節(jié)能新啟發(fā)：太陽(yáng)能LED照明

　　1　引言

　　20世紀(jì)石油、煤炭、天然氣等主要能源面臨資源枯竭的危險(xiǎn)，同時(shí)加上環(huán)保壓力的不斷增加，提倡環(huán)保、節(jié)能已是各行各業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)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(jì)最理想的新能源，而利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能是其利用的有效途徑；LED（lightemittingdiode）是一種能將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體器件，憑其節(jié)能無(wú)污染的特點(diǎn)如今已運(yùn)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(tǒng)，是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)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(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P2N結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)。離開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)升高，N區(qū)電勢(shì)降低從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，實(shí)現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化成電能。

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠；另一類是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)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(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)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(chǔ)存在蓄電池中，在日照不足時(shí)，儲(chǔ)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(fù)載使用。

　　3　LED半導(dǎo)體照明的技術(shù)特點(diǎn)

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

　　其發(fā)光機(jī)理的核心在于P2N結(jié)，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，P2N結(jié)平衡被打破，P區(qū)空穴進(jìn)入P2N結(jié)中和原來(lái)的一部分負(fù)離子，N區(qū)電子進(jìn)入P2N結(jié)中和原來(lái)的一部分正離子，這樣就使P2N結(jié)變窄，由于外加電場(chǎng)使P2N結(jié)電場(chǎng)降低，引起電子勢(shì)能的減少，減少的勢(shì)能則轉(zhuǎn)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(zhǎng)則與發(fā)光芯片所用的半導(dǎo)體材料有關(guān)，即：λ≈1240PEg（nm）（半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg（eV）），由計(jì)算可知若產(chǎn)生可見光，則芯片用的半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在1160eV～3126eV之間，這是研制和選擇發(fā)光不同的波長(zhǎng)光的芯片材料的主要依據(jù)。

　　LED半導(dǎo)體照明光源具有廣泛的優(yōu)越性：使用壽命長(zhǎng)、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(zhèn)流器，這樣在節(jié)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(yīng)時(shí)間。

　　4　太陽(yáng)能與LED照明的結(jié)合運(yùn)用

　　4.1　系統(tǒng)效率分析

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)能與LED照明完美結(jié)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(jié)合不需要變頻器將太陽(yáng)能（PV）電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，因此大大提高了整個(gè)照明系統(tǒng)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(shì)是顯而易見的。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?zé)?、緊湊型熒光燈（CFL）、線形熒光燈（LFL）和LED四種光源應(yīng)用于PV供電照明系統(tǒng)中來(lái)進(jìn)行比較，對(duì)不同系統(tǒng)的整體效率來(lái)進(jìn)行評(píng)估，以此來(lái)確定影響系統(tǒng)效率的因素及各種不同應(yīng)用領(lǐng)域中最佳的系統(tǒng)配置方案。模型如圖1所示。