【正文】 與現(xiàn)行照明光源 相比， LED 照明具有以下優(yōu)點(diǎn)： A)功耗低、節(jié)能 在同樣的照明效果下， LED 的耗電量是白熾燈泡的 1/8，是熒光燈的 1/2。 LED 的發(fā)光機(jī)理是：半導(dǎo)體材料的電子和空穴在 P— N 結(jié)處結(jié)合，發(fā)出與電子和正電荷空穴之間的能量差相對(duì)應(yīng)的光子而發(fā)光。 4) LED 驅(qū)動(dòng)電路 這也是系統(tǒng)的核心控制電路的一部分，它要完成發(fā)光二極管的恒流驅(qū)動(dòng)控制，使流過(guò)發(fā)光管的電流不隨蓄電池的電壓變化。蓄電池的容量要根據(jù)太陽(yáng)能電池板的功率和 LED 燈的功率以及照明時(shí)間來(lái)決定。而獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏數(shù)組首先會(huì)將接來(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。 圖 光伏發(fā)電 LED 照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Photovoltaic power generation LED lighting system structure diagram in figure 1) 太陽(yáng)能電池板 太陽(yáng)能光伏發(fā)電是依靠太陽(yáng)能電池組件，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 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了較強(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，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)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，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(lèi)：一類(lèi)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠，另一類(lèi)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。而 LED也是需要直流供電，則對(duì)于 LED 的驅(qū)動(dòng)我們選用 DC/DC 變換器。 對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)方面，由于蓄電池輸出是直流電，所以可以和 LED 相匹配。 LED 驅(qū)動(dòng)電路 理想的 LED 驅(qū)動(dòng)方式是采用恒壓、恒流方式，但驅(qū)動(dòng)器的成本會(huì)增加。如果加在 LED 上的電功率超過(guò)一定數(shù)值， LED 也可能損壞。因此，應(yīng)該使 LED 在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。 (5) 流過(guò) LED 的電流和 LED 的光通量的比值也是非線(xiàn)性的。 (4) LED 的 PN 結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí) LED 的勢(shì)壘電勢(shì)降低。 (3) LED 的電流 — 電壓特性是非線(xiàn)性的，流過(guò) LED 的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢(shì)減去 LED 的勢(shì)壘電勢(shì)后再除以回路的總電阻 (電源內(nèi)阻、引線(xiàn)電阻和 LED 體電阻之和 )。 (2) LED 是一個(gè)具有 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體期間，具有勢(shì)壘電勢(shì)，這就形成了導(dǎo)通門(mén)限電壓，加在 LED 上的電壓值超出這個(gè)門(mén)限電壓時(shí) LED 才會(huì)充分導(dǎo)通。 LED 實(shí)際上是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅(qū)щ娖骷?LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、 PWM 調(diào)光、小型尺寸以及簡(jiǎn)便易用等特點(diǎn)。 LED 的驅(qū)動(dòng)電路 LED 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 原始電源有各種形式，但無(wú)論哪種電源，一般都不能直接給 LED 供電。 (3) 光色不佳 LED 發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距，譬如白熾燈具有非常強(qiáng)的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺(jué)，而白光 LED 發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺(jué)不很自然。但是， LED 想要在照明中全面普及，還需要解決一些技術(shù)性的問(wèn)題： (1) 光提取效率低 雖然 LED 的電光轉(zhuǎn)化效率較高，但傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) LED 的光提取效率只有百分之幾，嚴(yán)重影響 LED 的光輸出功率，采用 LED 作為照明光源，必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。 除此之外，相比于傳統(tǒng)光源， LED 光源還有色溫范圍廣（ 3600～ 11000K）、體積小、無(wú)紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)輻射、直流驅(qū)動(dòng)和使用安全等優(yōu)點(diǎn)。白熾燈的發(fā)光體是燈絲，有一定的長(zhǎng)度，熒光燈的尺寸更大，這些照明光源都不能看成點(diǎn)光源，在燈具設(shè)計(jì)時(shí)首先要建立一個(gè)光源輻射模型，處理起來(lái)有一定的厚度。白熾燈是熱輻射光源，而 LED 得相應(yīng)時(shí)間只有幾十納秒，因此在一些需要快速相應(yīng)或高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，應(yīng)用 LED 作為光源是很合適的。 (4) 安全環(huán)保 LED 為全固態(tài)發(fā)光體、耐震、耐沖擊不易破碎、發(fā)熱量低、無(wú)熱輻射，屬冷光源 ，且不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)，廢棄物可回收，沒(méi)有污染。一般來(lái)講，普通白熾燈的壽命約為一千小時(shí)，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命不超過(guò)一萬(wàn)小時(shí)，高壓鈉燈壽命也不超過(guò)二萬(wàn)小時(shí)。美國(guó)科學(xué)家語(yǔ)言，全球的白熾燈和日光燈都被白光 LED 取代的話(huà)，將節(jié)約 38 座核電站的發(fā)電量。在同樣的照明效果下， LED 的耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一。目前，世界各國(guó)均加緊提高 LED 光效的研究，在不遠(yuǎn)的將來(lái)其發(fā)光效率將有更大的提高。 (1) 光效高 白熾燈、鹵鎢燈的光效為 12～ 24lm/W，熒光燈的光效為 50～ 70lm/W，鈉燈的光效為 90～ 140lm/W，大部分的好店變成熱量損耗。 LED 與傳統(tǒng)光源的性能比較 1) LED 的優(yōu)點(diǎn) 雖然目前白光 LED 仍處于初級(jí)發(fā)展階段，但與現(xiàn)行照明光源比較， LED 照明有很多優(yōu)點(diǎn)。若不控制溫度，穩(wěn)定的電功率就會(huì)產(chǎn)生不同的工作條件。除此之外，溫度變化對(duì) LED 的主波長(zhǎng)也有影響。根據(jù)使用場(chǎng)合再設(shè)計(jì)外殼時(shí)必須注意熱量帶來(lái)的問(wèn)題。典型數(shù)據(jù)如 下：紅色是 120℃，白色是 100℃，應(yīng)保持溫度范圍小于 105℃，在設(shè)計(jì)和裝配時(shí)應(yīng)考慮發(fā)熱造成效率的下降。亮度正比于電流密度這種特性，對(duì)于采用脈沖驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)說(shuō)是很有利得，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下獲得較直流電流更高的亮度。相同的管壓降是不同的，流過(guò) LED 的電流 i 與其兩端電壓 V 的關(guān)系如下式： )1( / ?? kTeVr eIi ? 式中： T— 溫度 rI — LED 的反向 飽和電流； e— 電子電荷； k— 波爾茲曼常數(shù)； β — 正向電流較大時(shí)近似為 1。發(fā)光二極管正向開(kāi)啟電壓通常稱(chēng)作正向門(mén)限電壓，它取決于半 導(dǎo)體材料的禁帶寬度，其取值因使用晶體材料的不同顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 而有所差異。 圖 33 LED 光源的光強(qiáng)分布特性 Figure 33 LED light intensity distribution characteristics 2) LED 光源的電特性 ① LED 的伏安特性曲線(xiàn) 發(fā)光二極管的伏安特性 (又稱(chēng) VI 特性 )與普通二極管大致相同，只是在正向特性的上升速率上略有差異。 