LED燈光節(jié)能性的原理及應(yīng)用

LED燈光的產(chǎn)生在照明領(lǐng)域具有里程碑式的意義。隨著世界日益增加的能源消耗需求，石油、天然氣、煤碳等當(dāng)代世界主要能源資源的儲存量正在逐步減少，按照現(xiàn)在的開采速度，石油和天然氣分別只有40多年和60多年的可采儲量。尋求新能源和再生能源的利用，開發(fā)節(jié)能高效的技術(shù)，受到了全球范圍的普遍重視。太陽能光伏發(fā)電LED照明是新能源和節(jié)能技術(shù)的典型應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電將大自然中的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，提供給LED光源。由于LED光源的低電壓、節(jié)能和長效的特征，太陽能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用，將能實現(xiàn)很高的能源利用效率、工作可靠性和實用價值。因此，對太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)控制技術(shù)的研究受到了各方面的重視。

LED燈光節(jié)能性的產(chǎn)生原理

太陽能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)組成高效節(jié)能的太陽能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)包括太陽能電池組、DC-DC變換器、最大功率跟蹤MPPT fMaximum power point tracking)控制、儲存電能的蓄電池組和LED照明控制、LED光源等部分。

太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)的工作原理是：在有太陽光的時間段，太陽能電池組將采集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能;在控制系統(tǒng)的控制下，采用太陽能光伏電池最大功率跟蹤(MPPT)方式，將電能儲存到蓄電池組中;在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時，向LED照明光源提供安全高效的電壓電流。使LED照明系統(tǒng)節(jié)能高效地工作，為人們的工作和生活提供潔凈環(huán)保的綠色照明。

太陽能光伏發(fā)電太陽能光伏電池發(fā)電是利用太陽能的主要方式之一。

太陽能光伏電池的發(fā)電原理是光生伏特效應(yīng)，對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5 0.6 V,通過光照在界面層產(chǎn)生的電子一空穴對越多，形成的電流越大。界面層吸收的光能越多，同樣形成的電流也越大。目前應(yīng)用和研究的太陽能電池主要有硅太陽能電池、化合物半導(dǎo)體電池和染料敏化太陽能電池。硅太陽能電池是目前太陽能光伏電池的主流，在硅太陽能電池中以單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，實驗室轉(zhuǎn)換效率達(dá)24%以上，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池效率達(dá)到18%以上。薄膜太陽能電池近年來得到了很大的發(fā)展，多晶硅 }晶硅/微晶硅薄膜太陽能電池等新型太陽能電池也已規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16%以上。近年來，對CIS,CIGS薄膜太陽能電池、GaAs太陽能電池等化合物半導(dǎo)體太陽能電池的研究也取得了實用化的進(jìn)展。染料敏化TiO 太陽能電池的研究也取得了引人注目的成果。

由于太陽能電池的輸出電壓和電流之間存在著非線性和可變性。在特定的環(huán)境下就存在一個最大‘功率輸出點 ,以及與最大功率點對應(yīng)的電壓 一和電流。當(dāng)環(huán)境變化時，太陽能電池的輸出特性曲線也隨之變化。太陽能電池的輸出電壓和輸出電流的特性曲線見圖2.為了從太陽能電池獲取盡可能多的電能，提出了太陽能電池的最大功率跟蹤問題。最大功率點跟蹤控制的常用方法有定電壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制法、負(fù)載電流/電壓最大法等整LED工作電流的方法可以采用恒流驅(qū)動和恒壓驅(qū)動。根據(jù)LED的伏安特性，在LE D的正向?qū)▍^(qū)，微小的電壓波動就會引起電流很大的變化，所以采用恒流驅(qū)動是應(yīng)選方案。

LED燈光藝術(shù)性的具體表現(xiàn)

LED的發(fā)光原理。LED是由Ⅲ一V族化合物，如GaAs(砷化鎵)、GaAsP(磷化鎵砷)、A1GaAs(砷化鋁鎵)等半導(dǎo)體制成，其核心是P-N結(jié)，因此它具有一般P-N結(jié)的伏一安特性，即正向?qū)?、反向截止、擊穿特性。?dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合時，由于交界面處存在的載流子濃度差。于是電子和空穴都會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。這樣，P區(qū)一側(cè)失去空穴剩下不能移動的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子就是空間電荷?？臻g電荷集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一很薄的空間電荷區(qū)，就是P-N結(jié)。當(dāng)給P-N結(jié)1個正向電壓時。便改變了P-N結(jié)的動態(tài)平衡。注入的少數(shù)載流子(少子)與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合時，便將多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。如果給PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子(少子)難以注入，故不發(fā)光。

白光LED的主要實現(xiàn)方法。目前，氮化鎵基LED獲得白光主要有：藍(lán)光LED+黃色熒光粉、三色LED合成白光、紫光LED+三色熒光粉3種辦法。最為常見形成白光的技術(shù)途徑是藍(lán)光LED芯片和可被藍(lán)光有效激發(fā)的熒光粉結(jié)合組成白光LED.LED輻射出峰值為470 nm左右的藍(lán)光，而部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出峰值為570 nm左右的黃綠光。與另一部分透射出來的藍(lán)光與激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的黃綠光混合產(chǎn)生Y l O :Ce 白光。目前采用的熒光粉多為稀土激活的鋁酸鹽Y l O :Ce (YAG)，當(dāng)有藍(lán)光激發(fā)它時發(fā)出黃綠色光，所以稱作黃綠色熒光粉。該方法發(fā)光，發(fā)光效率高，制備簡單，工藝成熟。但色彩隨角度而變。光一致性差，而且熒光粉與LED的壽命也不一致，隨著時問的推移，顯色指數(shù)和色溫都會變化，影響了發(fā)光光源的發(fā)光質(zhì)量。采用紅、綠、藍(lán)三原色LED芯片或三原色LED管混合實現(xiàn)白光。前者為三芯片型，后者為3個發(fā)光管組裝型。紅、綠、藍(lán)LED封裝在1個管內(nèi)，光效可達(dá)20 lm/W,發(fā)光效率較高，顯色性好[31.不過，這種合成白光方法的不足之處就是LED的驅(qū)動電路較為復(fù)雜。三芯片型三原色混合成本較高，而且由于紅綠藍(lán)3種LED的光衰特性不一致，隨著使用時間的增加，三色的混合比例會變化。顯色指數(shù)也會相應(yīng)變化紫外光或紫光LED激發(fā)三原色熒光粉，產(chǎn)生白光。采用這種方法更容易獲得顏色一致的白光，因為顏色僅僅由熒光粉的配比決定，此外，還可以獲得很高的顯色指數(shù)。但其最大的難點在于如何獲得高轉(zhuǎn)換效率的三色熒光粉，特別是高效紅色熒光粉。而且防止紫外線泄露也是很重要的。

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口規(guī)模的迅速膨脹，致使能源的消耗量不斷增大， 城市的發(fā)展緊跟著“高能耗”,能源的供需矛盾日益突出，能源短缺將嚴(yán)重阻礙城市未來的發(fā)展。半導(dǎo)體照明光源是一個具有巨大市場發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步。半導(dǎo)體照明光源的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒀杆贁U(kuò)大。在未來的5-10年，它將成為照明產(chǎn)業(yè)的主力軍。它將改變?nèi)藗儗φ彰鞯恼J(rèn)識。發(fā)展個性化照明理念，無疑是照明領(lǐng)域的一次革命。同時。我們必須科學(xué)分析、冷靜面對半導(dǎo)體照明帶來的歷史機(jī)遇，制訂科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃，使得半導(dǎo)體照明得到健康的發(fā)展。