led在太陽能照明中的應用分析.ppt

,LED之 太陽能照明應用淺析,摘要： 太陽能作為一種新興的綠色能源，以其無可比擬的優(yōu)勢得到迅速的推廣應用。LED作為第四代新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室內(nèi)照明以及其他各領域的照明和應用中得到了有效的利用。尤其是在偏遠無電地區(qū)，太陽能LED照明燈具更具有廣泛的應用前景。 但一擁而上的良莠不齊搞得問題也是越來越多,在此列出我公司在LED照明應用中發(fā)現(xiàn)的一些問題和昌日公司所做的一些工作,供在座的各位專家和廠商思考。,一、太陽能LED照明系統(tǒng)的經(jīng)濟分析： 我們根據(jù)2007年大型國家項目與各地區(qū)政府采購中標參數(shù)價格列出一個表格，命名為太陽能LED燈參照價與市場比例，這個表格能夠清晰的反應目前太陽能LED照明系統(tǒng)的應用情況。,目前影響太陽能LED路燈推廣的主要一個問題是成本高。與會的專家、同行們都知道，太陽能LED照明系統(tǒng)最起碼要保證正確的要求，如前所述，一個是保證八小時，再一個就是陰雨天的正常工作，質保是三年，而且光衰每年是10%，按照我們的基本要求是光通量小于30%。那么要保證它基本執(zhí)行的配置呢，根據(jù)理論和實踐大量的資料，總結的經(jīng)驗就是，在北方地區(qū)是1：4，在西藏青海地區(qū)是1：3，就是說功率和電池有關系的。 光源功率決定了太陽能的系統(tǒng)架構。比如說像我們典型的這個配置，只有這個配置才能滿足五個陰雨天和每天八小時，所以燈具功率和電池板基本上都是1：4。這都是招標直接打出來的，所以我們能看出來太陽能的電源供應成本每瓦是在320346元人民幣，因此這15W的價錢是每一套48005200元（0708年北京市基本招標的價錢）。,如上所述，降低成本的方法只有三種途徑。 第一個途徑是最佳化設計提高效率。 第二個途徑是改變配置降低成本。 第三是提高光效減少功率。,二、太陽能LED燈的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景： 太陽能LED照明涉及光伏、LED、蓄電池、智能控制等多個領域，目前的主要應用產(chǎn)品是太陽能路燈、庭院燈、太陽能黑光殺蟲燈、太陽能交通信號燈、建筑一體化光伏產(chǎn)品等，由于它們的美學價值和價格優(yōu)勢得到了越來越多的人的青睞。 目前已經(jīng)存在的太陽能系統(tǒng)有太陽能戶外照明系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、風光互補系統(tǒng)、太陽能電信系統(tǒng)。 對于城市的太陽能應用，可以重點發(fā)展以下幾項應用：廣場景觀并網(wǎng)系統(tǒng)提供照明用電、遮雨并網(wǎng)型太陽能公交車站、太陽能停車場等。,國內(nèi)太陽能LED燈具發(fā)展迅速，它是光機電一體化的高科技集成產(chǎn)品，并不是簡單的組合。太陽能系統(tǒng)蓄電池電壓每天由10.8V上升到13.6V不斷變化，電壓上升引起電流急劇增加。如無良好的散熱設計及恒流控制，在短時間內(nèi)（3-5個月）有可能光衰達到80%。2008年起開始采用功率LED做光源，在設計、制作中重點解決LED光衰、配光、恒流控制、散熱燈影響壽命的技術問題。目前國內(nèi)較專業(yè)的企業(yè)已基本解決壽命問題。有30%的燈具帶有二次配光設計，較好的改善了道路照明均勻度。 截止到2008年10月，初步統(tǒng)計，全國總計安裝太陽能LED功能性照明燈具5萬只以上，經(jīng)北京地區(qū)三年內(nèi)就安裝了4萬只以上，早期產(chǎn)品光衰嚴重。采用1W大功率LED光源的由于熱量分散，使用效果較好。采用10-30W組件為光源的，熱量集中、光衰明顯較大。許多技術問題亟待解決。