刘淑平，苑雅娟，徐铁军
(华北电力大学，河北保定071003)
摘 要：超高亮白光LE D，由于其自身的体积小、耐低温、长寿命和无污染等独特的优点，随着发光效率的提高，其应用面不断扩大，该文从太阳能LE D灯具的原理、主要技术与性能指标等方面介绍了超高亮白光LE D在太阳能灯具中的应用。
关键词：超高亮白光LE D；太阳能灯具；控制器
0 引言
太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的、是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超高亮白光LE D照明光源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面均有不可比拟的优越性[1]，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方,LE D灯具的触角就会到达。 1 超高亮白光LED
1.1 发光原理
超高亮度LE D(UH B)是指光效达到或超过100 lm/W的LE D。LE D外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是P—N结，在半导体P—N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体P—N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一LE D芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光LE D通常是在发射蓝光的InG aN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光[2]。
1.2 工作特性
管道防爬刺由于LE D是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。超高亮白光LE D应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LE D发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LE D或平光型与束光型超高亮LE D组合使用，将多个LE D集中于一起，排列组合成一定规则的LE D发光源。
超高亮白光LE D发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合
效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17.5mA[3]。
超高亮白光LE D发光源具有如下优点
[4]:
(1)寿命长。LE D的寿命长达10万h，而白炽灯的寿命一般不超过2000h，荧光灯的寿命也不过5000h左右。
(2)效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯,LE D的功耗只有前者的10%～20%。
(3)绿环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比,LE D不含汞、无频闪，是一种环保光源。
(4)耐低温。环境使用温度在-40℃～80℃，环境适应性非常强。
2 超高亮白光LED在太阳能灯具中的应用
2.1 太阳能LE D灯具的原理
不锈钢抛光轮
图1 太阳能灯具结构框图
太阳能LE D灯具在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，在晚
上点亮LE D用于照明，是现代化绿环保节能产品。具有智能控制系统，全天候供电无需管理人员。在系统设计时考虑连雨天气，把平时多余的电能储存到蓄电池内，确保用于阴雨天有足够的电能使用。
如图1所示，详细原理为：用太阳能电池光伏板将太阳光转换的电能，通过智能太阳能控制器转存在蓄电池组中，当自然光照度降到需要照明光源时，经过智能控制器比较电路再将蓄电池中的电能输出
给LE D发光源发出可见光。当自然光照度升高到不再需要照明光源时，再经过智能控制器比较电路关断输出给LE D发光源的电源，使LE D发光源不再发光耗能。
2.2 太阳能LE D灯具的主要技术
1)智能太阳能控制器：采用的是低功耗C M OS 元件组成的控制电路，这种电路完全是由硬件组成的控制系统，这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，同时器件的选择可靠，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。本系统采用直接耦合方式的充放电控制器电路[5]，根据LE D同蓄电池的匹配特性，能够做到功率自适应，在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也会更亮。
2)太阳能LE D发光源：在太阳能LE D灯具中，发光源所用的LE D数量，从1个到上千个不等，一定数量的LE D组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在LE D排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LE D的发光效率，并使得单位面积LE D的数量少以降低成本。
2.3 太阳能LE D灯具的性能指标
表1 太阳能LE D灯具的主要性能指标
太阳能电池12W/12V
LE D发光源柱式排列,96粒LE D、平均功耗3.5W
电源控制器工作电流5A，使用工作温度-40℃～+80℃
过充保护电压14.4V(25C)
喷淋除尘器过放保护电压11V
蓄电池24Ah,12V
静态工作电源8mA
