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太阳能发光二极管照明

2007-09-25 10:48
Minor昔年
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摘 要:太阳电池是一种将光能转为电能的半导体器件,发光二极管(也叫光发射二极管LED)是一种将电能转换为光能的半导体器件,两者的结构和性能有着很多的相似之处,如将两者结合在一起,研究开发太阳能光电发光二极管照明系统,将有很好的发展前景。本文介绍了这两种半导体光电转换器件的发展现状,特性及研制太阳能发光二极管照明系统所需要解决的一些技术关键问题。

一、太阳能电池和发光二极管发展现状

太阳能电池( Solar Cell ) 是一种可将光能转变为电能的半导体发电器件,由它制成的太阳光电源属可再生能源。太阳能电池问世于二十世纪五十年代中期,当时的光电转换效率低,造价又很高,只能在人造卫星等特种场合下使用。经过半个世纪的努力, 目前太阳能电池、组件及其系统,在技术上已有了很大的进步,正在发展成一个新兴的产业。据统计从1980年至2002年,日、美、德三国分别投入15.75亿欧元、12.28亿欧元、7.01亿欧元开发太阳能光电技术,总数达35亿欧元(333亿元人民币) 1987年至2002年,平均年增长率为36%,累计装机容量达1500MW。2002年,太阳电池组件效率为15—17%,发电成本0.20—0.25美元/kWh。2002年世界总产量为559MW,相当于35亿美元,比2001提增长了40%,其中多晶硅太阳电池占51.6%,单晶硅太阳电池占6.4%,非晶硅太阳电池占6.4 % 。据报导 BP solar公司一项已准备应用于批量生产新技术制造的太阳电池转效率已达18.3%。 预测到2010年,世界光电市场仍将以20—30%的速度增长。

最近几年,我国的太阳能光电产业也有很大的发展。到2002年我国已建成6个具有一定规模的太阳能电池生产厂,年生产能力约为28MWP,其中晶体硅电池的年生产能力约为25MWP,非晶硅电池约为3MWP,;太阳电池组件的年封装能力约为31.5MWP,其中晶体硅电池约为28.5MWP,非晶硅电池约为3MWP;2002年年产量约为15.3MWP,光电系统年产值约为15亿元。2002年初,太阳电池组件价格平均为40元/W,下半年实施西部无电乡通电工程后,平均价格降至32元/W,下降比例达30%,目前太阳电池的价格已降到28~32元/Wp,进口电池组件的价格下降幅度更大,从50元/W降至35/W。预测2010年前的中近期, 总装机容量将以平均70MW/年的幅度发展,至2010年,累计装机容量达555MW,累计总投资255.92亿元。2010年至2020年期间,预计装机容量将以平均100MW/年的幅度发展,至2020年,累计装机容量将达到1600MW,累计总投资341.5亿元。

发光二极管(LED-Light Emitting Diode)是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件,属于固体光源。LED问世于二十世纪六十年代初期,当时的LED以红色为主,发光效率很低,光通量很小.,只能作指示灯和仪表显示器使用。随着管芯材料、器件结构和封装技术的不断进步,.颜色品种增多,光效大幅度提高,现在红、橙色LED光效已经可以达到100lm/W,绿色也可达到50lm/W。单个LED的光通量可达到几十流明。尤其是近年高光效、高亮度的白光LED开发成功,使得LED在照明领域的应用成为可能。现在,采用短波光(兰光)LED激发荧光材料产生宽带光谱形成白光的白光LED,通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的制造工艺,已可以获得色温为3500-10000K的连续光谱, 波长分布范围覆盖420-750nm,就光色而言,已能初步满足某些场合的照明要求。

自发明白炽灯以来的一百多年中,电光源照明已经历了三个重要的发展阶段,这三个阶段中的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为LED将可望发展成第四代光源。

二、太阳能电池和半导体发光二极管的特点

由于太阳能电池和 LED都是半导体器件,都是通过PN结实现光电或电光转换。他们有着许多共同点、而且是十分匹配的特点:

( 1 ) 直流供电
太阳能电池单体电压为0.5V~1.2V。通过串、并联可获得各种直流电压的供电电源; 而LED的驱动也用直流电源,单管工作电压一般为0.8V~3.8V之间,也可通过串、并联使用,两者非常相配, 可以省却太阳能光电照明系统中使用其它照明光源所必需的逆变器。这样既可提高能源利用率, 又可节约成本, 还可改善系统可靠性。