,那未來太陽能LED照明的國內(nèi)外市場前景如何？國內(nèi)太陽能LED照明制造商目前面臨著哪些問題？ 根據(jù)拓撲產(chǎn)業(yè)研究所（Topology Research Institute）的報告指出，雖然LED路燈尚未平民化，還無法普及，但新興國家的路燈需求量大增，在全球廠商的積極努力下，2009年將是LED路燈快速發(fā)展成長的一年，全球出貨規(guī)?？蓮?008年的90my萬盞急速攀升至2009年的210萬盞，據(jù)估計2010年更可達到440萬盞。在全球2009年210萬盞的增加量中，中國所占量會達到50%。 我們相信半導體照明產(chǎn)業(yè)具有充分潛力的同時，除寄希望于LED發(fā)光效率的不斷提高，還應充分從理論到實踐扎扎實實的掌握好LED路燈的光學、散熱、驅動等關鍵技術，并認真做好試驗和推廣應用工作。,三、光學設計環(huán)節(jié)： 一般功率LED都帶透鏡，所以燈具的光學設計又稱為二次光學設計。就每個LED單元來說，二次光學設計可根據(jù)路燈照明要求采用反射鏡、折射透鏡進行配光。也有的是利用LED路燈多光源的特點對安裝面角度調節(jié)進行簡單的調整，簡單的說，LED路燈光源由于是朗伯體分布，二次配光較傳統(tǒng)光源如高壓鈉燈或金鹵燈路燈配光容易，配光后達到的效果也好，均勻度也可小幅度提升，還減少了無謂的光損失，增加到達路面的光通量。 一般而言，希望二次配光后能夠實現(xiàn)寬角度的“蝙蝠翼”配光。當然，如果在功率LED封裝時直接在一次透鏡上完成這種設計，則無需進行二次配光，但目前來說這種一二次合一的透鏡設計效果均不是特別理想。根據(jù)我們的經(jīng)驗，這種一二次透鏡合一的功率型LED歐司朗做的較好，可過回流焊。我們公司目前也有采用這種合一透鏡功率LED的產(chǎn)品設計，但效果不如采用自由曲面二次透鏡的效果好。,總之，二次配光的設計原則是在考慮達到路面指標的情況下，盡可能的增加燈桿之間的距離，進而減少燈的數(shù)目，從而降低安裝LED路燈的總成本。二次光學設計是LED路燈設計第一步，二次光學設計的好壞直接決定燈具照明效果。,四、采用自由曲面設計方法實現(xiàn)LED路燈矩形配光 前，也有很多廠商提出LED路燈配光呈現(xiàn)矩形分布，即通常所說的“光毯”效果。采用機械式配光或采用自由曲面二次透鏡配光方式均能很好的實現(xiàn)矩形配光。主要設計方法是采用非成像光學的設計方法。 與傳統(tǒng)的成像光學不同，非成像光學(Nonimaging Optics)并不試圖在目標面上構建清晰的光源像，而是試圖在光源與目標面間找到一種經(jīng)過優(yōu)化的光線傳遞路徑。非成像光學主要用于解決光線收集(Concentration)和照明(lumination)兩類問題。特定地，在解決照明問題時，如果從光線追跡的角度看，可以發(fā)現(xiàn)光源與照明目標面上的點并不存在一一對應的關系，相反，擴展光源上的每一個點可能都與整個照明目標面相對應，形成類似“柯拉照明”的多重照明模式，最終實現(xiàn)目標面的特定照度分布(最簡單的情況為均勻照明)?；诜浅上窆鈱W理論的照明系統(tǒng)，主要包括CPC、自由曲面等照明系統(tǒng)。,所謂自由曲面，是指這樣一類光學面，它們不像傳統(tǒng)成像光學面那樣具有精確的表達式和對稱軸，整個面型完全由面上的離散點定義并擬合而成。通過一個或者多個自由曲面的配合，基于光學擴展量守恒原理，則由光源發(fā)出的光學與照明目標面上希望的光強分布進行匹配，自由曲面的設計方法有很多，最為常用的自由曲面設計方法包括兩種：數(shù)值優(yōu)化法(Numerical Optimization Method)和直接法(DirectMethod )，其中直接法又包括SMS法(Simultaneous Multiple Surface ) 、M-A等式法(Monge-Ampere Type Equation)，剪切法(Tailored Lens ) 等。 