太陽能與LED照明配合應(yīng)用之探討

【摘要】 太陽能目前看來是取之不竭的綠色能源，而半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）則是一種環(huán)保、節(jié)能和高效的固態(tài)電光源，兩者結(jié)合產(chǎn)物太陽能LED照明燈具有兩者共同的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可為人類解決更多的能源問題。本文介紹了太陽能LED照明燈的主要組成及優(yōu)點(diǎn)，并重點(diǎn)闡述阻礙其發(fā)展的幾個(gè)問題。

【關(guān)鍵詞】 太陽能 LED 優(yōu)點(diǎn) 問題

引言

太陽能是一種地球上取之不竭的清潔綠色能源，每日到達(dá)地球的輻射能量相當(dāng)于約為2.5億萬桶石油，容量相當(dāng)大。而LED燈的發(fā)光效率高，卻比節(jié)能燈還要節(jié)能25%。而太陽能LED照明系統(tǒng)則集中了太陽能與LED兩者的優(yōu)點(diǎn)。隨著地球能源越來越緊張，且環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，人們開始更多的關(guān)注使用可持續(xù)的產(chǎn)品。且隨著太陽能LED照明燈技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太陽能發(fā)電在照明領(lǐng)域發(fā)展日益成熟，更加加深了人們對(duì)太陽能LED照明系統(tǒng)的親睞。

1. 太陽能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1城市亮化照明

目前太陽能光伏技術(shù)在城市亮化照明中的應(yīng)用業(yè)已起步并以快速發(fā)展的勢(shì)頭逐步普及應(yīng)用。學(xué)校、公園、住宅小區(qū)、別墅等場所的指示牌、草坪燈、路燈等均可采用太陽能光伏照明技術(shù)，使公共照明更方便、安全、環(huán)保、節(jié)能。太陽能亮化照明的工作原理是：由太陽能電池板作為發(fā)電系統(tǒng)，讓電池板電源經(jīng)過大功率二極管及控制系統(tǒng)給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電源達(dá)到一定程度時(shí)，控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，電池板自動(dòng)切斷電源，實(shí)行自動(dòng)保護(hù)。太陽能景觀燈外觀設(shè)計(jì)大多采用金屬與工程塑料相結(jié)合壓鑄成型，燈體可呈現(xiàn)出圓形、方形、幾何圖案等多種形狀，儀態(tài)萬千、風(fēng)格迥異，或豪華典雅、或簡潔明快。燈體顏色有白、紅、綠、蘭、紫、黃等，依次漸變或閃爍。天黑后系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)亮燈裝置，一眼望去，燈體發(fā)出均勻柔和的光線，幾種顏色跳躍漸變，整個(gè)城市的夜晚在一瞬間律動(dòng)起來。而太陽能高桿燈一般桿高8～13米，照明功率50W～130W，有效照明面積可達(dá)幾百平方。太陽能亮化照明技術(shù)具有一次性投資、無長期運(yùn)行費(fèi)用、安裝方便、免維護(hù)、使用壽命長等特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)原有植被、環(huán)境造成破壞，同時(shí)也降低了各項(xiàng)費(fèi)用，節(jié)約能源，可謂“一舉多得”[1]。

1.2建筑物樓道照明

太陽能走廊燈由太陽能電池板供電。整棟建筑采用整體布局、分體安裝、集中供電方式。太陽能安裝在天臺(tái)或屋面，用專用導(dǎo)線（可預(yù)留）傳送到每層走道和樓梯口。系統(tǒng)采用聲、光感應(yīng)，延時(shí)控制。白天系統(tǒng)充電、夜間自動(dòng)轉(zhuǎn)換開啟裝置，當(dāng)探測到有人走動(dòng)信息后，自動(dòng)啟動(dòng)亮燈裝置，并延時(shí)3～5分鐘后自行關(guān)閉。當(dāng)樓內(nèi)發(fā)生突發(fā)事故如火災(zāi)、地震等切斷電源或區(qū)域停電時(shí)，仍可連續(xù)供電3～5小時(shí)，可以作為應(yīng)急燈使用，在降低各項(xiàng)費(fèi)用的同時(shí)體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)理念。此種產(chǎn)品還可用在小區(qū)的樓號(hào)牌、單元門牌等部位，為夜歸人及來訪的客人提供方便[2]。

1.3“光伏——建筑照明一體化”技術(shù)的應(yīng)用

太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長迅速，不僅因?yàn)樗蔷哂性S多優(yōu)點(diǎn)的清潔能源，一個(gè)更誘人的動(dòng)因是，在太陽能與建筑一體化的過程中，太陽電池組件比太陽能熱水器與建筑更有親合力。太陽電池組件不僅可以作為能源設(shè)備，還可作為屋面和墻面材料，既供電節(jié)能，又節(jié)省了建材，國外己有非常好的案例。因此，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與建筑結(jié)合方面，將具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，前途無限。