( 2 )寿命长
太阳能电池使用寿命可以长达20至30年,这是其它能源设备所不能比拟的,而现在常用的LED使用寿命可长达十万小时,即使在恶劣的室外条件下工作,寿命也有五万小时以上,预计功率型LED的寿命也将达到数万小时 。因此,在一些维护和设备更换困难的场合,使用太阳能电池和LED光源,可显著降低安装和使用的成本费用。

(3 )结构牢固
太阳能电池组件是用平板玻璃和高分子材料密封而成,有的直接用高分子材料封装,整个系统没有转动部件。LED是用有机高分子材料封装的固体光源,其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件,是一种全固体结构,因此能经受震动、冲击,结构牢固。

( 4 ) 能效高、不引起环境污染
太阳能光电利用是众所周知的“绿色能源”,是当前所有能源中发展度最快的能源。 LED的能耗较小,随着技术的进步,他将成为一种新型的节能照明光源。目前白光LED的光效已经达到25lm/W,超过了普通白炽灯的水平。有人按现在LED的技术发展速度预测,到2005年,白光LED的光效可以达到50 lm/W, 20l0-2015年,白光LED的光效有可能达到150-200 lm/W,远远超过了现在所有照明光源的光效。此外,现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞,这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染。LED没有这些问题,因此它又是一种 “清洁”的光源。

除此之外, LED作为照明用光源还有一些其它优点,例如:

发光体接近点光源,便于灯具设计

LED的发光体芯片尺寸很小,在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源,可按点光源光通量分布模型计算,比较简单。

可制成小型或薄型灯具,安装灵活

传统的照明光源向空间光强分布范围很宽,为了提高光能的利用效率,通常要用曲面反射器集聚光束,灯具的体积相对较大。而LED发光的方向性很强,很多情况下只需用透镜将其发出的光进行准直、偏折,可以做成小型或薄型灯具,适合于灯具安装空间有限的场合使用。

发光响应时间快

LED的响应时间只有几十纳秒,远快于白炽灯、气休放电灯等光源,因此在一些需要快速响应照明的情况下,应用LED作为光源是很合适的。

 三、研究开发太阳能LED照明系统的一些关键技术问题

LED是一种符合绿色照明要求的光源,它与“绿色能源”太阳能电池结合使用,将可制成各类组合式灯具,形成一种非常典型的“绿色照明”系统。

由太阳能供电的LED指示、显示和照明装置,开发最早也是目前国内生产最多的是太阳能草坪灯和庭院灯,主要生产基地在广东、浙江一带,累计产量达十兆瓦以上,极大部分产品外销; 其次是黄色交通信号灯,在江浙一带的公路上和街道上已大量使用,产值在几千万元以上。它的使用对加强交通管理,减少交通事故已起到显著作用。此外,用作铁路信号灯、建筑物航空障碍灯、楼道灯、机场航标灯和轮船航标灯、道路指示灯以及广告灯箱等方面的太阳能ELD照明灯具均在开发过程当中。最近有报导,在清华大学(珠海)科技园已建成了一项具有实用照明意义的太阳能路灯工程。它由41支LED灯与39只草坪灯组成。每个LED灯又由120只超高亮度白色LED组成,总功率为6.5W,灯高4.1米。每个路灯电源由15W太阳电池板,一只12V 34Ah免维护铅酸蓄电池和一台6A控制器组成。路灯亮度相当于25W白炽灯,可保持连续5个阴雨天工作。

太阳能LED照明目前还只能用于一些特殊场合,如要普遍使用这类照明系统,尚有一些技术上的问题需要研究解决:广泛使用的照明光源应该是白光LED,而目前国内外已研制成的白光LED光效还不够高,功率也欠大,价格较贵。白光LED要能够作为普通光源而广泛应用,其发展目标是单个LED的功率能达到10W,发光效率达到100 lm/W,并且价格能降到0.1元∕lm以下。与此同时,目前用于给照明供电的太阳电池,其光电转换效率还不理想,而且价格偏高,如要普遍用作照明电源,其能量转换效率越高越好,而供电成本应接近市电,电价不能高于1元/kWh。预测实现上述目标还需要5-10年。

