摘 要:阐述了基于太阳能的白光 LED照明技术原理,通过介绍太阳能光伏发电LED照明应用系统中的3个典型例子,分析
了在系统设计 中需要考虑和注意的问题 ,并针对 当前设计 中普遍存 在 的一些 问题 ,提 出了若干相应 的解决办法 ,最后指 出在
今后太阳能 LED照明技术的发展中 ,应该 尤其加强太阳能 PV和 LED照 明的技术配合 ,注 重系统设计 的整体匹配 .
关键 词:白光 LED;光伏发 电;绿 色照明 ;节能
近几年来 ,白光二极管(WLED)已被广泛地应
用到各领域 中.从最初的信号指示 、数码显示 以及红
外线 LED等应用 ,到现阶段的景观照明、装饰照明、
室内照明以及矿灯 、交通灯 、汽车车灯等各种特殊照
明场合 ,白光 LED凭借 其亮度 高、功耗低 、可靠性
高、使用寿命长 、性价 比高 以及使用成本低等特点 ,
成为未来照明领域中一个最有潜力的选择 .
由于 LED光源是使用直流电流 ,且工作电压较
低,利用常规供电系统 (交流电220V,380V等)作为
LED的电源时,必须先将 电源转换成低压直流电才能
使用,这不仅增加了照明系统成本,又降低 了能源 的
利用率.太 阳能 LED照明是利用太阳能电池提供电
源、以U、』]作为光源的组合,太阳能电池直接将光能
转化为直流电能 ,且太 阳能 电池组件可以通过串、并
联的方式任意组合,来得到实际需要的电压.这些特
点恰恰是与 LED匹配而传统供电系统所无法比拟
的.将太阳能电池与 LED结合 ,将无须任何的逆变装
置进行交 、直流转换,因此太 阳能 LED照明系统将获
得很高的能源利用率、安全性和可靠性.
同时,太 阳能取之不尽 ,清洁安全 ,是理想 的可
再生能源.经过半个世纪的发展 ,目前太阳能光伏发
电(pv)技术 已日趋成熟 ,是最具可持续发展的可再
生能源技术之一.据统计 ,我国 2/3以上国土面积的
年 日照时问在 2200h以上 ,年辐射总量在 5.02GJ/
H12以上,太 阳能资源丰富.
由此看 出,太 阳能 LED照明集成 了太阳能与白
光 LED的优点,白光 LED照明与太阳能 PV技术
的结合是实施绿色照明、节约照明电能、保护全球环
境的有效途径 ,是未来最具发展前景 的高新技术领
域 .
1 白光 LED照 明原理
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段 ,所 以
发光效率高 ,节能灯 可节能 4/5,但 LED 比节能灯
还要节能 1/4,这使得 固体光源的发展迈上一 个新
台阶.1998年发 白光的 LED开发成功 ,使 LED在
照明领域 中的应用成为可能 ,是新 一代 主流照 明光
源 .
LED的发光原理是利用半导体 中的电子和空
穴相结合而发出光子 ,与传统使用 电阻加热发光 的
灯泡,或者真空管放 电的 日光灯从根本上是不同的.
半导体发光二极管(U )利用注入 PN结的少数载
流子与多数载流子复合 ,从而发出可见光 ,是一种直
接把电能转化为光能的发光器件 .发光二极管的结
构主要由 PN结芯片、电极和光学系统组成 .当在 电
极上加上正 向偏压之后 ,使 电子和空穴分别注入 P
区和 N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合
时,就会 以辐射光子 的形式将多余 的能量转化为光
能.其发光过程包括 3个部分 :正向偏压下 的载流子
注入 、复合辐射和光能传输 .
目前 LED不能直接发出 白光.LED产生 白光主
要有 2种途径 :第一种是将红 、绿、蓝三色 LED组合
产生白光;第二种是在 LED芯片上涂敷荧光粉 ,LED 芯片本身发出一定颜色的光 ,一部分用于激发涂敷在
其上面的荧光粉 ,另一部分与荧光粉发出的光混合产
生 白光.图 1出示了这种白光 LED的结构.
2 太阳能 PV技术原理
20世纪 50年代 ,在美 国贝尔实验室首次制成
了实用的单晶硅太 阳电池 ,诞生 了将太阳光能转换 为电能的实用光伏发电技术 .太 阳电池工作原理的
基础是半导体 PN结 的光生伏打效应 ,就是 当物体
受到光照时 ,物体 内的电荷分布状态发生变化而产
生电动势和电流的一种效应 .即当太阳光或其他光
照射半导体 的 PN结时 ,就会 在 PN结的两边出现
电压 ,叫做光生电压 ,使 PN结短路 ,就会产生电流 ,
见图 2.太 阳光发电是指无需通过热 过程直接将 光
能转变为电能 的发 电方式.它包括光伏发电、光化学
发电、光感应发电和光生物发电.光伏发电是利用太
阳能及半导体电子器件有效地吸收太 阳光辐射能 ,
并使之转变成电能 的直接发电方式 ,是 当今太 阳光
发电的主流.
