储能在太阳能路灯上的应用
路灯是城市照明的重要组成部分,传统的路灯常采用高压钠灯,高压钠灯360度发光,光损失大的缺点造成了能源的巨大浪费。当前,全球的环境在日益恶化,各国都在发展清洁能源。而随着国民经济的高速增长,我国能源供需矛盾日渐突出,电力供应开始存在着严重短缺的局面,节能是目前所急需解决的问题。因此,开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。
道路照明与人们生产生活密切相关,随着我国城市化进程的加快,LED路灯以(定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等)优势逐渐走入人们的视野,成为目前世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源。
LED路灯(Light Emitting Diode,发光二级管)即半导体照明灯。它是一种基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源,在一定的正向偏置电压和注入电流下,注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子,将电能直接转化为光能。它是一种固态冷光源,具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点,因此,LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。
LED的发光机理
LED是light emitting diode(发光二极管)的简称,本质上就是一种半导体二极管。LED的结构是一个允许电流单向导通的器件,通常是采用两种性质有细微差异的材料构成的PN结组成,P面是带过量的正电荷(通常称“空穴”),N面是带过量的负电荷。当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时,电子就会从N型区向P型区移动,而空穴从P型区向N型区移动,在P型区和N型区的交界处电子和空穴发生复合,复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出来。
LED的发光材料主要以Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体为主。根据这两类元素的带隙和晶格常数的不同可以实现不同波长光谱的辐射,这些发光材料的波长范围覆盖了红光到紫外光区域。虽然Ⅱ-Ⅵ族材料也可以得到红光和绿光,但是这族材料的稳定性比较差,制备发光稳定的化合物比较困难,因此目前使用的发光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。LED发光的颜色是由组成的半导体材料决定的,目前照明领域使用的LED有两大类,一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金可以做成红色、橙色和黄色的LED,另一类是氮化铟和氮化镓的合金可以做成绿色、蓝色和白色的LED。图给出了不同发光材料的发射的波长范围。在LED的设计中只要发光材料中各组分有细微变化,发光的波长和颜色就会有比较大的改变。
早期的LED主要用在电器的指示灯上,通常这样的LED发出的光谱带比较窄但单色性不是很好,发光颜色从黄绿色到红色。在AlGaInP和InGaN发光技术使用后,可以使LED发光峰值在可见光的任何部分,并可以通过不同光谱发光的组合来得到白光LED。
在LED做成大型器件和封装以后,使得LED的光输出有很大的提高,已经达到进行某些场合的照明使用的水平。另外LED采用了大尺寸的半导体元件以后,对LED的结构也进行了改变使其发光效率更高。另外LED的基底层的透光性能也进行改进,不再采用原来对光有吸收作用的基底层,采用了透明材料作为基底层,提高了透光率,并对基底形状进行优化,使尽量多的光线从器件中透出来。
传统的LED的基本结构是这样的(图):LED芯片被固定在导电、导热的带两根导线的金属支架上,有反射杯的引线为阴极,另外一根引线为阳极。芯片外围用环氧树脂材料封装,一方面可以保护芯片,另一方面起到聚光作用。LED芯片是LED器件的核心。芯片两端是金属电极,底部为衬底材料,当中是由P型半导体和N型半导体构成的PN结,发光层位于P型层和N型层之间。
白光LED的实现方法
白光LED的出现为半导体照明打开了一扇崭新的大门。目前越来越多的照明工程都采用了白光LED。在其诞生后的短短几年中,白光LED的光效等都有了长足的进步,白光LED甚至已经开始挑战传统光源的地位。
目前获得白光LED主要有两个途径:第一个是通过荧光粉转换得到白光,第二个是把不同颜色的LED芯片封装到一起,多芯片混合发出白光。对于上述两种途径,根据参与混合白光的基色光源的数目,又可分为二基色体系和多基色体系。
太阳能路灯系统基础知识及构成
太阳能路灯系统有太阳能板,蓄电池,控制器,灯杆及灯具组成,太阳能板负责通过光伏效应发电,蓄电池存储电量,控制器控制充放电及亮灯时间等。通常根据灯具的瓦数来判断需要多大太阳能板,需要多大的蓄电池。
优点:
1、LED路灯本身的特性——光的单向性,没有光的漫射,保证光照效率。 
2、LED路灯有独特的二次光学设计,将LED路灯的光照射到所需照明的区域,进一步提高了光照效率,以达到节能目的。
3、LED的光源效率目前已达110-130lm/W,而且还有很大的发展空间,理论值达250lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加,因此,总体光效LED路灯比高压钠灯强。
4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多,高压钠灯显色指数只有23左右,而LED路灯显色指数达到75以上,从视觉心理角度考虑,达到同等亮度,LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上。
5、LED路灯的光衰小,一年的光衰不到3%,使用10年仍达到道路使用照度要求,而高压钠灯光衰大,一年左右已经下降30%以上,因此,LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低。
6、LED路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率,节省电能。Spark?智能LED路灯可实现电脑调光,分时间段控制,光线控制,温度控制,远程控制,自动巡检等人性化功能。
