太陽(yáng)能LED照明

 20世紀(jì)，石油、煤炭、天然氣等主要能源面臨資源枯竭的危險(xiǎn)，同時(shí)，環(huán)保壓力的不斷增加，使環(huán)保、節(jié)能已經(jīng)成為各行各業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

太陽(yáng)能作為地球上真正取之不盡的清潔能源，將是21世紀(jì)最理想的綠色新能源，其利用的有效途徑便是利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電 能。LED(Light　Emitting　Diode)是一種能將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體器件，憑借其節(jié)能無(wú)污染的特點(diǎn)已運(yùn)用于多個(gè) 行業(yè)的照明領(lǐng)域中，因此作為集成了太陽(yáng)能光伏發(fā)電和LED固態(tài)照明優(yōu)點(diǎn)的太陽(yáng)能led照明系統(tǒng)，是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是依靠太陽(yáng)能電池組件(Solar　Cells)，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由 于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和 空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)升高，N區(qū)電勢(shì)降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠;另一類是獨(dú) 立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，不和外部電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)系。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)光伏陣列將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過(guò)高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過(guò)逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先會(huì)將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過(guò)充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中。在日照不足時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中 的能量經(jīng)過(guò)全橋逆變器后變成SPWM波，然后再經(jīng)過(guò)濾波和工頻變壓器升壓后變成交流220V，50Hz的正弦電壓供給交流負(fù)載使用。

LED是一種在P-N結(jié)上施加正向電流時(shí)能發(fā)出紫外光、可見(jiàn)光、紅外光的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。其發(fā)光機(jī)理的核心在于P-N結(jié)，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，P-N結(jié)的平衡被打破，P區(qū)空穴進(jìn)入P-N結(jié)中和原來(lái)的一部分負(fù)離子，N區(qū)電子進(jìn)入P-N結(jié)中和原來(lái)的一部分正離子，這樣就使P-N結(jié)變窄，由于外加電場(chǎng)使P-N結(jié)電場(chǎng)降低，引起電子勢(shì)能的減少，減少的勢(shì)能則轉(zhuǎn)化為電磁能，以光子的形式釋放出來(lái)。 電子減少的能量越多，釋放光子的能量也就越高。LED釋放的光能量與電子的電量和點(diǎn)亮二極管的電壓有關(guān)，即E=qV(J)(q=-1 .6×10-19C)。而釋放的光的峰值波長(zhǎng)則與發(fā)光芯片所用的半導(dǎo)體材料有關(guān)，即λ≈1240/Eg(nm)(半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg)，由計(jì)算可知若產(chǎn)生可見(jiàn)光，則芯片用的半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在1.60～3.26ev之間，這是研制和選擇發(fā)光不同的波長(zhǎng)光的芯片 材料的主要依據(jù)。

LED半導(dǎo)體照明光源具有廣泛的優(yōu)越性，除了使用壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、體積小、重量輕、環(huán)保安全可靠等優(yōu)點(diǎn)以外，還有一個(gè)顯著優(yōu) 點(diǎn)就是由于LED啟動(dòng)電壓和工作電壓一致，所以就不需使用鎮(zhèn)流器。這樣在節(jié)省成本和相關(guān)能耗的同時(shí)，也大大縮短了通斷電的響應(yīng)時(shí)間。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)能與led照明完美結(jié)合的關(guān)鍵在于兩者同為直流電、電壓低并能互相匹配。兩者的結(jié)合不需要變頻器將太陽(yáng)能(PV)電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，因此大大提高了整個(gè)照明系統(tǒng)的效率。同時(shí)，借助于并網(wǎng)技術(shù)或可充放蓄電池，使所具有的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。為了能充分說(shuō)明兩者的匹配性，我們建立了一個(gè)模型來(lái)進(jìn)行分析。分別選擇鹵素?zé)?、緊湊型熒光燈(CFL)、線形熒光燈(LFL)和LED四種光源，應(yīng)用于PV供電照明系統(tǒng)中進(jìn)行比較，對(duì)不同系統(tǒng)的整體效率進(jìn)行評(píng)估，以此來(lái)確定影響系統(tǒng)效率的因素及各種不同應(yīng)用領(lǐng)域中 最佳的系統(tǒng)配置方案。

太陽(yáng)能led照明產(chǎn)品是新一代的綠色環(huán)保照明產(chǎn)品，它的主要部件包括太陽(yáng)能光伏電池(PV技術(shù))和半導(dǎo)體照明光源(LED)。自1997年以來(lái)，光伏技術(shù)未來(lái)的發(fā)展前景已經(jīng)被愈來(lái)愈多的國(guó)家政府和金融界(如世界銀行)所認(rèn)同。許多發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃。美國(guó)計(jì)劃到2010年累計(jì)安裝4.6GW(美國(guó)能源部規(guī)劃，含“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”);歐盟計(jì)劃累計(jì)安裝6.7GW(“可再生能源白皮書”)，其中3.7GW安裝在歐洲內(nèi)部，3GW出口等等。預(yù)計(jì)今后的10年中，光伏組件的生產(chǎn)將以20%～30%的速度發(fā)展，到2010年全球的PV安裝率將達(dá)到3.2kMW，PV營(yíng)業(yè)額也將增加到185億美元，市場(chǎng)也將由邊遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村的補(bǔ)充能源逐步向全社會(huì)的替代能源過(guò)渡。到21世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將達(dá)到世界總發(fā)電量的15%～20%，成為人類的基礎(chǔ)能源之一。

同樣，作為固態(tài)光源的LED的興起，真正有利于推動(dòng)“綠色照明”工程。“綠色照明”是20世紀(jì)90年代初國(guó)際上對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的照明系統(tǒng)的形象性說(shuō)法。目前在電能的消耗中，照明用電占有很大的比例，對(duì)綠色節(jié)能的照明研究應(yīng)用越來(lái)越受到重視，LED就是在這樣的形勢(shì)下發(fā)展起來(lái)的。加之隨著新材料及半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，LED尤其是白光LED發(fā)光的效率不斷提升，價(jià)格也隨之下降。利用LED特性，結(jié)合相關(guān)新技術(shù)開發(fā)出適用于不同場(chǎng)合和用途的照明系統(tǒng)，可以說(shuō)其在照明市場(chǎng)的潛力將是不可估量的。到2004年LED全球總銷售額已達(dá)到3800億美元，與2003年相比，其增長(zhǎng)率達(dá)到36%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2008年，LED的全球總銷售額將達(dá)到甚至超過(guò)6000億美元，使其真正替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)能源，成為新一代的綠色光源。

太陽(yáng)能照明產(chǎn)品在目前雖然已經(jīng)有一些廠家開發(fā)出產(chǎn)品，并投入實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，但由于LED功率小，其使用范圍受到很大限制。隨著高亮度LED光效的不斷提高，加之人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的日益加強(qiáng)，太陽(yáng)能照明產(chǎn)品將發(fā)揮其零能耗、無(wú)污染的特性，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷拓寬。

綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題是本世紀(jì)人類面臨的重大課題。開發(fā)新能源，對(duì)現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國(guó)政府的極大重視。目前 ，太陽(yáng)能利用技術(shù)和半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由技術(shù)開拓時(shí)期開始步入商業(yè)化階段，涉及的產(chǎn)品包括路燈照明、交通指示、夜景照明、庭院裝飾等 ，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)和可行性的分析，我們相信，集合了新一代能源和新一代光源優(yōu)點(diǎn)的太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)定會(huì)以前所未有的速度發(fā)展 ，引領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)綠色節(jié)能的新時(shí)代。