3 光伏照 明系统设计
随着发光二极管技术 的高速发展 ,尤其是 白光
二极管 的高 效特性 ,太 阳能光 伏发 电 系统 与 白光
LED灯结合的照明系统 已成为照 明节能的新途径 .
目前,太 阳能光伏发电 LED照明应用系统 中典型的
例子有太阳能草坪灯 、太 阳能信号灯和太 阳能半导
体路灯及太阳能室内半导体照明系统等 .
太阳能半导体照明系统如图 3所示 ,由太阳能电
池组件、控制器、蓄 电池 、LED光源 4部分组成 .太 阳
能半导体照明系统的工作原理,是 白天通过太阳能电
池给蓄电池充 电,供晚上或 白天 LED光源负载使用.
以下介绍几种应用太阳能 LED照明系统的实例.
3.1太 阳能 LED路灯
太阳能路灯采用太 阳电池作为唯一 的供电源 ,
该路灯 系统通 常 由太 阳能 电池组 件部分 (包 括支
架)、LED灯头、控 制箱(内有控制器 、蓄电池 )和灯
杆几部分构成 ,见图 4.
该系统工作原理简单 ,白天太阳能电池板接收太
阳辐射能并转化为电能输出,经过充放电控制器储存
在蓄电池中,夜晚当照度逐渐降低至 101lx左右 ,太
阳能电池板开路电压 4.5V左右 ,充放电控制器侦测
到这一电压值后动作,蓄电池对灯头放电.蓄电池放
电 8.5h后,充放电控制动作,蓄电池放电结束.
太阳能路灯的设计与一般 的太阳能照明相 比,
基本原理相同,但是需要考虑的环节更多 ,主要分以
下几个方面 :
(1)太 阳能电池组件选型
根据设计要求 ,负载输入电压及功耗 ,每天工作
时数 ,保证连续阴雨天数等来计算所需太 阳能电池
组件的总充电电流和最小功率数.
(2)蓄电池的选型
蓄 电池 的设计容量应根据负载 日耗 电量来计
算 ,一般要遵循以下原则 :首先在能够满足夜晚照明
的前提下 ,把 白天太 阳能电池组件的能量尽量存储
下来,同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明
需要的电能.蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明
的需要 ,蓄电池容量过大 ,一方面蓄电池始终处在亏
电状态 ,影响蓄电池寿命 ,同时造成浪费 .
(3)太 阳能电池板的倾角设计
如果采用计算机辅助设计软件 ,应 当进行太 阳
电池方阵倾角的优化计算 ,要求在最佳倾 角时冬天
和夏天辐射量 的差异尽可能小 ,而全年总辐射量尽可能大 ,二者应 当兼顾.
如果不用计算机进行倾角优化设计 ,也可以根
据当地纬度由下列关系粗略确定 固定太 阳电池方阵
的倾 角:纬度 0。~25。,倾角 等于纬 度;纬度 26。~
40。,倾角等于纬度加 5。~10。;纬度 41o~55。,倾角
等于纬度加 10。~15。;纬度 >55。,倾角等于纬度加
15。~ 20。.
4)充放电控制器
太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池.
通过对它的充放电条件加以限制 ,来防止蓄电池过充
电及深度放电,基本功能必须具备反充保护 、过充保
护 、过放保护、光控时控与温度补偿等.另外,由于太
阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,光伏发电系
统中对蓄电池充电的控制要 比普通蓄电池充电的控
制要复杂些.在选用器件上,目前有采用单片机的,也
有采用比较器的,方案较多 ,各有特点和优点.
在美观和节能二者之间,应优先选择节能.如将
太阳能电池板水平 放置,太 阳能 电池的输 出功率将
减少 15%~20%,如果在太 阳能电池上面加一个外
罩 ,太阳能电池 的输 出功率将减少 5%左右 .
3.2 太 阳能草 坪灯
太 阳能草坪灯主要利用太阳电池的能源来进行
工作 ,当白天太阳光照射在太阳电池上 ,把光能转变
成电能存贮在蓄电池中,再 由蓄 电池在 晚问为草坪
灯的 LED提供电源 .具有安全 、节能 、方便 、环保等
优 点 .
LED寿命长 ,可 达到 10 h以上,工作电压低 ,
非常适合应用在太阳能草坪灯上.目前 LED技术 已
经经历 了其关键 的突破 ,其特性有很大提高 ,性价 比
也有较大的提高 .另外 ,LED 由低压直流供 电,其光
源控制成本低 ,可以实现亮 度调节 、频繁开关 ,且不
会对 LED的性能产生不 良影响.还可以方便地控制
颜色,改变光的分布 ,产 生动态幻景 ,因此它特别适
合用在太 阳能草坪灯上.
