LED灯光节能的原理及应用

LED灯光节能的原理及应用

　　LED灯光的产生在照明领域具有里程碑式的意义。随着世界日益增加的能源消耗需求，石油、天然气、煤碳等当代世界主要能源资源的储存量正在逐步减少，按照现在的开采速度，石油和天然气分别只有40多年和60多年的可采储量。寻求新能源和再生能源的利用，开发节能高效的技术，受到了全球范围的普遍重视。太阳能光伏发电LED照明是新能源和节能技术的典型应用。太阳能光伏发电将大自然中的太阳能转换为电能，提供给LED光源。由于LED光源的低电压、节能和长效的特征，太阳能LED照明系统的应用，将能实现很高的能源利用效率、工作可靠性和实用价值。因此，对太阳能光伏发电照明系统控制技术的研究受到了各方面的重视。

　　LED灯光节能性的产生原理

　　太阳能光伏发电LED照明系统组成高效节能的太阳能光伏发电LED照明系统包括太阳能电池组、DC-DC变换器、最大功率跟踪MPPT fMaximum power point tracking)控制、储存电能的蓄电池组和LED照明控制、LED光源等部分。

　　太阳能光伏发电照明系统的工作原理是：在有太阳光的时间段，太阳能电池组将采集到的太阳能转化为电能;在控制系统的控制下，采用太阳能光伏电池最大功率跟踪(MPPT)方式，将电能储存到蓄电池组中;在LED照明系统需要电能供电时，向LED照明光源提供安全高效的电压电流。使LED照明系统节能高效地工作，为人们的工作和生活提供洁净环保的绿色照明。

　　太阳能光伏发电太阳能光伏电池发电是利用太阳能的主要方式之一。

　　太阳能光伏电池的发电原理是光生伏特效应，对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5 0.6 V,通过光照在界面层产生的电子一空穴对越多，形成的电流越大。界面层吸收的光能越多，同样形成的电流也越大。目前应用和研究的太阳能电池主要有硅太阳能电池、化合物半导体电池和染料敏化太阳能电池。硅太阳能电池是目前太阳能光伏电池的主流，在硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池的光电转换效率最高，实验室转换效率达24%以上，工业规模生产的单晶硅太阳能电池效率达到18%以上。薄膜太阳能电池近年来得到了很大的发展，多晶硅 }晶硅/微晶硅薄膜太阳能电池等新型太阳能电池也已规模产业化，最高转换效率达到了16%以上。近年来，对CIS,CIGS薄膜太阳能电池、GaAs太阳能电池等化合物半导体太阳能电池的研究也取得了实用化的进展。染料敏化TiO 太阳能电池的研究也取得了引人注目的成果。

　　由于太阳能电池的输出电压和电流之间存在着非线性和可变性。在特定的环境下就存在一个最大‘功率输出点 ,以及与最大功率点对应的电压 一和电流。当环境变化时，太阳能电池的输出特性曲线也随之变化。太阳能电池的输出电压和输出电流的特性曲线见图2.为了从太阳能电池获取尽可能多的电能，提出了太阳能电池的最大功率跟踪问题。最大功率点跟踪控制的常用方法有定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制法、负载电流/电压最大法等整LED工作电流的方法可以采用恒流驱动和恒压驱动。根据LED的伏安特性，在LE D的正向导通区，微小的电压波动就会引起电流很大的变化，所以采用恒流驱动是应选方案。

　　LED灯光艺术性的具体表现

　　LED的发光原理。LED是由Ⅲ一V族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaAsP(磷化镓砷)、A1GaAs(砷化铝镓)等半导体制成，其核心是P-N结，因此它具有一般P-N结的伏一安特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。当P型半导体和N型半导体结合时，由于交界面处存在的载流子浓度差。于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散。这样，P区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子，N区一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子就是空间电荷。空间电荷集中在P区和N区交界面附近，形成了一很薄的空间电荷区，就是P-N结。当给P-N结1个正向电压时。便改变了P-N结的动态平衡。注入的少数载流子(少子)与多数载流子(多子)复合时，便将多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。如果给PN结加反向电压，少数载流子(少子)难以注入，故不发光。

　　白光LED的主要实现方法。目前，氮化镓基LED获得白光主要有：蓝光LED+黄色荧光粉、三色LED合成白光、紫光LED+三色荧光粉3种办法。最为常见形成白光的技术途径是蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉结合组成白光LED。LED辐射出峰值为470nm左右的蓝光，而部分蓝光激发荧光粉发出峰值为570nm左右的黄绿光。与另一部分透射出来的蓝光与激发荧光粉产生的黄绿光混合产生YlO：Ce白光。目前采用的荧光粉多为稀土激活的铝酸盐YlO：Ce (YAG)，当有蓝光激发它时发出黄绿色光，所以称作黄绿色荧光粉。该方法发光，发光效率高，制备简单，工艺成熟。但色彩随角度而变。光一致性差，而且荧光粉与LED的寿命也不一致，随着时问的推移，显色指数和色温都会变化，影响了发光光源的发光质量。采用红、绿、蓝三原色LED芯片或三原色LED管混合实现白光。前者为三芯片型，后者为3个发光管组装型。红、绿、蓝LED封装在1个管内，光效可达20lm/W,发光效率较高，显色性好[31.不过，这种合成白光方法的不足之处就是LED的驱动电路较为复杂。三芯片型三原色混合成本较高，而且由于红绿蓝3种LED的光衰特性不一致，随着使用时间的增加，三色的混合比例会变化。显色指数也会相应变化紫外光或紫光LED激发三原色荧光粉，产生白光。采用这种方法更容易获得颜色一致的白光，因为颜色仅仅由荧光粉的配比决定，此外，还可以获得很高的显色指数。但其最大的难点在于如何获得高转换效率的三色荧光粉，特别是高效红色荧光粉。而且防止紫外线泄露也是很重要的。

　　伴随着我国经济的高速发展和人口规模的迅速膨胀，致使能源的消耗量不断增大，城市的发展紧跟着“高能耗”,能源的供需矛盾日益突出，能源短缺将严重阻碍城市未来的发展。半导体照明光源是一个具有巨大市场发展潜力的产业。随着技术的进步。半导体照明光源的应用领域将迅速扩大。在未来的5-10年，它将成为照明产业的主力军。它将改变人们对照明的认识。发展个性化照明理念，无疑是照明领域的一次革命。同时。我们必须科学分析、冷静面对半导体照明带来的历史机遇，制订科学的发展规划，使得半导体照明得到健康的发展。