新型半导体电光源在太阳能光伏发电中的应用.doc

新型半导体电光源在太阳能光伏发电中的应用2005年第6期膏滴斟技新型举导体电光源在太阳能光伏发电中的应用王建军(青海省新能源研究所,青海西宁810008)摘要:本文浅述了以发光二极管(LED)为光源的新型半导体电光源的特点,以及其在太阳能光伏发电中的应用优势和应用中应注意的问题,该电光源与太阳能光伏发电系统的结合是极具发展潜力的绿色光源.关键词:半导体;电光源;发光二极管(LED);太阳能;光伏发电1太阳能光伏发电应用中的电光源性能基本要求1.1高效,节能,功耗低构成太阳能光伏发电系统的主要部件晶体硅太阳电池组件,虽然近几年随着生产规模扩大及生产工艺的改进,制造成本已降到3.03.5美元,组件的售价也相应降到3.54.5美元厂左右,光伏发电系统成本降至约7-9美元,但是其发电成本与常规水力发电或火力发电相比至少在3倍以上,所以作为太阳能光伏发电应用中的主要用电设备电光源,要尽量提高其能源利用效率,降低用电功耗.1.2可靠长寿目前国内太阳能光伏发电大规模应用主要集中在无电,缺电地区,这些地区一般相对偏远,自然环境恶劣,交通状况较差,经济文化发展水平落后,这就要求太阳能光伏发电应用中的电光源性能应可靠长寿.1.3环保光伏发电属于清洁的可再生能源,对于减少二氧化碳和其他有毒气体的排放,减少大气污染,保护生态环境具有重要意义,是国家重点提倡开发利用的绿色能源,所以要求太阳能光伏发电应用中的电光源应尽量使用环保材料,减少对环境的污染.2半导体电光源技术2.1发光二极管(LED)的工作原理LED是直接将电能转换为光能的半导体发光器件,通常采用双异质结和量子阱结构.两种不同导电特性的P型和N型半导体相结合而形成的PN结处将存在导电载流子(电子,空穴)的扩散和复合,在电子和空穴相复合时由势能转化为光波形式,其光子的能量:1OrEo=hv.u=C/A式中h:普朗克常量,u:光的频率,c:光速,A:光的波长,:能隙宽度.在直接复合时E0为禁带宽度,在经过禁带中的杂质能级间接跃迁而发光时,En为带隙宽度.通过掺杂和利用多原子晶体可以产生红光,黄光,蓝光以至白光.2.2LED主要特点工作电压低(1.53V),工作电流小(5150mA),功耗小,寿命长(达1O万h以上),响应快;体积小,重量轻,耐振动,不易损坏;低电压驱动,显色性好,调光性能好,色温变化时不会产生视觉误差;生产制作简单,成本低;无汞和紫外线污染等.2.3作为照明用LED的发展白色LED发光效率从开发初期的5ln1,w,到1999年达到相当于白炽灯的光效151m/W,后又提高到相当于卤钨灯的光效251m/W,最近报道美国Agilient实验室已研制开发成功光效为1001m/W的有色LED和光效达4O5Olm的白色LED.日本自1998年以来实施”高效率电光转换化合物半导体”开发计划,已投资5O亿日元,计划至2005年使白色LED光效达到801001m/W.2.4由LED构成的半导体电光源用于太阳能光伏发电的优势新型半导体电光源一般由若干个单体LED经过串,并联组成发光单元,并辅以外围供电,驱动及保护等电路构成.2.4.1可以直接使用直流电源供电LED属于半导体器件,直接可以利用直流电源供电,其工作电压为DC1.53v,驱动电路相对简单.太阳能光伏发电为直流电,一般通过蓄电池存贮和调节电能,蓄电池的额定电压即为系统直流供电电压,该供电电压易于和滴斟技2005年第6期半导体电光源相匹配,即便存在电压转换,转换耦合也容易实现.2.4.2功耗小单体LED的工作电流一般为5150mA,功耗为毫瓦级.