超高亮白光LED在太陽(yáng)能燈具中的應用
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0 引言 太陽(yáng)輻射能是取之不盡、用之不竭的、是人類(lèi)能夠自由利用的能源。在世界能源短缺、環(huán)境污染日益嚴重的今天，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能是世界各國政府可持續發(fā)展的能源戰略決策。與傳統的照明工具相比，超高亮白光LED 照明光源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性，再加上太陽(yáng)能燈具的節能性和安裝簡(jiǎn)便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED 燈具的觸角就會(huì )到達。 1 超高亮白光LED 1. 1 發(fā)光原理 超高亮度LED （UHB） 是指光效達到或超過(guò)100lm/W的LED.LED 外施電壓后在其內部會(huì )產(chǎn)生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導體基本材料的物理特性，所產(chǎn)生的光波長(cháng)是不同的。發(fā)光二極管的實(shí)質(zhì)性結構是P -N 結，在半導體P -N 結通以正向電流時(shí)注入少數載流子，少數載流子的發(fā)光復合就是發(fā)光二極管的工作機理。半導體P -N 結發(fā)光實(shí)質(zhì)為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結果。半導體材料的發(fā)光機理決定了單一LED 芯片不可能發(fā)出連續光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。白光LED 通常是在發(fā)射藍光的InGaN 基材上涂熒光材料， 熒光材料在受到藍光激勵時(shí)會(huì )發(fā)出黃光， 藍光和黃光的混合物形成白光。 1. 2 工作特性 由于LED 是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應用于直流系統，如太陽(yáng)能燈具產(chǎn)品。超高亮白光LED 應用于太陽(yáng)能燈具，單個(gè)束光型超高亮度LED發(fā)光管其產(chǎn)生的光線(xiàn)方向性太強，綜合視覺(jué)效果較差，因此應首選平光型超高亮LED 或平光型與束光型超高亮LED 組合使用，將多個(gè)LED 集中于一起，排列組合成一定規則的LED 發(fā)光源。 超高亮白光LED 發(fā)光源既要保證有一定的照射強度，又要使其具有較高的光效，然而電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會(huì )引起光源熱損耗的增加，通常導致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點(diǎn)為最佳工作點(diǎn)，一般為17. 5 mA. 超高亮白光LED 發(fā)光源具有如下優(yōu)點(diǎn)： ?。?） 壽命長(cháng)。LED 的壽命長(cháng)達10 萬(wàn)h ,而白熾燈的壽命一般不超過(guò)2 000 h ,熒光燈的壽命也不過(guò)5 000 h左右。 ?。?） 效率高。相對于傳統的第一代照明光源白熾燈，LED 的功耗只有前者的10 %~20 %. ?。?） 綠色環(huán)保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED 不含汞、無(wú)頻閃，是一種環(huán)保光源。 ?。?） 耐低溫。環(huán)境使用溫度在- 40 ℃~80 ℃，環(huán)境適應性非常強。 2 超高亮白光LED 在太陽(yáng)能燈具中的應用 2. 1 太陽(yáng)能LED 燈具的原理 圖1 太陽(yáng)能燈具結構框圖 太陽(yáng)能LED 燈具在白天通過(guò)太陽(yáng)能電池組件采集太陽(yáng)光的能量，并將其轉化為電能存儲起來(lái)，在晚上點(diǎn)亮LED 用于照明，是現代化綠色環(huán)保節能產(chǎn)品。 具有智能控制系統，全天候供電無(wú)需管理人員。在系統設計時(shí)考慮連雨天氣，把平時(shí)多余的電能儲存到蓄電池內，確保用于陰雨天有足夠的電能使用。 如圖1 所示，詳細原理為：用太陽(yáng)能電池光伏板將太陽(yáng)光轉換的電能，通過(guò)智能太陽(yáng)能控制器轉存在蓄電池組中，當自然光照度降到需要照明光源時(shí)，經(jīng)過(guò)智能控制器比較電路再將蓄電池中的電能輸出給LED 發(fā)光源發(fā)出可見(jiàn)光。當自然光照度升高到不再需要照明光源時(shí)，再經(jīng)過(guò)智能控制器比較電路關(guān)斷輸出給LED 發(fā)光源的電源，使LED 發(fā)光源不再發(fā)光耗能。 