超高亮白光LED在太陽能燈具中的應(yīng)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(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，充分開發(fā)利用太陽能是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。與傳統(tǒng)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，再加上太陽能燈具的節(jié)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(dá)。 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(dá)到或超過100lm/W的LED.LED 外施電壓后在其內(nèi)部會產(chǎn)生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導(dǎo)體基本材料的物理特性，所產(chǎn)生的光波長是不同的。發(fā)光二極管的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是P -N 結(jié)，在半導(dǎo)體P -N 結(jié)通以正向電流時注入少數(shù)載流子，少數(shù)載流子的發(fā)光復(fù)合就是發(fā)光二極管的工作機(jī)理。半導(dǎo)體P -N 結(jié)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(nèi)不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結(jié)果。半導(dǎo)體材料的發(fā)光機(jī)理決定了單一LED 芯片不可能發(fā)出連續(xù)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(lán)光的InGaN 基材上涂熒光材料， 熒光材料在受到藍(lán)光激勵時會發(fā)出黃光， 藍(lán)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(yīng)用于直流系統(tǒng)，如太陽能燈具產(chǎn)品。超高亮白光LED 應(yīng)用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED發(fā)光管其產(chǎn)生的光線方向性太強(qiáng)，綜合視覺效果較差，因此應(yīng)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(guī)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(qiáng)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(dǎo)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。LED 的壽命長達(dá)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(tǒng)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(yīng)性非常強(qiáng)。 2 超高亮白光LED 在太陽能燈具中的應(yīng)用 2. 1 太陽能LED 燈具的原理 圖1 太陽能燈具結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為電能存儲起來，在晚上點(diǎn)亮LED 用于照明，是現(xiàn)代化綠色環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品。 具有智能控制系統(tǒng)，全天候供電無需管理人員。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮連雨天氣，把平時多余的電能儲存到蓄電池內(nèi)，確保用于陰雨天有足夠的電能使用。 如圖1 所示，詳細(xì)原理為：用太陽能電池光伏板將太陽光轉(zhuǎn)換的電能，通過智能太陽能控制器轉(zhuǎn)存在蓄電池組中，當(dāng)自然光照度降到需要照明光源時，經(jīng)過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)出可見光。當(dāng)自然光照度升高到不再需要照明光源時，再經(jīng)過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 太陽能LED 燈具的主要技術(shù) 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(tǒng)，這種電路的關(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設(shè)計(jì)一個比較好的電壓比較點(diǎn)，同時器件的選擇可靠，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個具有實(shí)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(tǒng)采用直接耦合方式的充放電控制器電路，根據(jù)LED 同蓄電池的匹配特性，能夠做到功率自適應(yīng)，在太陽輻照不足的幾個月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時端電壓也較低，這樣負(fù)載工作電流較小、功率小，系統(tǒng)也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時，負(fù)載工作電流較大、功率大、也會更亮。 2） 太陽能LED 發(fā)光源：在太陽能LED 燈具中，發(fā)光源所用的LED 數(shù)量，從1 個到上千個不等，一定數(shù)量的LED 組成一個發(fā)光源時，其排列和組合是一個非常重要的關(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(jù)光學(xué)原理及數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立數(shù)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(shù)量少以降低成本。 2. 3 太陽能LED 燈具的性能指標(biāo) 表1 太陽能LED 燈具的主要性能指標(biāo) 2. 4 應(yīng)用實(shí)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(fèi)開支， 無需架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜， 還有其獨(dú)特的高亮度低成本等特點(diǎn)可以方便安裝在廣場、校園、公園、街道等。 國內(nèi)眾多太陽能燈具生產(chǎn)廠家在發(fā)光源上主要推廣的是太陽能低壓節(jié)能燈系列，而低壓節(jié)能燈在原理上需經(jīng)高頻高壓振蕩產(chǎn)生脈沖而發(fā)光，所以在直流逆變過程中，不可避免的要產(chǎn)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(jié)能燈的發(fā)光效率遠(yuǎn)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(jié)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(fā)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(jìn)一步在內(nèi)蒙、陜西等地廣泛應(yīng)用，它高亮度、低成本的特點(diǎn)得到了社會及消費(fèi)者的認(rèn)可。如：太陽能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(dá)到了20 W節(jié)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(jīng)能夠保證此種LED 發(fā)光源在5 個陰雨天持續(xù)有效工作，而20 W節(jié)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(dá)到70 W以上，蓄電池組也要到達(dá)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(jié)能燈的使用壽命僅為8 000 ~10 000 h. 3 結(jié)論 21 世紀(jì)將是以固體發(fā)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(jì)。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(jì)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。太陽能LED 燈具以其優(yōu)越的節(jié)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(fā)應(yīng)用的市場。
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