節(jié)能新啟發(fā)：太陽能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)展的趨勢所在。太陽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)電技術將太陽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光的半導體器件，憑其節(jié)能無污染的特點如今已運用于照明領域中，因此作為集成了太陽能光伏發(fā)電和LED固態(tài)照明優(yōu)點的太陽能LED照明系統(tǒng)，是新一代能源和新一代光源的完美結合。

　　2　太陽能光伏發(fā)電的技術特點

　　太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件（Solarcells）利用半導體材料的電子學特性，當太陽光照射在半導體PN結上，由于P2N結勢壘區(qū)產生一個較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各向相反方向運動。離開勢壘區(qū)，結果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低從而在外電路中產生電壓和電流，實現(xiàn)將光能轉化成電能。

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網通過標準接口連接，像一個小型的發(fā)電廠；另一類是獨立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內部形成電路，不和外部電網產生關系。并網發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列將接收來的太陽輻射能量經過高頻直流變換后變成高壓直流電，然后經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻同相的正弦交流電流。而獨立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中，在日照不足時，儲存在蓄電池中的能量經過全橋逆變器后變成SPWM波，然后再經過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半導體照明的技術特點

　　LED是一種在P2N結上施加正向電流時能發(fā)出紫外光、可見光、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，P2N結平衡被打破，P區(qū)空穴進入P2N結中和原來的一部分負離子，N區(qū)電子進入P2N結中和原來的一部分正離子，這樣就使P2N結變窄，由于外加電場使P2N結電場降低，引起電子勢能的減少，減少的勢能則轉化為電磁能，會以光子的形式釋放出來。

　　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亮二極管的電壓有關，即E=qV（J）（q=-116×10-19C）。而釋放的光的峰值波長則與發(fā)光芯片所用的半導體材料有關，即：λ≈1240PEg（nm）（半導體材料禁帶寬度Eg（eV）），由計算可知若產生可見光，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、發(fā)光效率高、體積小重量輕、環(huán)保安全可靠等優(yōu)點以外，還有一個顯著優(yōu)點就是由于LED啟動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)省成本和相關能耗的同時，也大大縮短了通斷電的響應時間。

　　4　太陽能與LED照明的結合運用

　　4.1　系統(tǒng)效率分析

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