超高亮白光LED在太阳能灯具中的应用 能源, 开发

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0  引言
　　太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的、是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超高亮白光LED 照明光源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面均有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED 灯具的触角就会到达。
　　1  超高亮白光LED
　　1. 1  发光原理
　　超高亮度LED （UHB） 是指光效达到或超过100lm/W的LED.LED 外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是P -N 结，在半导体P -N 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体P -N 结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一LED 芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光LED 通常是在发射蓝光的InGaN 基材上涂荧光材料， 荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光， 蓝光和黄光的混合物形成白光。
　　1. 2  工作特性
　　由于LED 是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。超高亮白光LED 应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LED 发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LED 或平光型与束光型超高亮LED 组合使用，将多个LED 集中于一起，排列组合成一定规则的LED 发光源。
　　超高亮白光LED 发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17. 5 mA.
　　超高亮白光LED 发光源具有如下优点：
　　（1） 寿命长。LED 的寿命长达10 万h ,而白炽灯的寿命一般不超过2 000 h ,荧光灯的寿命也不过5 000 h左右。
　　（2） 效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED 的功耗只有前者的10 %~20 %.
　　（3） 绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED 不含汞、无频闪，是一种环保光源。
　　（4） 耐低温。环境使用温度在- 40 ℃~80 ℃，环境适应性非常强。
　　2  超高亮白光LED 在太阳能灯具中的应用
　　2. 1  太阳能LED 灯具的原理

图1  太阳能灯具结构框图

　　太阳能LED 灯具在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，在晚上点亮LED 用于照明，是现代化绿色环保节能产品。
　　具有智能控制系统，全天候供电无需管理人员。在系统设计时考虑连雨天气，把平时多余的电能储存到蓄电池内，确保用于阴雨天有足够的电能使用。
　　如图1 所示，详细原理为：用太阳能电池光伏板将太阳光转换的电能，通过智能太阳能控制器转存在蓄电池组中，当自然光照度降到需要照明光源时，经过智能控制器比较电路再将蓄电池中的电能输出给LED 发光源发出可见光。当自然光照度升高到不再需要照明光源时，再经过智能控制器比较电路关断输出给LED 发光源的电源，使LED 发光源不再发光耗能。
2. 2  太阳能LED 灯具的主要技术
　　1） 智能太阳能控制器： 采用的是低功耗CMOS元件组成的控制电路，这种电路完全是由硬件组成的控制系统，这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，同时器件的选择可靠，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。本系统采用直接耦合方式的充放电控制器电路，根据LED 同蓄电池的匹配特性，能够做到功率自适应，在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也会更亮。
　　2） 太阳能LED 发光源：在太阳能LED 灯具中，发光源所用的LED 数量，从1 个到上千个不等，一定数量的LED 组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在LED 排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LED 的发光效率，并使得单位面积LED 的数量少以降低成本。
　　2. 3  太阳能LED 灯具的性能指标

表1  太阳能LED 灯具的主要性能指标

　　2. 4  应用实例
　　太阳能LED 灯具以其不用专人管理和控制， 一次性投资安装无需日后电费开支， 无需架设输电线路或挖沟铺设电缆， 还有其独特的高亮度低成本等特点可以方便安装在广场、校园、公园、街道等。
　　国内众多太阳能灯具生产厂家在发光源上主要推广的是太阳能低压节能灯系列，而低压节能灯在原理上需经高频高压振荡产生脉冲而发光，所以在直流逆变过程中，不可避免的要产生过多的无效功耗，从而提升了整体太阳能灯具的功率消耗，另外节能灯的发光效率远不如LED ,故在同等亮度同等阴雨天保证时间的前提下，太阳能节能灯系列灯具的成本要比太阳能LED 系列灯具的成本高出50 %以上，而发光源使用寿命比太阳能LED 系列灯具低70 % ,故太阳能LED 系列灯具是有明显市场竞争力的。
　　目前，采用前文所述的太阳能LED 灯具已在保定、北京、河南郑州等地建立了示范工程，进一步在内蒙、陕西等地广泛应用，它高亮度、低成本的特点得到了社会及消费者的认可。如：太阳能LED 灯具产品之一的柱式光源耗能仅3. 5 W左右，但所发出的光的亮度已达到了20 W节能灯或40 W白炽灯的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太阳能，使用太阳能电池的容量只需要12 W,12V/ 24 Ah 的蓄电池组就已经能够保证此种LED 发光源在5 个阴雨天持续有效工作，而20 W节能灯要想在同等条件下正常工作，太阳能电池容量最少要达到70 W以上，蓄电池组也要到达70 Ah 以上，而且超高亮LED 平均使用寿命10 万小时，使用期最少在10 年以上， 而节能灯的使用寿命仅为8 000 ~10 000 h.
　　3  结论
　　21 世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED 为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后，随着各国政府的高度重视和加大投入，LED 必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。太阳能LED 灯具以其优越的节能效果、人文的光源照明控制，倍受客户青睐，其性价比已与工频交流电灯具基本持平，易于客户接受，所以只要太阳能充足的地方就有太阳能开发应用的市场。