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的发光材料主要以皿-V族、口-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。虽然口-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皿-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AIGalnP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。xxLED 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 xxLED 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路灯的光显色性比咼压钠灯咼许多，咼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咼压钠灯降低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咼压钠灯低。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。 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。 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。 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3 0 0 04 0 0 0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35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。