節能新啟發(fā)：太陽(yáng)能LED照明

　　1　引言

　　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(shí)加上環(huán)保壓力的不斷增加，提倡環(huán)保、節能已是各行各業(yè)發(fā)展的趨勢所在。太陽(yáng)能作為地球上真正取之不盡的清潔能源將是21世紀最理想的新能源，而利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉化為電能是其利用的有效途徑；LED（lightemittingdiode）是一種能將電能轉化為可見(jiàn)光的半導體器件，憑其節能無(wú)污染的特點(diǎn)如今已運用于照明領(lǐng)域中，因此作為集成了太陽(yáng)能光伏發(fā)電和LED固態(tài)照明優(yōu)點(diǎn)的太陽(yáng)能LED照明系統，是新一代能源和新一代光源的完美結合。

　　2　太陽(yáng)能光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是依靠太陽(yáng)能電池組件（Solarcells）利用半導體材料的電子學(xué)特性，當太陽(yáng)光照射在半導體PN結上，由于P2N結勢壘區產(chǎn)生一個(gè)較強的內建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢壘區中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區外但擴散進(jìn)勢壘區的非平衡電子和空穴，在內建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運動(dòng)。離開(kāi)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(chǎn)生電壓和電流，實(shí)現將光能轉化成電能。

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統大體上可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是并網(wǎng)發(fā)電系統，即和公用電網(wǎng)通過(guò)標準接口連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠(chǎng)；另一類(lèi)是獨立式發(fā)電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路，不和外部電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)系。并網(wǎng)發(fā)電系統通過(guò)光伏陣列將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過(guò)高頻直流變換后變成高壓直流電，然后經(jīng)過(guò)逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦交流電流。而獨立式發(fā)電系統光伏陣列首先將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經(jīng)過(guò)充電控制器后以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中，在日照不足時(shí)，儲存在蓄電池中的能量經(jīng)過(guò)全橋逆變器后變成SPWM波，然后再經(jīng)過(guò)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。

　　3　LED半導體照明的技術(shù)特點(diǎn)

　　LED是一種在P2N結上施加正向電流時(shí)能發(fā)出紫外光、可見(jiàn)光、紅外光的半導體固體發(fā)光器件。

　　其發(fā)光機理的核心在于P2N結，當外加正向電壓時(shí)，P2N結平衡被打破，P區空穴進(jìn)入P2N結中和原來(lái)的一部分負離子，N區電子進(jìn)入P2N結中和原來(lái)的一部分正離子，這樣就使P2N結變窄，由于外加電場(chǎng)使P2N結電場(chǎng)降低，引起電子勢能的減少，減少的勢能則轉化為電磁能，會(huì )以光子的形式釋放出來(lái)。

　　電子減少的能量越多，釋放的光子的能量也就越高。

　　LED釋放的光的能量與電子的電量和點(diǎn)亮二極管的電壓有關(guān)，即E=qV（J）（q=-116×10-19C）。而釋放的光的峰值波長(cháng)則與發(fā)光芯片所用的半導體材料有關(guān)，即：λ≈1240PEg（nm）（半導體材料禁帶寬度Eg（eV）），由計算可知若產(chǎn)生可見(jiàn)光，則芯片用的半導體材料的Eg應在1160eV～3126eV之間，這是研制和選擇發(fā)光不同的波長(cháng)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(yōu)越性：使用壽命長(cháng)、發(fā)光效率高、體積小重量輕、環(huán)保安全可靠等優(yōu)點(diǎn)以外，還有一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)就是由于LED啟動(dòng)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(guān)能耗的同時(shí)，也大大縮短了通斷電的響應時(shí)間。

　　4　太陽(yáng)能與LED照明的結合運用

　　4.1　系統效率分析

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)能與LED照明完美結合關(guān)鍵在于兩者同為直流電、電壓低并能互相匹配等特點(diǎn)。兩者的結合不需要變頻器將太陽(yáng)能（PV）電池產(chǎn)生的直流電轉化為交流電，因此大大提高了整個(gè)照明系統的效率。同時(shí)借助于并網(wǎng)技術(shù)或可充放蓄電池，所具有的優(yōu)勢是顯而易見(jiàn)的。為了能充分說(shuō)明兩者的匹配性，為此我們建立以下模型來(lái)進(jìn)行分析，分別選擇鹵素燈、緊湊型熒光燈（CFL）、線(xiàn)形熒光燈（LFL）和LED四種光源應用于PV供電照明系統中來(lái)進(jìn)行比較，對不同系統的整體效率來(lái)進(jìn)行評估，以此來(lái)確定影響系統效率的因素及各種不同應用領(lǐng)域中最佳的系統配置方案。模型如圖1所示。