JP5143631B2 - 太陽電池特性測定用の疑似太陽光生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池特性測定用の疑似太陽光生成装置に関する。

従来より太陽電池のＩ−Ｖ特性測定では、疑似太陽光を照射しそのときの太陽電池のＩ−Ｖ特性を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（非特許文献１参照）。図１に示すように、直流点灯放電ランプ点灯装置１００は、ランプと、ランプを始動（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においてランプ電流およびランプ電圧が安定するまでの時間がアーク放電への移行であり、両者が安定している時間がアーク放電の維持となる。
太陽電池のＩ−Ｖ特性測定は、ランプがアーク放電の維持を行っているときに実行されるため、このアーク放電を維持する時間は長いほうが好ましい。

なお、ランプ電流を制御する点灯装置としては、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・軽量が期待できるスイッチング方式は、応答特性が十分でない点と、大電力化が困難であることから、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池のＩ−Ｖ特性測定において、商用電源をトランスで所定の電圧にし、ダイオードで整流し、平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、回路規模が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ようなI−Ｖ特性測定性能が要求される高効率の太陽電池が発明・開発されている。この高効率の太陽電池のI−Ｖ特性測定に対応する太陽光生成装置として、従来のフラッシュ放電ランプを用いたものでは、コンデンサーの容量が小さく、アーク放電を維持する時間が非常に短くなってしまうという問題点があった。そこで、電力を蓄積するコンデンサーの容量を大きくすることにより、アーク放電を維持する時間を長くすることも考えられるが、点灯装置の回路規模が大きくなってしまい、現実的ではない。
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特性測定に必要な放射照度が一定とならず、高効率の太陽電池の正確な測定ができないという問題点があった。

上記問題点に鑑み、本発明の目的は、スイッチング電源方式を採用した上で、大電力化が可能であり、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、ランプのアーク放電を維持する時間を長くすることができる疑似太陽光生成装置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が提供される。

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ってもよい。

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てもよい。

本発明によれば、スイッチング電源方式を採用した上で、大電力化が可能であり、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、ランプのアーク放電を維持する時間を長くすることができる疑似太陽光生成装置が提供される。
つまり、疑似太陽光生成のための点灯装置に、大容量の電気二重層蓄電器を使用することにより、電源を小型化することが可能となる。また、蓄電容量の大きい電気二重層蓄電器の使用により、従来短かった点灯装置の点灯時間を必要十分な時間に延長することができる。
さらに、点灯時の照度を連続点灯で採用され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。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付すること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の説明図である。
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、電気二重層蓄電器および電力制御回路２０、スイッチング方式昇圧電源回路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から構成されている。

ここで、スイッチング方式昇圧電源回路３０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、負荷用平滑コンデンサー３８により構成されている。また、制御回路７０は、充放電・電圧・電流および光量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力制御回路２０に接続している。電気二重層蓄電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灯する。ここで、フラッシュランプ５０を点灯させるための電気回路上にはスイッチング方式昇圧電源回路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（下流部でもよい）、電流検出器６０はフラッシュランプ５０の下流部（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は電気二重層蓄電器および電力制御回路２０の上流部及び下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、電気二重層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を制御している。一方、アンプ出力制御回路４５は、電気二重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、つまりフラッシュランプ５０がアーク放電の維持を行っている場合に関するため、アーク放電への移行を行うイグナイタ（フラッシュランプ点灯用トリガー回路）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置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、商用電源１１に接続される充電電源１２から、電気二重層蓄電器および電力制御回路２０に電力が供給され、充電が行われる。そして、電気二重層蓄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圧電源回路３０を制御し、所定の電圧を平滑コンデンサー３８に蓄電させ、フラッシュランプ５０の点灯準備が完了する。

そして、フラッシュランプ５０の点灯が起動されると、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電力制御回路２０から放電される電流によって行われる。さらに、アーク放電の維持を継続するために、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の測定値を随時測定し、制御回路７０が受け取るその電流測定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ッシュランプ５０へ流れる電流を上昇させ、定電流となるように制御が行われる。なお、本実施の形態においては、過渡応答に対応するために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の間に設けることとしている。

