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文檔簡介

,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(zhì)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(jié)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(qū)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(diào)節(jié)進行簡單的調(diào)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?qū)崿F(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(diào)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(jié)溫有密切關系。對于給定功率的LED來說,結(jié)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(jié)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(qū)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(qū)動。LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)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(qū)動電源主要有兩種:一種是單級的直流恒流驅(qū)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(qū)動電路串聯(lián)驅(qū)動。只要選用質(zhì)量較好元器件,就可以做出效率達到90%以上的恒流驅(qū)動電源。 在驅(qū)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

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