7、LED是低压器件,驱动单颗LED的电压为安全电压,系列产品单颗LED功率都为1瓦,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所(例如:路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等)。
8、每个单元LED小片只有很小体积,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境。
9、寿命长:能使用5万小时以上,提供三年的质量保证。不足之处就是电源的寿命得不到保证。
10、光效高:采用≥100LM以上的芯片,相对于传统高压钠灯能节能75%以上。
11、安装简便:无需加埋电缆无需整流器等,直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳。
12、散热控制出色:夏天温度控制在45度以下,并采用被动散热方式,夏天的散热保障不足。
13、质量可靠:电路电源全部采用高质量元器件,每颗LED都有单独过流保护,无需担心损坏。
14、光色均匀:不加透镜,不以提高亮度而牺牲均匀光色,从而保证无光圈光色均匀。
15、LED不含有害金属汞,不像高压钠灯或金属卤化物灯在报废时对环境造成危害。
16、维护成本低:相对于传统路灯,LED路灯维护成本极低,经过比较,不到6年即可收回全部投入成本。
综合上述原理,大功率LED路灯的节能效果显著,代替高压钠灯可节电60%以上。
缺点:
1.单个LED功率低。为了获得大功率,需要多个并联使用。
2.显色指数低。在LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实,这要从光谱分布上来分析,属于技术问题。
3.光斑。由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差,容易造成“黄圈”问题。
4.LED照射均匀度问题。如果不进行二次光学设计,LED的照射是比较集中,所以一定要进行二次光学设计,使其光强分布图呈蝙蝠形。
5.LED的光衰问题,相比小功率LED,大功率LED路灯的光衰就会要好很多。
但是小功率LED热量散发很小。而大功率的LED是存在散热没有办法解决的问题,而且发热后亮度会明显降低,所以功率不能做大。现在市场销售的LED路灯最大的是360W。
实例应用
太阳能照明灯具主要有太阳能路灯、草坪灯、庭院灯、景观灯和广告灯等。这些灯具以太阳光为能源,白天充电,晚上使用,无需进行复杂昂贵的管线铺设,而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用LED或直流节能灯,使用寿命较长,又为冷光源,对植物生长无害。太阳能亮化灯具是一个自动控制的工作系统,只要设定该系统的工作模式就能自动工作。控制模式一般分为光控方式和计时控制方式,一般采用光控或者光控与计时组合工作方式。在光照强度低于设定值时控制器启动灯点亮,同时进行计时开始。当计时到设定时间时就停止工作。充电及开关过程可以由微电脑智能控制,自动开关,无需人工操作,工作稳定可靠,节省电费,免维护。
道路照明,是在道路上设置照明器为在夜间给车辆和行人提供必要的能见度。道路照明可以改善交通条件,减轻驾驶员疲劳,并有利于提高道路通行能力和保证交通安全,此外,还可美化市容。
道路照明用的照明器大体可分为截光,半截光和不截光三种类型。①截光型:照明器照射到路幅外的光线不超过光源额定光通量的10%,控制光线沿路分布,产生的眩光小。适用于主要街道、干线公路和高速公路。②半截光型:照明器照射到路幅外的光线不超过光源额定光通量的30%,控制光线沿路分布。适用于一般等级的街道。③不截光型:照明器对最大光强上方的光通量不加限制,眩光大,只适用于周围环境明亮的街道或交通量很少的次要街道。照明器的射程,由光束的仰角决定,用从照明器到最大烛光束照射到路面的距离长短区分,可分为短射程、中射程、长射程三种。
根据道路断面形式、宽度、车辆和行人的情况,照明器可采用在道路两侧对称布置、两侧交错布置、一侧布置、分隔岛双叉布置和路中央悬挂布置等形式。道路交汇区采用高杆照明方式。一般说来,宽度超过20m的道路、迎宾道路,可考虑两侧对称布置;道路宽度超过15m的,可考虑两侧交错布置;较窄的道路可用一侧布置。在道路交叉口、玩到、坡道、铁路道口、人行横道等特殊地点,一般均布设照明器,以利于驾驶员和行人识别道路情况,其亮度标准也较高。在隧道内外路段和从城区街道到郊区公路的过渡路段的照明,则要考虑驾驶员的眼睛对光线变化的适应性。照明器的功率、安装高度、纵向间距是配光设计的重要参数。组合好这三个因素,可得到满意的照明效果。
太阳能照明成本分析 
近年来我国太阳能电池的生产能力猛增,其产品价格也由“七五”初期的80元/瓦,下降到目前的40元/瓦以下。使得推广使用太阳能光伏应用产品的价格瓶颈得到基本解决,不再因太阳能光伏产品的高价而制约其产品的推广,使可望不可及变为迅速普及。预计到本世纪二三十年代,太阳能发电成本有可能降低到常规电价的水平。
采用太阳能灯光亮化工程,每年可节省大量的资金,既亮化了城市,又生态地发展了城市,并充分地利用了能源,是目前世界上最合理的发展方向。
以20层高层住宅的太阳能楼梯走道灯为例:一次性成本每平方米约为10元,使用寿命约为15年以上;与采用自带蓄电池的应急灯相比,其一次性成本相差无几,太阳能照明寿命更长,还节省了电费。
再以太阳能庭院灯为例:每盏3000~4000元,比普通庭院灯大约贵一倍,但是如算上电气管线、配电设施的投资再加上3~5年的电费和日常维护费,其成本也基本相当。
总结
开发和利用太阳能是远有前景,近有实效的事业。推广太阳能光伏技术在道路照明中的应用是一个新的课题。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化,太阳能光伏技术的效率、性价比将得到迅速提高,它在各个领域都将得到广泛的应用,也将极大地推动我国"绿色照明工程"的快速发展。
江苏开元太阳能照明有限公司专业生产太阳能及绿色照明产品。公司秉承“开拓绿色能源 ,发展绿色照明”的企业理念,2003年至今,已先后研发了太阳能道路灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、风光互补灯、大功率LED路灯、LED庭院灯等十几个大类的照明产品。并先后研发了太阳能控制器等各种适用于太阳能路灯的部件。公司产品全面、技术专业、质量优异。

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