目前太 阳能草 坪 灯 大 多数 采 用超 高 亮 白光
LED,但是在 20mA下超 高亮 白光 LED光通维持
率达到初始强度 50%的时间(即寿命)不到 10 h,复
旦大学电光源所曾经证 明了上述论点.故 目前 LED
光源更多地局 限用于低档 ,使用年限仅 1~2年的太
阳能草坪灯,或者是 1W 以下 的太 阳能草坪灯 .对
于 1W 以上的太 阳能草坪灯 ,三色基色高效节能灯
比 LED光源 的性价 比更高 .若太 阳能草坪灯用 30~ 40只超高亮 白光 LED,输入功率 2w 以上 ,在这
种情况下 ,如果使用三色基色高效节能灯 ,价格只是
LED的 1/10,光通量为原来 的 4倍 .因此有调节明
暗、频繁开关功能的 1W 以下 的小功率太阳能草坪
灯 ,一般应该使用 LED作为光源.并且在使用超高
亮 白光 LED时特别要注意光通维持率问题 ,否则容
易引发事故 .而对于功率较大 的太阳能草坪灯 ,目前
使用三色基色高效节能灯 比较合理.但是随着 LED
技术的进步 ,其价格下降、光通和光效提高 、实际寿
命与理论寿命的接近都只是时间的问题,LED光源
必将在照明领域 中显示出其无可比拟的优越性 .
3.3 太 阳能 室 内建 筑照 明
建筑照明系统 中,如果将屋顶闲置空问和就
近太阳能利用起来 ,就能成为节能又环保 的有效照
明途径 .随着固态照 明技术在过 去几年 中的高速发
展 ,市场上一些白光 LED已经能做到光效超过 301
m ,这其中还包 括驱 动损耗 ,其光效是普通 白炽
灯的 2倍.再者 ,LED直流低电压工作的特点 ,使它
成为太阳能利用 的最佳组合.因此 ,对于研制和设计
有效的光伏发电室 内照明系统 ,白光二极管是一个
最有潜力的选择 .图 5是建筑物中太阳能 LED照明
系统示 意 图L2].
4 太 阳能 LED照明 目前存在 的问题
近几年来 ,太阳能 LED灯具照明产品由于环保
节能的双重优势 ,在景 观照 明、交通照 明、建筑照明
以及其他各种特殊照明方面的应用 已经逐渐形成规
模l3J,但也暴露 出一些关 键 的问题 ,主要有 以下几
点 :
(1)在光伏发电应用的过程中 ,不少产品由于没
有按照光伏发 电的工作特点和运行规 律来进行设 计 ,往往使系统无法长期正常地运行 ,在太 阳电池 、
蓄电池及负载的匹配设计上不够严密 ,也使产 品的
可靠性大大降低.
(2)一 味地 注重灯具外形 的美 观 ,忽 略性 能匹
配 ,人为地造成 了对金钱和资源的浪费 .
(3)太阳能照明与传统灯具相 比有许多优点 ,但
是价格昂贵使其成为推广应用的瓶颈 ,因此如何降
低太阳能灯 的成本是一个重要 的课题 .如果可以分
时 、分压进行控制 ,根据夜晚不同时间段 ,人们对照
度的不同要求 ,控制太阳能灯的输入功率 ,以及根据
太阳能电池 白天吸收能量的大小 ,控制太 阳能灯的
输入功率 ,达到用最小成本设计出能够满足最恶劣
气象条件下人们对太 阳能灯的最基本要求 ,就可以
成为降低成本 ,解决问题的一个好办法.
(4)太 阳能光伏发 电技术以及 LED光源技术有
待提高.太阳能 LED照 明技术的发展取决于太阳电
池组件的光电转换效率的提高和成本的降低 ;取决
于与之相应 的 LED照明光源和灯具的研发开发 ,以
及先进 的变换 、控制系统的研究与开发l4 J.
5 结 束 语
太 阳能光伏供电技术是解决能源和环境问题的
有效途径,太 阳能 LED照 明集成 了太 阳能与 LED
的优点 ,作为一种方兴未艾的新型节能照明方式 ,展
现着无穷的生命力和广 阔的前景.本文结合 目前常
见的 3种照明实例 ,分析了在太阳能 LED照明系统
设计 中需要考虑和注意 的问题 ,指 出了在现今太阳
能 LED照明系统中普遍存在的几个问题 .今后 的太
阳能 LED照 明技术 必须 立足于 降低 成本 、提 高效
率 、注重整体匹配以及灵活的控制操作系统等方面,
一 些关键技术仍需要进一步的研究和解决 .