与传统的白炽灯泡相比,半导体照明器具在功耗方面有无可比拟的优越性.在相同亮度下,半导体电光源的耗电量仅为白炽灯的10%一2O%.2.4.3长寿命由于半导体电光源的发光机制与白炽灯和荧光灯有本质的区别,属于半导体特性,所以在电流密度小于1A/em的情况下,寿命可达10万h,即可连续点燃11年多,而普通灯泡寿命只有1000h,荧光灯寿命只有6000h.2.4.4无污染目前太阳能光伏发电中,照明器具多选用荧光灯,虽然它的电发光效率高于白炽灯4倍以上,寿命提高26倍,但是在灯管中含有有毒的汞蒸气以及不断产生和容易泄漏出的紫外线,这都会污染人类环境并使生物体中毒损伤,而半导体电光源则不存在汞和紫外线污染.3半导体电光源在太阳能光伏发电中的应用由于LED的颜色,尺寸,形状,发光强度及透明情况等不同,所以使用LED时应根据实际需要进行恰当选择.3.1低电压直流照明适宜太阳能草坪灯,太阳能庭院灯,太阳能信号灯,直流太阳能家用电源等.该领域一般要求照明灯具额定功率较小(其中草坪灯主要以装饰为目的),更重要的是LED由低压直流供电,系统损耗少,光源控制成本低,调节明暗,频繁开关,控制颜色,改变光的分布,产生动态幻景都是可能的,并且不会对LED的性能产生不良影响,所以LED照明灯具特别适合应用在低电压直流照明领域.3.2交流照明适宜交流太阳能家用电源,太阳能光伏电站等.交流太阳能家用电源和太阳能光伏电站的用户一般地处偏远,生态环境脆弱,这就要求照明灯具性能应可靠长寿,无二次污染,这样,其系统的后期维护费用和废弃物对生态的破坏才能降至最低.在相同的照度条件下,从使用寿命和环境保护方面来考虑,交流LED照明灯同现有的三基色荧光灯相比有着明显的优势.3.3其他用途包括太阳能亮化工程光源,太阳能广告牌等.在电力消耗日趋紧张的情况下,有必要大力发展太阳能亮化工程和太阳能广告牌等光源工程,LED照明灯具与其他照明灯具相比在节能方面有独特优势,替代现有高耗能光源将成为光源发展趋势.4半导体电光源应用中应注意的问题(1)LED的特性接近稳压二极管,工作电压变化O.1V,工作电流可能变化20mA左右.为使半导体电光源可靠安全地工作,驱动电路不能简单使用串联限流电阻,应具备自动恒流特性,否则易损坏LED.(2)一般LED的峰值电流50100mA,反向电压6V左右,注意不要超过这个极限,尤其在太阳能电池反接或者蓄电池空载,升压电路峰值电压过高时,很可能超过这个极限,损坏LED.(3)LED温度特生不好,电流变化率近似0.06m,在温度变化较大的环境应用时,应考虑温度的影响.(4)工作电压离散性大,同一型号,同一批次的LED工作电压都有一定差别,不宜并联使用.若一定要并联使用,应该考虑均流.(5)目前,低色温的超高亮白光LED尚未进入市场,而超高亮白光LED色温为6400K一30000K,用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差,所以在光学设计上要注意.(6)静电对超高亮白光LED影响很大,在安装时要有防静电措施,如佩带防静电手腕带.受静电伤害的超高亮白光LED可能凭眼睛看不出来,但是使用寿命将缩短.5结论f1)LED具有体积小,耐振动,响应速度快,寿命长,可低压驱动,安全稳定等优良特性,奠定了作为新一代光源的基础,LED将会在21世纪发展成为替代白炽灯,荧光灯的主要电光源.(2)LED电光源用于太阳能光伏发电系统有着无可比