太阳能LED照明小知识

太阳能LED照明小知识

　　２０世纪，石油、煤炭、天然气等主要能源面临资源枯竭的危险，同时，环保压力的不断增加，使环保、节能已经成为各行各业发展的趋势。太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源，将是２１世纪最理想的绿色新能源，其利用的有效途径便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能。ＬＥＤ（Lｉｇｈｔ　Eｍｉｔｔｉｎｇ　Dｉｏｄｅ）是一种能将电能转化为可见光的半导体器件，凭借其节能无污染的特点已运用于多个行业的照明领域中，因此作为集成了太阳能光伏发电和ＬＥＤ固态照明优点的太阳能ＬＥＤ照明系统，是新一代能源和新一代光源的完美结合。

　　太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件（Ｓｏｌａｒ　Cｅｌｌｓ），利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体ＰＮ结上，由于Ｐ－Ｎ结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使Ｐ区电势升高，Ｎ区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。
　　太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，不和外部电网产生关系。并网发电系统通过光伏阵列将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏阵列首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成ＳＰＷＭ波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流２２０Ｖ，５０Ｈｚ的正弦电压供给交流负载使用。

　　ＬＥＤ是一种在Ｐ－Ｎ结上施加正向电流时能发出紫外光、可见光、红外光的半导体固体发光器件。其发光机理的核心在于Ｐ－Ｎ结，当外加正向电压时，Ｐ－Ｎ结的平衡被打破，Ｐ区空穴进入Ｐ－Ｎ结中和原来的一部分负离子，Ｎ区电子进入Ｐ－Ｎ结中和原来的一部分正离子，这样就使Ｐ－Ｎ结变窄，由于外加电场使Ｐ－Ｎ结电场降低，引起电子势能的减少，减少的势能则转化为电磁能，以光子的形式释放出来。电子减少的能量越多，释放光子的能量也就越高。ＬＥＤ释放的光能量与电子的电量和点亮二极管的电压有关，即Ｅ＝ｑＶ（Ｊ）（ｑ＝－１．６×10-19Ｃ）。而释放的光的峰值波长则与发光芯片所用的半导体材料有关，即λ≈１２４０/Ｅｇ（ｎｍ）（半导体材料禁带宽度Ｅｇ<ｅｖ>），由计算可知若产生可见光，则芯片用的半导体材料的Ｅｇ应在１．６０～３．２６ｅｖ之间，这是研制和选择发光不同的波长光的芯片材料的主要依据。
　　ＬＥＤ半导体照明光源具有广泛的优越性，除了使用寿命长、发光效率高、体积小、重量轻、环保安全可靠等优点以外，还有一个显著优点就是由于ＬＥＤ启动电压和工作电压一致，所以就不需使用镇流器。这样在节省成本和相关能耗的同时，也大大缩短了通断电的响应时间。

　　太阳能光伏发电技术能与ＬＥＤ照明完美结合的关键在于两者同为直流电、电压低并能互相匹配。两者的结合不需要变频器将太阳能（ＰＶ）电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。同时，借助于并网技术或可充放蓄电池，使所具有的优势显而易见。为了能充分说明两者的匹配性，我们建立了一个模型来进行分析。分别选择卤素灯、紧凑型荧光灯（ＣＦＬ）、线形荧光灯（ＬＦＬ）和ＬＥＤ四种光源，应用于ＰＶ供电照明系统中进行比较，对不同系统的整体效率进行评估，以此来确定影响系统效率的因素及各种不同应用领域中最佳的系统配置方案。

　　太阳能ＬＥＤ照明产品是新一代的绿色环保照明产品，它的主要部件包括太阳能光伏电池（ＰＶ技术）和半导体照明光源（ＬＥＤ）。自１９９７年以来，光伏技术未来的发展前景已经被愈来愈多的国家政府和金融界（如世界银行）所认同。许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展计划。美国计划到２０１０年累计安装４．６ＧＷ（美国能源部规划，含“百万屋顶计划”）；欧盟计划累计安装６．７ＧＷ（“可再生能源白皮书”），其中３．７ＧＷ安装在欧洲内部，３ＧＷ出口等等。预计今后的１０年中，光伏组件的生产将以２０％～３０％的速度发展，到２０１０年全球的ＰＶ安装率将达到３．２kＭＷ，ＰＶ营业额也将增加到１８５亿美元，市场也将由边远地区和农村的补充能源逐步向全社会的替代能源过渡。到２１世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界总发电量的１５％～２０％，成为人类的基础能源之一。
　　同样，作为固态光源的ＬＥＤ的兴起，真正有利于推动“绿色照明”工程。“绿色照明”是20世纪90年代初国际上对节约能源、保护环境的照明系统的形象性说法。目前在电能的消耗中，照明用电占有很大的比例，对绿色节能的照明研究应用越来越受到重视，ＬＥＤ就是在这样的形势下发展起来的。加之随着新材料及半导体工业技术的发展，ＬＥＤ尤其是白光ＬＥＤ发光的效率不断提升，价格也随之下降。利用ＬＥＤ特性，结合相关新技术开发出适用于不同场合和用途的照明系统，可以说其在照明市场的潜力将是不可估量的。到２００４年ＬＥＤ全球总销售额已达到３８００亿美元，与２００３年相比，其增长率达到３６％。据预测，到２００８年，ＬＥＤ的全球总销售额将达到甚至超过６０００亿美元，使其真正替代白炽灯、荧光灯等传统能源，成为新一代的绿色光源。
　　太阳能照明产品在目前虽然已经有一些厂家开发出产品，并投入实际的应用当中，但由于ＬＥＤ功率小，其使用范围受到很大限制。随着高亮度ＬＥＤ光效的不断提高，加之人们节能环保意识的日益加强，太阳能照明产品将发挥其零能耗、无污染的特性，其应用领域将会不断拓宽。

　　绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题。开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。目前，太阳能利用技术和半导体照明产业已经由技术开拓时期开始步入商业化阶段，涉及的产品包括路灯照明、交通指示、夜景照明、庭院装饰等，通过对系统技术特点和可行性的分析，我们相信，集合了新一代能源和新一代光源优点的太阳能半导体照明系统定会以前所未有的速度发展，引领我们进入一个绿色节能的新时代。