2. 2 太陽(yáng)能LED 燈具的主要技術(shù) 1） 智能太陽(yáng)能控制器： 采用的是低功耗CMOS元件組成的控制電路，這種電路完全是由硬件組成的控制系統，這種電路的關(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設計一個(gè)比較好的電壓比較點(diǎn)，同時(shí)器件的選擇可靠，再加上發(fā)光二極管構成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)用功能的智能控制器，具有防蓄電池過(guò)放電、過(guò)充電功能。本系統采用直接耦合方式的充放電控制器電路，根據LED 同蓄電池的匹配特性，能夠做到功率自適應，在太陽(yáng)輻照不足的幾個(gè)月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時(shí)端電壓也較低，這樣負載工作電流較小、功率小，系統也能夠工作更長(cháng)的時(shí)間。反之在太陽(yáng)輻照比較充足時(shí)，負載工作電流較大、功率大、也會(huì )更亮。 2） 太陽(yáng)能LED 發(fā)光源：在太陽(yáng)能LED 燈具中，發(fā)光源所用的LED 數量，從1 個(gè)到上千個(gè)不等，一定數量的LED 組成一個(gè)發(fā)光源時(shí)，其排列和組合是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵點(diǎn)。即不同的排列和組合對整體的亮度都有影響。在LED 排列組合上依據光學(xué)原理及數學(xué)推導建立數學(xué)模型，最有效地發(fā)揮超高亮白光LED 的發(fā)光效率，并使得單位面積LED 的數量少以降低成本。 2. 3 太陽(yáng)能LED 燈具的性能指標 表1 太陽(yáng)能LED 燈具的主要性能指標 2. 4 應用實(shí)例 太陽(yáng)能LED 燈具以其不用專(zhuān)人管理和控制， 一次性投資安裝無(wú)需日后電費開(kāi)支， 無(wú)需架設輸電線(xiàn)路或挖溝鋪設電纜， 還有其獨特的高亮度低成本等特點(diǎn)可以方便安裝在廣場(chǎng)、校園、公園、街道等。 國內眾多太陽(yáng)能燈具生產(chǎn)廠(chǎng)家在發(fā)光源上主要推廣的是太陽(yáng)能低壓節能燈系列，而低壓節能燈在原理上需經(jīng)高頻高壓振蕩產(chǎn)生脈沖而發(fā)光，所以在直流逆變過(guò)程中，不可避免的要產(chǎn)生過(guò)多的無(wú)效功耗，從而提升了整體太陽(yáng)能燈具的功率消耗，另外節能燈的發(fā)光效率遠不如LED ,故在同等亮度同等陰雨天保證時(shí)間的前提下，太陽(yáng)能節能燈系列燈具的成本要比太陽(yáng)能LED 系列燈具的成本高出50 %以上，而發(fā)光源使用壽命比太陽(yáng)能LED 系列燈具低70 % ,故太陽(yáng)能LED 系列燈具是有明顯市場(chǎng)競爭力的。 目前，采用前文所述的太陽(yáng)能LED 燈具已在保定、北京、河南鄭州等地建立了示范工程，進(jìn)一步在內蒙、陜西等地廣泛應用，它高亮度、低成本的特點(diǎn)得到了社會(huì )及消費者的認可。如：太陽(yáng)能LED 燈具產(chǎn)品之一的柱式光源耗能僅3. 5 W左右，但所發(fā)出的光的亮度已達到了20 W節能燈或40 W白熾燈的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太陽(yáng)能，使用太陽(yáng)能電池的容量只需要12 W,12V/ 24 Ah 的蓄電池組就已經(jīng)能夠保證此種LED 發(fā)光源在5 個(gè)陰雨天持續有效工作，而20 W節能燈要想在同等條件下正常工作，太陽(yáng)能電池容量最少要達到70 W以上，蓄電池組也要到達70 Ah 以上，而且超高亮LED 平均使用壽命10 萬(wàn)小時(shí)，使用期最少在10 年以上， 而節能燈的使用壽命僅為8 000 ~10 000 h. 3 結論 21 世紀將是以固體發(fā)光材料為核心的，即以L(fǎng)ED 為代表的新型光源、綠色照明的世紀。今后，隨著(zhù)各國政府的高度重視和加大投入，LED 必將成為本世紀極具競爭力的新型綠色環(huán)保光源而掀起一次照明領(lǐng)域新的革命。太陽(yáng)能LED 燈具以其優(yōu)越的節能效果、人文的光源照明控制，倍受客戶(hù)青睞，其性?xún)r(jià)比已與工頻交流電燈具基本持平，易于客戶(hù)接受，所以只要太陽(yáng)能充足的地方就有太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)應用的市場(chǎng)。
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