(1 )首先是成本问题。目前太阳能电池和LED的制造成本都比较高, 太阳能供电的LED灯的造价与市电供电的白炽灯和荧光灯相比差距还很大,在设计和制造的过程中必须通过各种途径,努力降低制造成本;或者先考虑一些经济上可行的场合。例如:如果我们首先考虑在西部无电、缺电地区,为替代现在太阳能光电系统中普遍使用的紧凑形荧光灯,那么,发展太阳能LED照明光源还是有相当的竞争力。我们可以粗略地估计一下,由于荧光灯寿命只有LED使用寿命的1/10,设每只太阳能用直流荧光灯的价格为25元,每只6W白光LED灯由10个0.6W LED组成,每个LED单价为20元,总价为220元(包括灯具);以总使用时间5×104h计,若用荧光灯需换灯十次,总费用250元,而用LED灯具仅为220元。同时LED灯的功耗约6W,低于现有的9-11W荧光灯,对太阳能系统的功率配置可减少4W左右,以每峰瓦太阳能系统(包括蓄电池)造价为50元计,每套系统可降低成本200元。对于使用5×104h时间而言,太阳电池组件将需要更换一次,而蓄电池将需要更换数十次以上,因此综合成本将明显低于现有的节能灯照明系统。

(2 )由于通常的LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内,一般灯具中的反射器就不再是必要的光学组件,而往往用透镜作为准直光学组件。例如,用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后,用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折产生满足各种照明灯标准要求的光分布。这就要求对LED照明灯的灯具进行与以往完全不同的二次光学系统设计。由于LED照明需由多个LED管组成,其参数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类,尽量保证一致性以外,必须在设计合理的灯具结构(包括LED的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路,防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。由于多个LED组成一只照明灯具时,避免不了对LED进行并联、串联。在使用过程中只要有一个LED短路或开路,都将会导致整小片或整条LED熄灭,影响照明效果,为此,必须研究简单而廉价的保护电路,使这种不良影响降至最低限度。此外,由于LED对散热条件的要求较高,如果结温超过标准限定值将导致不可恢复性光强衰减。因此,使用时除有足够的散热措施外、还必须考虑合理的电路设计和电路布局,尽量使 LED保持良好的工作状态,充分发挥它的长寿命优点。使用时还应尽可能使用模块化的LED组件。

( 3 ) 一般的太阳能光伏电源技术已研究得很多,但用于半导体照明系统的光伏电源研究还只有刚刚起步。首先碰到的问题是由于目前太阳电池组件的光电转换效率还不很高(国内产品约12~15%,国外产品约15~17%),提供50W的灯使用电池组件的面积约为0.3~0.5 m2, 如果用于路灯,由于电池组件的面积较大,如何实现牢固安装、如何做到美观大方等方面都需要进行研究。同时,对独立电源系统而言,白昼的太阳光能用于夜晚照明必须通过蓄电池储能,虽然目前可用于太阳能独立供电系统的蓄电池品种比较多,但考虑到系统成本,目前大多用铅酸蓄电池。铅酸蓄电池不仅笨重而且其性能与使用环境温度有密切关系,这不仅给安装工作带来困难,而且在安装工程中还必须考虑散热、通风,防雨,防虫等一系列问题。此外,照明系统往往希望体积小巧,灯具美观别致,这就要求太阳能电源控制器与灯具做一体化设计。由于控制器也不允许长期工作在高温环境中,这种一体化设计要求必然给大功率LED灯的灯具的制造带来更多的困难。

鉴于发展太阳能半导体照明有着十分重要的意义,同时要实现太阳能LED照明产业化,目前尚有在不少关键技术问题需要解决。最近科技部在“十五”国家科技攻关计划“光伏与风力发电商业化技术开发”项目中,专门作了部署,设立了“开发使用光伏电源的半导体照明系统”课题,拟资助较多的资金组织有关单位进行攻关,希望二、三年后有多种太阳能LED照明灯出现在市场上。

结束语

尽管发展太阳能供电的发光二极管照明系统目前尚存在一系列技术关键问题需要解决,但随着太阳电池组件价格的不断下降,发光二极管的发光效率的迅速提高,光电系统和发光二极管灯具制造工艺的进一步改进,一些经济上和技术的障碍将逐步消除。相信在不久的将来,这类照明系统会在很多领域获得广泛的应用。


 

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