目前已成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面（頂）、墻壁及門窗等，實(shí)現(xiàn)了“光伏——建筑照明一體化（BIPV）”。本系統(tǒng)的工作原理是：由多片單晶硅太陽能光電池組合而成的電池板，經(jīng)過太陽光的照射之后產(chǎn)生光電效應(yīng)而發(fā)出直流電，再由系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換器將直流電轉(zhuǎn)換成一般電器所需的交流電，經(jīng)由配電系統(tǒng)供照明、空調(diào)等系統(tǒng)使用，以及蓄電池儲(chǔ)存電力，尚可提供防災(zāi)緊急用電需求。建筑物的墻面和屋頂?shù)腜V組件的造型、色彩、建筑風(fēng)格與建筑物結(jié)合，與周圍的自然環(huán)境整合，以期達(dá)到完美的協(xié)調(diào)。國內(nèi)某鋁板幕墻制造公司研制成功一種“太陽房”，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一體，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來，稱為太陽能建筑系統(tǒng)（SPBS），已通過專家論證。這將有力地推動(dòng)太陽能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場化的進(jìn)程[3]。

2. 阻礙太陽能LED照明系統(tǒng)發(fā)展的幾個(gè)問題

2.1太陽能電池發(fā)電效率低

太陽能LED照明系統(tǒng)中LED驅(qū)動(dòng)電能主要由太陽能電池組件提供，而目前太陽能電池的發(fā)電效率普遍都比較低，所有種類中轉(zhuǎn)化效率最高的單晶硅太陽池，光電轉(zhuǎn)化效率為15%左右，最高雖可達(dá)24%，但它的制作成本太大。多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽電池制作工藝相似，且成本較低，但它的光電轉(zhuǎn)化效率又只有12%左右。非晶硅太陽能電池在弱光條件下也能發(fā)電，但是其轉(zhuǎn)化率也只是10%左右，且其轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的延長會(huì)衰減。綜上，太陽能電池組件的轉(zhuǎn)化效率偏低，成為嚴(yán)重影響太陽能LED照明系統(tǒng)效率的主要原因之一。

2.2 LED發(fā)光效率低

LED作為太陽能LED照明系統(tǒng)的光源，其發(fā)光性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)光性能，LED的發(fā)光效率由內(nèi)量子效率、外量子效率等因素共同決定。當(dāng)前，LED內(nèi)部存在大量非輻射缺陷產(chǎn)生的自發(fā)極化和壓電效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)光效率下降，即Droop現(xiàn)象。另外，LED中的無法及時(shí)散出的熱量引起結(jié)溫的升高也是LED發(fā)光效率下降的主要原因。改善LED性能、提高發(fā)光效率成為太陽能LED照明系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題之一，制約了太陽能LED照明系統(tǒng)的發(fā)展。

2.3太陽能LED照明系統(tǒng)成本高

由于硅材料價(jià)格上漲和供應(yīng)瓶預(yù)，太陽能LED照明系統(tǒng)電成本偏高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)1度電太陽能電池組件成本為五元，是傳統(tǒng)火力發(fā)電成本的10倍。太陽能LED照明系統(tǒng)成本偏高的另一原因是系統(tǒng)中光源LED的成本也很高，以產(chǎn)生1000流明的光通量為例，用白熾燈成本小于1美元，用緊湊型熒光燈的成本小于2美元，而使用10顆大功率LED的成本超過20美元。不用電纜的費(fèi)用和后來節(jié)約電費(fèi)又很難抵消光源的價(jià)格差。綜上，由于太陽能發(fā)電及LED光源的成本高導(dǎo)致太陽能LED照明系統(tǒng)價(jià)格偏高，成為影響其廣泛應(yīng)用的主要障礙。

2.4蓄電池系統(tǒng)較為薄弱

太陽能LED照明系統(tǒng)中經(jīng)常用的單晶硅太陽能電池的壽命可達(dá)25年，光源LED燈的壽命更是理論上可達(dá)10萬個(gè)小時(shí)，而普通蓄電池的壽命一般為2～3年，儲(chǔ)能電容的壽命雖可達(dá)10年以上，能在一定程度上解決這個(gè)問題，但儲(chǔ)能電容價(jià)格十分昂貴。所以，蓄電池成為太陽能LED照明系統(tǒng)應(yīng)用急需解決的關(guān)鍵問題。

2.5太陽能產(chǎn)品的質(zhì)量

近年來，太陽能光伏技術(shù)發(fā)展快速，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家如雨后春筍。但有些太陽能產(chǎn)品沒有形成系列，質(zhì)量參差不齊，甚至在光源的選擇以及電路設(shè)計(jì)中存在許多缺陷，降低了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)型和可靠性。同時(shí)，國家缺少相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測系統(tǒng)，使得太陽能光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化收到影響。

結(jié)束語

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益擴(kuò)大，能源短缺問題已經(jīng)成為影響中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一個(gè)重要問題，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。目前太陽能燈具在戶外照明領(lǐng)域市場占有量不到25%，預(yù)計(jì)在2012年以后，太陽能燈具在戶外照明領(lǐng)域市場占有量可達(dá)10%以上，五年以后有望達(dá)到30%左右。太陽能燈具是目前最環(huán)保、最節(jié)能、最易推廣的新燈具，市場前景不言而喻。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮新紅.太陽能LED照明系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展[J]. 科技資訊，2011，（36）：48-49.

[2] 楊成銀，黃志輝，邱望標(biāo).太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 燈與照明，2007，31（03）：17-20.

[3] 王雅芳.大功率LED照明電路特性與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 電子與封裝，2009，（04）：80-81.