除了自由曲面透鏡設計方法外，還有一些其他的方法實現(xiàn)均勻矩形光斑，如復眼透鏡陣列照明系統(tǒng)。具體系統(tǒng)由準直系統(tǒng)和復眼透鏡兩部分組成，LED發(fā)出的光線經(jīng)準直系統(tǒng)調制成平行系統(tǒng)主光軸的平行光，再經(jīng)復眼透鏡以一定的角度發(fā)散出去。準直系統(tǒng)由反射器和中央準直透鏡兩部分組成，復眼透鏡的每個面元內(nèi)面為平面，向外一面為非球面，邊緣形狀為矩形。,五、散熱設計環(huán)節(jié) LED器件的發(fā)光效率和壽命與其工作時的結溫有密切關系。對于給定功率的LED來說，結溫上升帶來的是效率的下降和壽命的縮短。因此散熱是 LED 路燈要重點解決的問題。LED 是冷光源，不象白熾燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是， LED 本身耐溫能力比較差，所以必須將發(fā)光管工作時產(chǎn)生的熱量有效地散發(fā)到空氣中去，保證芯片工作在安全的溫度環(huán)境下， 這樣 LED 燈才能真正的體現(xiàn)出長壽命的優(yōu)勢。 由于發(fā)光管生產(chǎn)技術的進步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來越低，目前 1W 的發(fā)光管的熱阻普遍在 15/W 以下，也就是說，給 1W 的發(fā)光管加 1W的電功率，管芯比管殼的溫度只高 15。按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯溫度不超過150就能長期安全的工作。這樣推算，外殼溫度135時可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的限制，實際使用中的管殼溫度最好不超過 70，這樣管芯溫度只有 85，發(fā)光管的透明封裝材料也不會快速老化。因此，沒有必要將半導體燈工作時的溫度降得很低，但必須減小發(fā)光管外殼和燈體外殼之間的熱阻，這樣就可以以比較小的體積和比較低的成本生產(chǎn)穩(wěn)定工作的半導體燈。,LED路燈散熱設計總的思路就是要熱通道中的過程盡可能短，熱阻又盡可能小，使熱盡快的導出，然后散出去，以使器件的結溫上升值盡可能小。 目前，LED散熱方式主要分為主動式散熱和被動式散熱。主動散熱方式主要采用熱管傳熱，將熱量迅速導出至殼體。主要應用與100W以上LED路燈，熱管中尤以回路熱管導熱效率最高。它不像單管熱管那樣因重力因素造成放置位置對導熱效率有影響，成本較低，是最適合采用的技術。被動式散熱是采用不同形狀的AA6063鋁散熱片，通過LED芯片與散熱片的密合連接進行散熱。 散熱分析的方法可采用熱阻計算法和有限元法分析瞬態(tài)熱流。,六、LED路燈的驅動電源環(huán)節(jié) 由于LED是電流控制器件，所以應該用恒流電源驅動。LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。 目前市面上的驅動電源主要有兩種：一種是單級的直流恒流驅動，比較簡單，效率可接近90%。另一種是標準的AC/DC開關電源和DC/DC恒流驅動電路串聯(lián)驅動。只要選用質量較好元器件，就可以做出效率達到90%以上的恒流驅動電源。 在驅動電源中還應具有防浪涌保護電路。 在制成LED燈后，還應按國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2008年9月開始實施的推薦性技術規(guī)范LB/T001-2008整體式LED路燈的測量方法，進行基本的電性能、電流諧波測量、電磁兼容試驗、光通量和光效測量、光強分布和光束角測量、顏色測量、光通量溫度特性曲線測試、最高允許環(huán)境溫度試驗和壽命、發(fā)光維持特性試驗。,謝