构。短弧氙灯陈列13安装在壳体内的支撑定位装置12上，提供与太阳光谱接近的模拟太阳光。短弧氙灯陈列13可以由m行Xn列个短弧氙灯均勻排列构成，本实施例图加所示为2行X3列。阵列中每个短弧氙灯对辐照面的光入射角度为90士 15度。多个球面反射镜14分别与各短弧氙灯13配套设置将对应短弧氙灯发出的光反射到指定的辐照面上，球面反射镜的反射面为抛物面或椭球面。本实施例采用抛物面反射镜。快门15设置在多个球面反射镜的前方，快门15与由计算机控制的传动装置相连， 由计算机控制传动装置带动其迅速开关。快门具有调整短弧氙灯照射辐照面的辐照时间间隔的功能。在短弧氙灯的总光通量保持恒定之前，快门始终位于球面反射镜的正前方，使短弧氙灯发出的光无法照射到辐照面上；当短弧氙灯的总光通量保持恒定之后，计算机控制系统通过传动装置迅速打开快门，使短弧氙灯发出的模拟太阳光照射到辐照面上；测试完毕后，计算机控制系统再次关闭快门，从而实现模拟太阳光对辐照面的辐照时间的调节功能。通过机械传动装置实现快门的关闭和开启的时间远大于100ms，能够满足薄膜太阳能电池的光响应时间长的测试要求。快门处于关闭状态时，还能使光源和太阳能电池完全隔离，防止太阳能电池因辐照时间长而温度过高，确保太阳能电池在规定的温度范围内进行测试，从而保证测试结果的准确性。多个滤光片16分别对应于各球面反射镜设置在快门的前方。散热机构17设置在支撑定位装置后的壳体上，散热机构17可以采用风扇、冷却水循环管路和液氮循环管路中的一种。为了达到标准太阳常数的辐照度，短弧氙灯的功率通常会超过lkw，需要外部强制制冷。短弧氙灯的制冷方式包括高速风冷、循环水制冷和液氮制冷等，本发明中优选采用高速风冷的方式即通过风扇制冷。本发明中的的模拟太阳光源中还设有冷却水制冷机构(未图示出来)，该冷却水制冷机构设置在快门的远离短弧氙灯的一侧对快门提供制冷。在短弧氙灯通电发光后且快门处于关闭状态时，冷却水制冷机构对快门具有散热制冷效果，可以避免快门发热严重进而影响快门的正常工作。本发明的稳态太阳模拟器的工作原理是，在对大型太阳电池组件测试时，由电源模块向氙灯提供恒流电源，在对氙灯通电数分钟后，氙灯的发光总通量保持恒定，因此，本发明实施例中的太阳模拟器具有很好的辐照稳定性和可重复性。氙灯发出的光经反射镜照射在快门上，快门及其控制系统能够实现快门的开启与关闭，进而可以实现光源对辐照面的辐照时间的控制。当快门打开时，滤光片能够对光谱进行处理和修正，以获得接近太阳光谱的模拟光线。勻光装置的作用是使光线更加均勻化，实现辐照面上的光线满足辐照均勻性的测试要求。壳体和支撑定位装置对氙灯具有固定和位置调节的作用。冷却风扇可实现 Ikw IOkw短弧氙灯的强制制冷，保证氙灯的正常工作。当测试完毕后，快门自动关闭，光线无法通过滤光片和勻光装置。由于测试时间很短，太阳能电池的温度变化仅局限在很小的范围内，不影响太阳能电池组件电性能测试的准确性。图2为本发明中的短弧氙灯陈列分布图，由一组氙灯组成的陈列可以实现设定辐照面积上的辐照强度，短弧氙灯陈列可以以不同的排列方式组合，如m行Xn列。图2(a) 的实施例给出了一组氙灯按照2行X3列的方式构成氙灯阵列。图2(b)给出了每列氙灯的对称分布，图中显示了 2个氙灯的俯仰角。图2(c)给出了每行氙灯的对称分布，图中显示了 3个氙灯的摆动角。图3为本发明中的光入射角示意图，短弧氙灯陈列中每个短弧氙灯对辐照面的光入射角度为90士 15度。图4为本发明中的氙灯的5个自由度调节示意图。氙灯的5个自由度分别包括: 沿χ轴方向的前后平移、沿y轴方向的左右平移、沿ζ轴方向的上下平移、沿y轴旋转的俯仰角转动和沿ζ轴旋转的摆动角转动。因为氙灯及其球面反射镜具有轴向对称性，因此不需要绕X轴的旋转。
权利要求
1.一种稳态太阳模拟器，其特征在于包括模拟太阳光源、电源模块和勻光装置，模拟太阳光源产生与太阳光谱接近的模拟太阳光，电源模块与模拟太阳光源相连向模拟太阳光源提供用于发光的恒流电源，勻光装置设置在模拟太阳光源的前方将不均勻的模拟太阳光整合成符合规定技术指标的均勻光投射到辐照面上。
2.如权利要求1所述的稳态太阳模拟器，其特征在于所述的模拟太阳光源包括 壳体，其内设有支撑定位装置；短弧氙灯陈列，安装在壳体内的支撑定位装置上，提供与太阳光谱接近的模拟太阳光；多个球面反射镜，分别与各短弧氙灯配套设置将对应短弧氙灯发出的光反射到指定的辐照面上；快门，设置在多个球面反射镜的前方； 多个滤光片，分别对应于各球面反射镜设置在快门的前方； 散热机构，设置在支撑定位装置后的壳体上。
3.如权利要求2所述的稳态太阳模拟器，其特征在于所述的支撑定位装置上对应于各短弧氙灯分别设有可使相应的短弧氙灯沿χ轴方向移动的前后平移机构、沿y轴方向移动的左右平移机构、沿ζ轴方向移动的上下平移机构、沿y轴旋转的俯仰角转动机构和沿ζ 轴旋转的摆动角转动机构。
4.如权利要求2所述的稳态太阳模拟器，其特征在于所述的模拟太阳光源还包括冷却水制冷机构，该冷却水制冷机构设置在快门的远离短弧氙灯的一侧对快门提供制冷。
5.如权利要求2所述的稳态太阳模拟器，其特征在于所述的球面反射镜的反射面为抛物面或椭球面。
6.如权利要求2所述的稳态太阳模拟器，其特征在于所述的快门与由计算机控制的传动装置相连。
7.如权利要求2所述的稳态太阳模拟器，其特征在于所述的散热机构选自风扇、冷却水循环管路和液氮循环管路中的一种。
全文摘要
一种稳态太阳模拟器，包括模拟太阳光源、电源模块和匀光装置，模拟太阳光源产生与太阳光谱接近的模拟太阳光，电源模块与模拟太阳光源相连向模拟太阳光源提供用于发光的恒流电源，匀光装置设置在模拟太阳光源的前方将不均匀的模拟太阳光整合成符合规定技术指标的均匀光投射到辐照面上。本发明的稳态太阳模拟器能够实现大面积辐照均匀性，满足国际标准规定的太阳光谱匹配度和辐照稳定性等指标要求，有效防止待测太阳能电池组件的严重发热的问题，可直接用于大面积薄膜太阳能电池组件的测试。
文档编号G01R31/26GK102338323SQ20101023191
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者张滢清, 朱小芳, 李红波, 祁永庆, 薛永胜 申请人:上海太阳能工程技术研究中心有限公司