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0431-81702023
LED
基 于太 阳能 的 白光 LED照 明技 术

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 .