节能新启发：太阳能LED照明

　　1　引言

　　20世纪石油、煤炭、天然气等主要能源面临资源枯竭的危险，同时加上环保压力的不断增加，提倡环保、节能已是各行各业发展的趋势所在。太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源将是21世纪最理想的新能源，而利用光伏发电技术将太阳能转化为电能是其利用的有效途径；LED（lightemittingdiode）是一种能将电能转化为可见光的半导体器件，凭其节能无污染的特点如今已运用于照明领域中，因此作为集成了太阳能光伏发电和LED固态照明优点的太阳能LED照明系统，是新一代能源和新一代光源的完美结合。

　　2　太阳能光伏发电的技术特点

　　太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件（Solarcells）利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P2N结势垒区产生一个较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动。离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低从而在外电路中产生电压和电流，实现将光能转化成电能。

　　太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，不和外部电网产生关系。并网发电系统通过光伏阵列将接收来的太阳辐射能量经过高频直流变换后变成高压直流电，然后经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏阵列首先将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中，在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成SPWM波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流220V,50Hz的正弦电压供给交流负载使用。

　　3　LED半导体照明的技术特点

　　LED是一种在P2N结上施加正向电流时能发出紫外光、可见光、红外光的半导体固体发光器件。

　　其发光机理的核心在于P2N结，当外加正向电压时，P2N结平衡被打破，P区空穴进入P2N结中和原来的一部分负离子，N区电子进入P2N结中和原来的一部分正离子，这样就使P2N结变窄，由于外加电场使P2N结电场降低，引起电子势能的减少，减少的势能则转化为电磁能，会以光子的形式释放出来。

　　电子减少的能量越多，释放的光子的能量也就越高。

　　LED释放的光的能量与电子的电量和点亮二极管的电压有关，即E=qV（J）（q=-116×10-19C）。而释放的光的峰值波长则与发光芯片所用的半导体材料有关，即：λ≈1240PEg（nm）（半导体材料禁带宽度Eg（eV）），由计算可知若产生可见光，则芯片用的半导体材料的Eg应在1160eV～3126eV之间，这是研制和选择发光不同的波长光的芯片材料的主要依据。

　　LED半导体照明光源具有广泛的优越性：使用寿命长、发光效率高、体积小重量轻、环保安全可靠等优点以外，还有一个显着优点就是由于LED启动电压和工作电压一致，所以就不需使用镇流器，这样在节省成本和相关能耗的同时，也大大缩短了通断电的响应时间。

　　4　太阳能与LED照明的结合运用

　　4.1　系统效率分析

　　太阳能光伏发电技术能与LED照明完美结合关键在于两者同为直流电、电压低并能互相匹配等特点。两者的结合不需要变频器将太阳能（PV）电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。同时借助于并网技术或可充放蓄电池，所具有的优势是显而易见的。为了能充分说明两者的匹配性，为此我们建立以下模型来进行分析，分别选择卤素灯、紧凑型荧光灯（CFL）、线形荧光灯（LFL）和LED四种光源应用于PV供电照明系统中来进行比较，对不同系统的整体效率来进行评估，以此来确定影响系统效率的因素及各种不同应用领域中最佳的系统配置方案。模型如图1所示。

　　通过建立下式对整个系统的效率进行计算：

　　将PV供电照明系统中各个部分的效率列入下表1。

　　根据上述的公式及设定的数值，可以计算出在指向性照明应用中不同光源PV供电照明系统的效率值，结果如表2所示。　从表2中可以看出使用白光LED的系统效率要比卤素灯高出一倍，与CFL基本持平，但是与LFL相比还存在一定的差距，究其原因还是由于单颗白光LED的发光效率比较低，但随着技术研究的深入，LED的发光效率正在不断迅速的提高，相信在不久将来超高亮度的LED完全能够取代LFL。

　　4.2　市场前景分析

　　太阳能LED照明产品是新一代的绿色环保照明产品，它的主要部件包括：一是太阳能光电池（PV技术）；二是半导体照明光源（LED）。

　　从1997年以来，光伏技术未来的发展前景已经被愈来愈多的国家政府和金融界（如世界银行）所认识。许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展计划，如到2010年美国计划累计安装416GW（美国能源部规划，含百万屋顶计划）；欧盟计划累计安装617GW（可再生能源白皮书）其中317GW安装在欧洲内部，3GW出口等等。预计今后的10年光伏组件的生产将以20%～30%的速度发展，到2010年全球的PV安装率达到312kMW,PV营业额也将增加到185亿美元，市场也将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡，到21世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界总发电量15%～20%,成为人类的基础能源之一。

　　同样的作为固态光源的LED发光二极管的兴起，才被认为真正点燃“绿色照明”这一口号的光辉。提出“绿色照明”这一口号是九十年代初国际上对节约能源、保护环境的照明系统的形象性说法，目前在电能的消耗中，照明用电占有很大的比例，绿色节能的照明研究应用越来越受到重视，LED就是在这样的形式下发展起来的。加之随着新材料及半导体工业技术的发展，LED尤其是白光LED的发光效率的不断提升，价格也随之在下降，利用LED特性，结合相关新技术目前已开发出适用于不同场合和用途的照明系统，可以说其在照明市场的潜力将是不可估量的，到2004年LED全球总销售额已达到3800亿美元，与2003年相比，其增长率达到36%,据预测到2008年，LED的全球总销售额将达到甚至超过6000亿美元，使其真正替代白炽灯、荧光灯等传统能源，成为新一代的绿色光源。

　　太阳能照明产品在目前虽然已经有一些厂家开发出产品，并投入实际的应用当中，但由于LED功率小的限制，其使用范围受到很大的限制。但随着高亮度LED光效的不断提高，加之人们的节能环保意识的日益加强，太阳能照明产品发挥其零度能源耗、无污染的特性，其应用领域将会不断的拓宽。

　　5　总结

　　绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。目前太阳能利用技术和半导体照明产业已经由技术开拓时期开始步入商业化阶段，涉及的产品包括路灯照明、交通指示、夜景照明、庭院装饰等，通过对系统技术特点和可行性分析的基础上，我们完全能相信集合了新一代能源和新一代光源优点的太阳能半导体照明系统定会以前所未有的速度发展，引领我们进入一个绿色节能新时代。