節(jié)能新啟發(fā)：太陽能LED照明

　　1　引言

　　20世紀石油、煤炭、天然氣等主要能源面臨資源枯竭的危險，同時加上環(huán)保壓力的不斷增加，提倡環(huán)保、節(jié)能已是各行各業(yè)發(fā)展的趨勢所在。太陽能作為地球上真正取之不盡的清潔能源將是21世紀最理想的新能源，而利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能是其利用的有效途徑；LED（lightemittingdiode）是一種能將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體器件，憑其節(jié)能無污染的特點如今已運用于照明領(lǐng)域中，因此作為集成了太陽能光伏發(fā)電和LED固態(tài)照明優(yōu)點的太陽能LED照明系統(tǒng)，是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合。

　　2　太陽能光伏發(fā)電的技術(shù)特點

　　太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件（Solarcells）利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P2N結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生一個較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運動。離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化成電能。

　　太陽能光伏發(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)通過標準接口連接，像一個小型的發(fā)電廠；另一類是獨立式發(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)通過光伏陣列將接收來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流變換后變成高壓直流電，然后經(jīng)過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。而獨立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中，在日照不足時，儲存在蓄電池中的能量經(jīng)過全橋逆變器后變成SPWM波，然后再經(jīng)過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載使用。

　　3　LED半導(dǎo)體照明的技術(shù)特點

　　LED是一種在P2N結(jié)上施加正向電流時能發(fā)出紫外光、可見光、紅外光的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。

　　其發(fā)光機理的核心在于P2N結(jié)，當外加正向電壓時，P2N結(jié)平衡被打破，P區(qū)空穴進入P2N結(jié)中和原來的一部分負離子，N區(qū)電子進入P2N結(jié)中和原來的一部分正離子，這樣就使P2N結(jié)變窄，由于外加電場使P2N結(jié)電場降低，引起電子勢能的減少，減少的勢能則轉(zhuǎn)化為電磁能，會以光子的形式釋放出來。

　　電子減少的能量越多，釋放的光子的能量也就越高。

　　LED釋放的光的能量與電子的電量和點亮二極管的電壓有關(guān)，即E=qV（J）（q=-116×10-19C）。而釋放的光的峰值波長則與發(fā)光芯片所用的半導(dǎo)體材料有關(guān)，即：λ≈1240PEg（nm）（半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg（eV）），由計算可知若產(chǎn)生可見光，則芯片用的半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在1160eV～3126eV之間，這是研制和選擇發(fā)光不同的波長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：使用壽命長、發(fā)光效率高、體積小重量輕、環(huán)保安全可靠等優(yōu)點以外，還有一個顯著優(yōu)點就是由于LED啟動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，也大大縮短了通斷電的響應(yīng)時間。

　　4　太陽能與LED照明的結(jié)合運用

　　4.1　系統(tǒng)效率分析

　　太陽能光伏發(fā)電技術(shù)能與LED照明完美結(jié)合關(guān)鍵在于兩者同為直流電、電壓低并能互相匹配等特點。兩者的結(jié)合不需要變頻器將太陽能（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照明系統(tǒng)的效率。同時借助于并網(wǎng)技術(shù)或可充放蓄電池，所具有的優(yōu)勢是顯而易見的。為了能充分說明兩者的匹配性，為此我們建立以下模型來進行分析，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)中來進行比較，對不同系統(tǒng)的整體效率來進行評估，以此來確定影響系統(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。模型如圖1所示。

　　通過建立下式對整個系統(tǒng)的效率進行計算：

　　將PV供電照明系統(tǒng)中各個部分的效率列入下表1。

　　根據(jù)上述的公式及設(shè)定的數(shù)值，可以計算出在指向性照明應(yīng)用中不同光源PV供電照明系統(tǒng)的效率值，結(jié)果如表2所示?！谋?中可以看出使用白光LED的系統(tǒng)效率要比鹵素?zé)舾叱鲆槐?，與CFL基本持平，但是與LFL相比還存在一定的差距，究其原因還是由于單顆白光LED的發(fā)光效率比較低，但隨著技術(shù)研究的深入，LED的發(fā)光效率正在不斷迅速的提高，相信在不久將來超高亮度的LED完全能夠取代LFL。

　　4.2　市場前景分析

　　太陽能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：一是太陽能光電池（PV技術(shù)）；二是半導(dǎo)體照明光源（LED）。

　　從1997年以來，光伏技術(shù)未來的發(fā)展前景已經(jīng)被愈來愈多的國家政府和金融界（如世界銀行）所認識。許多發(fā)達國家和地區(qū)紛紛制定光伏發(fā)展計劃，如到2010年美國計劃累計安裝416GW（美國能源部規(guī)劃，含百萬屋頂計劃）；歐盟計劃累計安裝617GW（可再生能源白皮書）其中317GW安裝在歐洲內(nèi)部，3GW出口等等。預(yù)計今后的10年光伏組件的生產(chǎn)將以20%～30%的速度發(fā)展，到2010年全球的PV安裝率達到312kMW,PV營業(yè)額也將增加到185億美元，市場也將逐步由邊遠地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過渡，到21世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將達到世界總發(fā)電量15%～20%,成為人類的基礎(chǔ)能源之一。

　　同樣的作為固態(tài)光源的LED發(fā)光二極管的興起，才被認為真正點燃“綠色照明”這一口號的光輝。提出“綠色照明”這一口號是九十年代初國際上對節(jié)約能源、保護環(huán)境的照明系統(tǒng)的形象性說法，目前在電能的消耗中，照明用電占有很大的比例，綠色節(jié)能的照明研究應(yīng)用越來越受到重視，LED就是在這樣的形式下發(fā)展起來的。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的發(fā)光效率的不斷提升，價格也隨之在下降，利用LED特性，結(jié)合相關(guān)新技術(shù)目前已開發(fā)出適用于不同場合和用途的照明系統(tǒng)，可以說其在照明市場的潛力將是不可估量的，到2004年LED全球總銷售額已達到3800億美元，與2003年相比，其增長率達到36%,據(jù)預(yù)測到2008年，LED的全球總銷售額將達到甚至超過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，并投入實際的應(yīng)用當中，但由于LED功率小的限制，其使用范圍受到很大的限制。但隨著高亮度LED光效的不斷提高，加之人們的節(jié)能環(huán)保意識的日益加強，太陽能照明產(chǎn)品發(fā)揮其零度能源耗、無污染的特性，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩嗟耐貙挕?/font>