LED 的光強(qiáng)分布曲線(xiàn)都可用 ?? cosII ? 示。 ③ LED 的光強(qiáng)分布特性 目前 LED 發(fā)出光束的角度用 1/2 半寬度角 2/1? 表示，即光強(qiáng)降到峰值光強(qiáng) 1/2 時(shí)的光束角，見(jiàn)圖 33。其光效介于白熾燈（ 141lm/W）與緊湊型熒光燈（ 87 lm/W）之間。 LED 光源的基本特性 從照明角度看，要有效地利用 LED 光源，就必須對(duì)它的光、電和熱特性及一些基本參數(shù)有所了解。目前實(shí)現(xiàn)白光 LED 的技術(shù)可分為三種：一是用 InGaN 藍(lán)色 LED 激發(fā)憶鋁石（ YAG）熒光粉；二是利用三基色（ RGB，即紅光、綠光、藍(lán)光）原理將紅、綠、藍(lán)三種高亮度 LED 混合成白光；三是用紫外光 LED 激發(fā)三基色熒光粉或其它熒光粉，產(chǎn)生多色光混合成白光。 顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30 圖 32 （ a) PN 結(jié)二極管示意圖 (b)PN 結(jié)二極管法度昂模型示意圖 Figure 32（ a)PN junction diode (b)A model for the pn junction diode testimonies 1) 單色 LED 光源的發(fā)光原理 當(dāng)電流從 PN 結(jié)的陽(yáng)極流向陰極時(shí)，管芯半導(dǎo)體晶體就會(huì)發(fā)光，光的顏色取決于使用的晶體材料的種類(lèi)，從 LED 發(fā)光過(guò)程看出，一是發(fā)光的光為單色光；二是不同的管芯半導(dǎo)體材料發(fā)出不同的單色光， LED 能發(fā)出紫外到紅外不同顏色的光；三是發(fā)光的強(qiáng)弱和正向電流有關(guān)。發(fā)光過(guò)程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入，復(fù)合輻射和光能傳輸。注入的少數(shù)載流子將和該區(qū)原有的少數(shù)載流子復(fù)合發(fā)光。在熱平衡下，半導(dǎo)體 PN 結(jié) N 區(qū)的電子擴(kuò)散到 P 區(qū)， P 區(qū)的空穴擴(kuò)散到 N 區(qū)，這種互擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子聚集在 PN 結(jié)的兩側(cè)，形成勢(shì)壘，勢(shì)壘產(chǎn)生的電場(chǎng)將阻止互擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行。 LED 光源的發(fā)光原理 LED 光源其實(shí)是一個(gè) PN 結(jié)的二極管。應(yīng)用半導(dǎo)體 PN 結(jié)發(fā)光原理制成 LED 問(wèn)世于 20 世紀(jì) 60 年代初， 90 年代以來(lái)，隨著氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體的興起，以及白色 LED 的研究成功，使實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體發(fā)光 LED 照明成為可能。所謂半導(dǎo)體照明，是指用半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱(chēng) LED）作為光源的固態(tài)照明。 3）應(yīng)用場(chǎng)合 目前 LED 主要用于以下場(chǎng)合： A) 景觀照明：包括建筑裝飾、室內(nèi)裝飾、旅游景點(diǎn)裝飾等； B) 汽車(chē)市場(chǎng)：車(chē)用市場(chǎng)是 LED 運(yùn)用發(fā)展最快的市場(chǎng)，主要用于車(chē)內(nèi)儀表盤(pán)、空調(diào)、音響等指示燈及內(nèi)部閱讀燈，車(chē)外的第三剎車(chē)燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈、側(cè)燈等； C) 背光源市場(chǎng)： LED 作為背光源已普遍運(yùn)用于手機(jī)、電腦、手持掌上電子產(chǎn)品及汽車(chē)、飛機(jī)儀盤(pán)等眾多領(lǐng)域； D) 特殊工作照明和軍事運(yùn)用： 由于 LED 光源有抗震性、耐候性、封閉性好、以及熱輻射低、體積小、便于攜帶等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于防爆、野外操作、礦山、軍事行動(dòng)的特殊工作場(chǎng)所或惡劣工作環(huán)境之中。日本企業(yè)近年計(jì)劃量產(chǎn) 100 lm/W 以上的白光發(fā)光二極管，這一指標(biāo)超過(guò)了 80lm/W 的稀土三基色熒光燈，逼近光效 140lm/W 的鈉燈，就發(fā)光二極管的技術(shù)潛力和發(fā)展 趨勢(shì)來(lái)看，其發(fā)光效率將達(dá)到 200lm/W 以上，超過(guò)當(dāng)前光效最高的高強(qiáng)度氣體放電燈，成為世界上最亮的光源。