超高亮白光LED在太陽能燈具中的應用
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0 引言 太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的、是人類能夠自由利用的能源。在世界能源短缺、環境污染日益嚴重的今天，充分開發利用太陽能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策。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、壽命以及環保等方面均有不可比擬的優越性，再加上太陽能燈具的節能性和安裝簡便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED 燈具的觸角就會到達。 1 超高亮白光LED 1. 1 發光原理 超高亮度LED （UHB） 是指光效達到或超過100lm/W的LED.LED 外施電壓后在其內部會產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，所產生的光波長是不同的。發光二極管的實質性結構是P -N 結，在半導體P -N 結通以正向電流時注入少數載流子，少數載流子的發光復合就是發光二極管的工作機理。半導體P -N 結發光實質為固體發光，而各種固體發光都是固體內不同能量狀態的電子躍遷的結果。半導體材料的發光機理決定了單一LED 芯片不可能發出連續光譜的白光，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會發出黃光， 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，如太陽能燈具產品。超高亮白光LED 應用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED發光管其產生的光線方向性太強，綜合視覺效果較差，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LED 集中于一起，排列組合成一定規則的LED 發光源。 超高亮白光LED 發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為最佳工作點，一般為17. 5 mA. 超高亮白光LED 發光源具有如下優點： （1） 壽命長。LED 的壽命長達10 萬h ,而白熾燈的壽命一般不超過2 000 h ,熒光燈的壽命也不過5 000 h左右。 （2） 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 %. （3） 綠色環保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED 不含汞、無頻閃，是一種環保光源。 （4） 耐低溫。環境使用溫度在- 40 ℃~80 ℃，環境適應性非常強。 2 超高亮白光LED 在太陽能燈具中的應用 2. 1 太陽能LED 燈具的原理 圖1 太陽能燈具結構框圖 太陽能LED 燈具在白天通過太陽能電池組件采集太陽光的能量，并將其轉化為電能存儲起來，在晚上點亮LED 用于照明，是現代化綠色環保節能產品。 具有智能控制系統，全天候供電無需管理人員。在系統設計時考慮連雨天氣，把平時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：用太陽能電池光伏板將太陽光轉換的電能，通過智能太陽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，經過智能控制器比較電路再將蓄電池中的電能輸出給LED 發光源發出可見光。當自然光照度升高到不再需要照明光源時，再經過智能控制器比較電路關斷輸出給LED 發光源的電源，使LED 發光源不再發光耗能。 2. 2 太陽能LED 燈具的主要技術 1） 智能太陽能控制器： 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，這種電路的關鍵是針對蓄電池的充放電特性設計一個比較好的電壓比較點，同時器件的選擇可靠，再加上發光二極管構成的充放電狀態指示電路，便成了一個具有實用功能的智能控制器，具有防蓄電池過放電、過充電功能。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，在太陽輻照不足的幾個月，由于蓄電池的充電狀態通常較低，使蓄電池放電時端電壓也較低，這樣負載工作電流較小、功率小，系統也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時，負載工作電流較大、功率大、也會更亮。 2） 太陽能LED 發光源：在太陽能LED 燈具中，發光源所用的LED 數量，從1 個到上千個不等，一定數量的LED 組成一個發光源時，其排列和組合是一個非常重要的關鍵點。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原理及數學推導建立數學模型，最有效地發揮超高亮白光LED 的發光效率，并使得單位面積LED 的數量少以降低成本。 2. 3 太陽能LED 燈具的性能指標 表1 太陽能LED 燈具的主要性能指標 2. 4 應用實例 太陽能LED 燈具以其不用專人管理和控制， 一次性投資安裝無需日后電費開支， 無需架設輸電線路或挖溝鋪設電纜， 還有其獨特的高亮度低成本等特點可以方便安裝在廣場、校園、公園、街道等。 國內眾多太陽能燈具生產廠家在發光源上主要推廣的是太陽能低壓節能燈系列，而低壓節能燈在原理上需經高頻高壓振蕩產生脈沖而發光，所以在直流逆變過程中，不可避免的要產生過多的無效功耗，從而提升了整體太陽能燈具的功率消耗，另外節能燈的發光效率遠不如LED ,故在同等亮度同等陰雨天保證時間的前提下，太陽能節能燈系列燈具的成本要比太陽能LED 系列燈具的成本高出50 %以上，而發光源使用壽命比太陽能LED 系列燈具低70 % ,故太陽能LED 系列燈具是有明顯市場競爭力的。 目前，采用前文所述的太陽能LED 燈具已在保定、北京、河南鄭州等地建立了示范工程，進一步在內蒙、陜西等地廣泛應用，它高亮度、低成本的特點得到了社會及消費者的認可。如：太陽能LED 燈具產品之一的柱式光源耗能僅3. 5 W左右，但所發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能，使用太陽能電池的容量只需要12 W,12V/ 24 Ah 的蓄電池組就已經能夠保證此種LED 發光源在5 個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 萬小時，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 世紀將是以固體發光材料為核心的，即以LED 為代表的新型光源、綠色照明的世紀。今后，隨著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保光源而掀起一次照明領域新的革命。太陽能LED 燈具以其優越的節能效果、人文的光源照明控制，倍受客戶青睞，其性價比已與工頻交流電燈具基本持平，易于客戶接受，所以只要太陽能充足的地方就有太陽能開發應用的市場。
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