建筑照明节能新途径—太阳能驱动LED

引言

　　太阳能光伏发电系统已经出现很多年了，但是由于其初期投入高，在建筑照明系统中还没有得到广泛应用。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LED灯结合的照明系统将成为建筑照明节能的新途径。

　　1 光伏发电原理

　　作为世界第二大能源消费国，我国政府一直高度重视能源和节能工作，早在20世纪80年代初就提出了“能源开发与节约并重，把节约放在优先位置”的方针，将节能纳入国家经济和社会发展计划。解决中国的能源问题，一方面要开源，加大国内能源勘探开发力度；另一方面要节流，必须坚持节约优先，大幅度提高能源利用效率，加快建设节约型社会。

　　上个世纪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。

　　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。时下，人们通常所说太阳光发电就是太阳能光伏发电（PV），亦称太阳能电池发电。

　　2 固体发光原理

　　近年来，固态照明得到了快速发展。固态照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技术，目前主要包含半导体照明的发光二极管（LED）和有机物发光二极管（OLED）。LED 灯作为照明光源，其优越性在于：光电转换效率高，低压供电，使用寿命长，既可以有选择地发出单色光，也可以高效地发出白光，所以可以大大节约电能。半导体发光二极管（LED）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。其发光过程包括三个部分；正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。发光二极管有许多的优点：工作电压低，耗电量少；性能稳定，寿命长（一般为10万到1000 万h）；抗冲击，耐振动性强；重量轻，体积小，成本低。

　　LED要替代传统照明光源，必须要能发出白光，而目前LED不能直接发出白光。LED产生白光主要有两种途径：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。

　　3 光伏照明系统设计

　　太阳能光伏发电是缓解能源短缺的新路子。事实上，我国自20世纪70年代已开始探索太阳能光伏发电技术，但真正要有效果必须在两个方面有所突破：一方面要利用广阔的荒漠发展大型光伏并网发电系统；另一方面要向屋顶进军即将那些闲置的空间和就近太阳能资源利用起来，推出一个中国的太阳能“屋顶计划”。

　　目前，太阳能光伏发电照明应用系统中的典型部件包括光伏矩阵板、电池、电网、动力调节单元，交流负载中心、直流/交流变换器、交流/直流变换器、直流电流调节器、光源和泛光灯。系统结构可能只包括其中的几个部分，这主要取决于光源和不同的应用需求。

　　光伏发电照明系统主要有三种结构类型，包括独立系统，并网系统和混合系统，如图1所示。

　　独立系统常见于居民区路灯、停车场标志灯和电网公共照明系统，它们通常需要电池，所以有很高的存储修复损耗和维护费用。并网系统不需要电池，但是它们要连接到电网上，并且当从光伏矩阵板中采集的太阳能不能满足于装置需求时，系统就会从电网吸取电能。在并网系统中为了将光伏矩阵板中输入能量和从公共网中输入能量混合，我们需要直流负载还是交流负载，是需要动力单元还是交流负荷中心，这些都取决于负载的种类。

　　最好的情况是，当光伏矩阵板发出的能量超过需求时，一些并网系统能够将能量反馈到电网。混合系统将很多电力产品和储能元件结合起来，以此来满足能量需求，例如，将并网系统与备份电池相连。这样系统虽然复杂昂贵，但是可靠性提高，尤其是连接到公共电网的时候。固态照明技术在过去的几年中得到了高速发展。市场上一些白光LED已经能做到每瓦功效超过25lm，这包括驱动损耗，其功效是普通白炽灯的两倍。再有，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照明系统，白光二极管是一个最有潜力的选择。图2 是建筑物中光伏LED节能照明系统示意图。

　　4 结语

　　在今后的十几年中，太阳能电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。太阳能光伏供电技术是解决21世纪能源和环境问题的有效途径。常规能源面临枯竭，可再生能源将成为能源消费的主流。

　　新材料及半导体技术的飞速发展，使得LED尤其是高亮度白光LED的发光效率不断提升，当白光LED光效达到200lm/W，并且单灯成本小于28元时，LED光源完全可以取代传统光源在各种照明领域中的应用。

　　随着我国对可再生能源的重视和投入、国家半导体照明工程的开展，太阳能光伏发电系统和LED照明系统将会很快进入我们的建筑物。今后的照明系统将是新一代的能源（PV）和新一代光源（LED）的完美结合