作為特殊照明光源的應(yīng)用，白光 LED 已經(jīng)顯示出巨大的性能優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭和迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。 總的來(lái)說(shuō)，目前在大功率、高照明質(zhì)量要求的場(chǎng)合，一般選擇金鹵燈作為光源；對(duì)于大功率、質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，可以選擇汞燈、高壓鈉燈最為光源；而對(duì)于小功率的照明場(chǎng)合，尤其是像光伏發(fā)電照明系統(tǒng)，可以選擇高 亮度大功率的 LED 作為光源。 ①高壓鈉燈光效高，壽命也較長(zhǎng)，但是顯色性不好。 2）照明光源的分類(lèi) 照明光源種類(lèi)很多，室外照明光源一般采用 CFL 節(jié)能燈、汞燈、高壓或低壓鈉燈、金鹵燈，近年來(lái)有出現(xiàn)了無(wú)極燈和半導(dǎo)體發(fā)光器件 LED。此外，還有一類(lèi)相干光源，它通過(guò)激發(fā)態(tài)粒子在受激輻射作用下發(fā)光 輸出光波波長(zhǎng)從短波紫外光直到遠(yuǎn)紅外。 106nm）的電光源，紫外光源用在部分裝飾照明和間接照明中，但大部分用在多類(lèi)工業(yè)用輻射照明中。照明光源是以照明為目的，輻射則主要為人眼視覺(jué)可見(jiàn)光譜（波長(zhǎng) 380～ 780nm）的光電源，其規(guī)格種類(lèi)繁多，功率為 ～ 50kW，使用量占電光源總產(chǎn)量的 95%以上。 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)發(fā)了高壓鈉燈和金屬鹵化物燈， 80 年代出現(xiàn)了緊湊型節(jié)能熒光燈、小功率高壓鈉燈和小功率金屬鹵化物燈，照明用發(fā)光二極管的開(kāi)發(fā)，使電光源進(jìn)入了高性能化、節(jié)能化和電子化 的新時(shí)期。 1879 年，美國(guó)人愛(ài)迪生發(fā)明了具有實(shí)用價(jià)值的碳絲白熾燈，使人類(lèi)從漫長(zhǎng)的火光照明進(jìn)入了電氣照明的時(shí)代。隨著電光源工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種新光源產(chǎn)品不僅在數(shù)量上，而且在質(zhì)量上都有很大的提高，各種發(fā)光效率高、顯色性好、使用壽命長(zhǎng)的新型電光源不斷出現(xiàn)。關(guān)于方陣的傾斜角問(wèn)題，對(duì)于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般采用按當(dāng)?shù)鼐暥鹊恼麛?shù)固定設(shè)置。如果出于某種考慮，方陣不是正南設(shè)置，那應(yīng)盡可能偏西南 20176?！?20176。位于北半球的我國(guó)，方陣的方位應(yīng)按正南向設(shè)置。一般應(yīng)要求光伏組件的組合效率大于 95%。因此受其它串聯(lián)組件的驅(qū)動(dòng)，電流被迫通過(guò)遮光區(qū)域，產(chǎn)生不希 望有的加熱，嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)組件造成永久性的損壞。 修正后公式如下： 并聯(lián)組件數(shù)量 = hh??????日 平 均 負(fù) 載 （ A ）庫(kù) 倫 效 率 組 件 日 輸 出 （ A ） 衰 減 因 子 組件日輸出（ Ah） =組件最大工作點(diǎn)電流 (A)? 日輻射最小時(shí)數(shù) (h) 串聯(lián)組件數(shù)量 = vv系 統(tǒng) 電 壓 （ ）組 件 電 壓 （ ） 光伏發(fā)電太陽(yáng)能電池方陣對(duì)于蔭蔽十分敏感。 b. 將負(fù)載增加 10%以應(yīng)付蓄電池的庫(kù)倫效應(yīng) 在蓄電池的充放電過(guò)程中，蓄電池會(huì)電解水產(chǎn)生氣體逸出，太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電流中將有 5%— 10%的部分不能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存起來(lái)而是耗散掉，我們用蓄電池的庫(kù)倫效率來(lái)評(píng)估這種電流損失。 基本公式如下： 并聯(lián)的組件數(shù)量 = hh日 平 均 負(fù) 載 （ A ）組 件 日 輸 出 （ A ） 組件日輸出（ Ah） =組件最大工作點(diǎn)電流 (A)? 日輻射最小時(shí)數(shù) (h) 串 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 = 系 統(tǒng) 電 壓 （ V）組 件 電 壓 （ V） 2) 修正 太陽(yáng)能電池的輸出，會(huì)受到一些