太陽能LED照明小知識

　　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，環保壓力的不斷增加，使環保、節能已經成為各行各業發展的趨勢。太陽能作為地球上真正取之不盡的清潔能源，將是２１世紀最理想的綠色新能源，其利用的有效途徑便是利用光伏發電技術將太陽能轉化為電能。ＬＥＤ（Lｉｇｈｔ　Eｍｉｔｔｉｎｇ　Dｉｏｄｅ）是一種能將電能轉化為可見光的半導體器件，憑借其節能無污染的特點已運用于多個行業的照明領域中，因此作為集成了太陽能光伏發電和ＬＥＤ固態照明優點的太陽能ＬＥＤ照明系統，是新一代能源和新一代光源的完美結合。

　　太陽能光伏發電是依靠太陽能電池組件（Ｓｏｌａｒ　Cｅｌｌｓ），利用半導體材料的電子學特性，當太陽光照射在半導體ＰＮ結上，由于Ｐ－Ｎ結勢壘區產生了較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區中的非平衡電子和空穴，或者產生在勢壘區外但擴散進勢壘區的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各向相反方向運動，離開勢壘區，結果使Ｐ區電勢升高，Ｎ區電勢降低，從而在外電路中產生電壓和電流，將光能轉化成電能。
　　太陽能光伏發電系統大體上可以分為兩類，一類是并網發電系統，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發電廠；另一類是獨立式發電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路，不和外部電網產生關系。并網發電系統通過光伏陣列將接收來的太陽輻射能量經過高頻直流轉換后變成高壓直流電，經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨立式發電系統光伏陣列首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學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過全橋逆變器后變成ＳＰＷＭ波，然后再經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。

　　ＬＥＤ是一種在Ｐ－Ｎ結上施加正向電流時能發出紫外光、可見光、紅外光的半導體固體發光器件。其發光機理的核心在于Ｐ－Ｎ結，當外加正向電壓時，Ｐ－Ｎ結的平衡被打破，Ｐ區空穴進入Ｐ－Ｎ結中和原來的一部分負離子，Ｎ區電子進入Ｐ－Ｎ結中和原來的一部分正離子，這樣就使Ｐ－Ｎ結變窄，由于外加電場使Ｐ－Ｎ結電場降低，引起電子勢能的減少，減少的勢能則轉化為電磁能，以光子的形式釋放出來。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亮二極管的電壓有關，即Ｅ＝ｑＶ（Ｊ）（ｑ＝－１．６×10-19Ｃ）。而釋放的光的峰值波長則與發光芯片所用的半導體材料有關，即λ≈１２４０/Ｅｇ（ｎｍ）（半導體材料禁帶寬度Ｅｇ<ｅｖ>），由計算可知若產生可見光，則芯片用的半導體材料的Ｅｇ應在１．６０～３．２６ｅｖ之間，這是研制和選擇發光不同的波長光的芯片材料的主要依據。
　　ＬＥＤ半導體照明光源具有廣泛的優越性，除了使用壽命長、發光效率高、體積小、重量輕、環保安全可靠等優點以外，還有一個顯著優點就是由于ＬＥＤ啟動電壓和工作電壓一致，所以就不需使用鎮流器。這樣在節省成本和相關能耗的同時，也大大縮短了通斷電的響應時間。

　　太陽能光伏發電技術能與ＬＥＤ照明完美結合的關鍵在于兩者同為直流電、電壓低并能互相匹配。兩者的結合不需要變頻器將太陽能（ＰＶ）電池產生的直流電轉化為交流電，因此大大提高了整個照明系統的效率。同時，借助于并網技術或可充放蓄電池，使所具有的優勢顯而易見。為了能充分說明兩者的匹配性，我們建立了一個模型來進行分析。分別選擇鹵素燈、緊湊型熒光燈（ＣＦＬ）、線形熒光燈（ＬＦＬ）和ＬＥＤ四種光源，應用于ＰＶ供電照明系統中進行比較，對不同系統的整體效率進行評估，以此來確定影響系統效率的因素及各種不同應用領域中最佳的系統配置方案。

　　太陽能ＬＥＤ照明產品是新一代的綠色環保照明產品，它的主要部件包括太陽能光伏電池（ＰＶ技術）和半導體照明光源（ＬＥＤ）。自１９９７年以來，光伏技術未來的發展前景已經被愈來愈多的國家政府和金融界（如世界銀行）所認同。許多發達國家和地區紛紛制定光伏發展計劃。美國計劃到２０１０年累計安裝４．６ＧＷ（美國能源部規劃，含“百萬屋頂計劃”）；歐盟計劃累計安裝６．７ＧＷ（“可再生能源白皮書”），其中３．７ＧＷ安裝在歐洲內部，３ＧＷ出口等等。預計今后的１０年中，光伏組件的生產將以２０％～３０％的速度發展，到２０１０年全球的ＰＶ安裝率將達到３．２kＭＷ，ＰＶ營業額也將增加到１８５億美元，市場也將由邊遠地區和農村的補充能源逐步向全社會的替代能源過渡。到２１世紀中葉，太陽能光伏發電將達到世界總發電量的１５％～２０％，成為人類的基礎能源之一。
　　同樣，作為固態光源的ＬＥＤ的興起，真正有利于推動“綠色照明”工程。“綠色照明”是20世紀90年代初國際上對節約能源、保護環境的照明系統的形象性說法。目前在電能的消耗中，照明用電占有很大的比例，對綠色節能的照明研究應用越來越受到重視，ＬＥＤ就是在這樣的形勢下發展起來的。加之隨著新材料及半導體工業技術的發展，ＬＥＤ尤其是白光ＬＥＤ發光的效率不斷提升，價格也隨之下降。利用ＬＥＤ特性，結合相關新技術開發出適用于不同場合和用途的照明系統，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％。據預測，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、熒光燈等傳統能源，成為新一代的綠色光源。
　　太陽能照明產品在目前雖然已經有一些廠家開發出產品，并投入實際的應用當中，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，加之人們節能環保意識的日益加強，太陽能照明產品將發揮其零能耗、無污染的特性，其應用領域將會不斷拓寬。

　　綠色能源和可持續發展問題是本世紀人類面臨的重大課題。開發新能源，對現有能源的充分合理利用已經得到各國政府的極大重視。目前，太陽能利用技術和半導體照明產業已經由技術開拓時期開始步入商業化階段，涉及的產品包括路燈照明、交通指示、夜景照明、庭院裝飾等，通過對系統技術特點和可行性的分析，我們相信，集合了新一代能源和新一代光源優點的太陽能半導體照明系統定會以前所未有的速度發展，引領我們進入一個綠色節能的新時代。