また、制御回路７０は、発光光量検出センサー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の光量が少ないと判断される場合には、スイッチング用素子３６を制御することで、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における定電流の値は、光量制御において、フラッシュランプ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、アーク放電の維持が継続している間において、フラッシュランプ５０は所定の時間点灯し、その所定の時間経過後には電気二重層蓄電器および電力制御回路２０からの電力供給は制御回路７０によって停止され、フラッシュランプ５０の点灯が完了する。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について図面を参照して説明する。フラッシュランプ５０の上流（スイッチング方式昇圧電源回路３０の下流）に設けられたＤ級アンプ回路４０は、スイッチング方式電源の過渡応答が遅いことへの対策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級アンプ回路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の負荷用コンデンサー３８の電荷がフラッシュランプ５０（負荷）に流入し、過大電流が流れてしまう恐れがある。定電流動作時には、負荷電圧が低い状態から高い状態（負荷インピーダンス上昇）となり、電圧の上昇が遅くなる。また、定電圧動作時には、負荷電流が急に減少した時は、過大電圧が生じてしまう。さらに、過渡時における大エネルギーが負荷を破壊、劣化させる恐れや、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４０はＧＡＴＥ−ＤＲＩＶＥ ＡＭＰＬＩＦＩＥＲ４２と二つのＭＯＳＦＥＴ４３によって構成される。
Ｄ級アンプ回路４０は上述した問題点を解消するため、スイッチング方式昇圧電源回路３０から出力される電圧を入力し、アンプ出力制御回路４５からの制御に従ってフラッシュランプ５０への電圧を制御する。

ここで、アンプ出力制御回路４５は、フラッシュランプ５０（負荷）に過大電流、過大電圧がかからないように、Ｄ級アンプ回路４０の出力を制御する回路であり、一般的に広く知られているデジタルシグナルプロセッサのようなマイクロプロセッサで構成することもできる。具体的制御としては、電気二重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、発光光量検出センサー８０から出力される光量情報から、過渡応答を予測し、Ｄ級アンプ回路４０の出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電源の過渡応答を部分的に受け持つことで、Ｄ級アンプ回路４０の電力消費を最小限にし、スイッチング方式電源を、過渡特性をさほど問題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を防止でき、また、電流の吸い込み性があるため、オーバーシュートを抑えることができる。負荷用平滑コンデンサー３８を、目的とする最大電圧にし、Ｄ級アンプ回路４０で吸い込みのある１、２、３象限型定電圧定電流特性で安定した制御が行われる。
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したが、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れた思想の範疇内において、各種の変更例また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囲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、フラッシュランプ５０に供給される電流およびフラッシュランプ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、フラッシュランプ５０の光量を一定に制御することとしている。
しかし、フラッシュランプ５０の光の放射照度は、照射全域で比例していない。これは発光光量検出センサー８０がフラッシュランプ５０の照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例した信号で光量全体を制御し、放射照度の安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を設けた場合を説明する説明図である。このとき、低反射率ミラー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はフラッシュランプ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サー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の光は、低反射率ミラー９２により反射され、集光レンズ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。検出された光量情報は制御回路７０へ送られ、光量情報に基づいて、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のスペクトル分布は、時間的に変動する。この変動は全領域負帰還でも安定させることはできない。そのため、太陽電池出力に変動が生じてしまう恐れがある。そこで、光量検出の際の分光感度と、測定対象物（ここでは太陽電池９０）の分光感度とをほぼ同等にし、負帰還をかけることによりスペクトル変動の影響を最小限にすることが好ましい。

具体的な方法としては、上記実施の形態において、発光光量検出センサー８０の代わりに太陽電池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において検出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とも考えられる。この場合に、発光光量検出センサー８０は、該フィルターを介して太陽電池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から放射される光は、反射屈折を利用して光学的に照射領域に導かれる。そのため、照射域に導くことが困難な光束が無駄となってしまう。そこで、無駄になってしまう光束を光ファイバーに集光して光路を変えることで照射域へと導くことが望ましい。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と太陽電池９０の間には反射集光ミラー１１０が設けられ、また、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の光を透過させる構造となっており、また、光ファイバーの先端出力方向は、太陽電池９０の方向である。

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ことが困難な光束２０２（図６における一点鎖線矢印）は反射集光ミラー１１０によって反射し、その光束２０２はファイバー受光器１２５へ集光される。ファイバー受光器１２５には光ファイバー１２０が接続されており、集光された光は、光ファイバー１２０の先端より出力される。光ファイバー１２０から出力される光の方向は制御可能であり、その光は太陽電池９０において照射光量の少ない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ンプ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陽光生成装置に適用できる。

直流点灯放電ランプ点灯装置１００を表す説明図である。 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。 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図である。 低反射率誘電体ミラー９２および凸面反射集光レンズ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説明図である。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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または２に記載の疑似太陽光生成装置。
   

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