照明时间天黑后，光控自动启动电光转换功能；天亮后光控自动恢复到光电转换模式阴雨天保证时间保证连续3～5个阴雨天正常工作。
2.4 应用实例
太阳能LE D灯具以其不用专人管理和控制，一次性投资安装无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，还有其独特的高亮度低成本等特点可以方便安装在广场、校园、公园、街道等[6]。国内众多太阳能灯具生产厂家在发光源上主要推广的是太阳能低压节能灯系列，而低压节能灯在原理上需经高频高压振荡产生脉冲而发光，所以在直流逆变过程中，不可避免的要产生过多的无效功耗，从而提升了整体太阳能灯具的功率消耗，另外节能灯的发光效率远不如LE D，故在同等亮度同等阴雨天保证时间的前提下，太阳能节能灯系列灯具的成本要比太阳能LE D系列灯具的成本高出50%以上，而发光源使用寿命比太阳能LE D系列灯具低70%，故太阳能LE D系列灯具是有明显市场竞争力的。
目前，采用前文所述的太阳能LE D灯具已在保定、北京、河南郑州等地建立了示范工程，进一步在内蒙、陕西等地广泛应用，它高亮度、低成本的特点得到了社会及消费者的认可。如：太阳能LE D灯具产品之一的柱式光源耗能仅3.5W左右，但所发出的光的亮度已达到了20W节能灯或40W白炽灯的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太阳能，使用太阳能电池的容量只需要12W,12 V/24Ah的蓄电池组就已经能够保证此种LE D发光源在5个阴雨天持续有效工作，而20W节能灯要想在同等条件下正常工作，太阳能电池容量最少要达到70W以上，蓄电池组也要到达70Ah以上，而且超高亮LE D平均使用寿命10万小时，使用期最少在10年以上，而节能灯的使用寿命仅为8000～10000h。(下转第39页)
近光灯6个、在远光灯时则另加5个。据该厂商表示，在近光灯点亮时的光束可达到800lm～1000lm；
另外，也可根据行驶状态，对近光灯用的白光LE D模块点亮进行控制。
比方说，在高速驾驶行为中(超过100km)，头灯中央部分的5个点亮，便能使头灯所投射的光束降低其照射范围，使光线具有远射的照明效果。另一方面，若在市区行驶时，中央部分的上边3个与中央部两侧配备的1个近光灯用白光LE D模块点亮，扩大汽车头灯光线照射角度。 因此，使这项智能型的头灯设计兼具AFS功能，可使行驶在弯道时灯光的投射角度会随着汽车转向方向进行判断照明范围，也在头灯中央部位设计具有活动性。
白光LE D光源系统的能量转换效率为65%：欧司朗(OSRAM)也推出名为“OST AR”的白光LE D汽车头灯模块；其架构是将4个1mm大型LE D芯片，并将其整合封装后，使每个模块的光束高达300lm。
另外,OSRAM也使用OST AR研发出驱动白光LE D模块的电源IC在内的光源系统，只要经由该系统通上电后，便具有65%的光能转换效率，而在散热方面，也在LE D的光源背面搭配上散热片，借以提高光源冷却效率。
3 结束语
目前全球各大汽车展中，都能看到以白光LE D
作为汽车头灯的概念车款，不仅以外观亮丽而引人注目，也在实用化方面注入不少研发心血，包括：丰田汽车作为雷克萨斯品牌旗舰轿车推出的概念车“LF-Sh”，及丰田品牌下一代微型面包车的概念车等，也都搭配了白光LE D头灯，这都使人感觉离白光LE D头灯的未来已经非常接近。
不过，要使白光LE D成为汽车头灯的主要光源，相关部份的交通法规将要修订。例如，联合国欧洲经济委员会审议汽车头灯的G RE法条，预计会在2年之后才能允许使用白光LE D作为汽车头灯的主光源，倘若法规修订尚未通过，汽车市场导入白光LE D 头灯的过程将会持续延续下去。
参考文献:
[1] 许日滔.车用LE D头灯组研发介绍.台湾车辆研测资
讯,2005-11
[2] 许日滔.高效能LE D头灯设计.台湾车辆研测资讯,
2005-03
[3] 庄富安.台湾抓稳LE D头灯商机.工商时报,2006-07
-12
[4] 迎接高亮度LE D车头灯照明世代.新电子科技杂志,
2006(1)
[5] 王温良.AFS与传统灯具之欧洲法规要求分析比较报
告.财团法人车辆研究测试中心
[6] Lumileds lighting,w w w.lumileds
(上接第35页)
拟合直线3 结论
21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LE D为代表的新型光源、绿照明的世纪。今后，随着各国政府的高度重视和加大投入,LE D必将成为本世纪极具竞争力的新型绿环保光源而掀起一次照明领域新的革命[7～8]。太阳能LE D灯具以其优越的节能效果、人文的光源照明控制，倍受客户青睐，其性价比已与工频交流电灯具基本持平，易于客户接受，所以只要太阳能充足的地方就有太阳能开发应用的市场。
参考文献:
[1] 项红升，李明，王志华，等.LE D在绿节能照明中的应
用进展[J].可再生能源,2004(5):52～54
[2] 冯昌，徐进明.超高亮度LE D在太阳能城市灯光系统中
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[4] 雷玉堂，黎慧.未来的照明光源—白光LE D技术及其发
展.武汉：武汉乐通光电新技术研究所,2003:10～13 [5] 吴理博，赵争鸣，刘建政.用于太阳能照明系统的智能
控制器[J].清华大学学报(自然科学版),2003,43(9): 1196～1198
[6] 陈维，沈辉，丁孔贤，等.太阳能LE D路灯照明系统优化
校园网管理系统
设计[J].中山大学学报,2005(11):96～98
[7] 张绍纲.发光二极管的发展方向及其对照明的影响[J].
照明技术与管理,2002(2):1～3
[8] 凌玲.太阳能半导体照明的机遇及前景[J].新材料产
业,2003(11)
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