| 照明是光伏技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。以發(fā)光二極管（LED）為光源的光伏照明裝置，具有耗電省、壽命長(zhǎng)、維修少、易控制、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前景的新型光伏照明裝置，應(yīng)采取措施，積極研究開(kāi)發(fā)，大力開(kāi)拓應(yīng)用市場(chǎng)。
1 發(fā)光二極管（LED）簡(jiǎn)介及未來(lái)展望
發(fā)光二極管光伏照明裝置，主要由兩大部分組成：以太陽(yáng)能電池為電源的能源部分，以發(fā)光二極管為光源的照明部分。太陽(yáng)能電池為電源的能源部分，與光伏技術(shù)的一般應(yīng)用相同，這里不再贅述。主要的不同，在于以發(fā)光二極管為光源的照明部分。
用于照明的電光源，主要可分為熱輻射光源、氣體放電光源和場(chǎng)致發(fā)光光源等幾大類。目前廣泛應(yīng)用的是以白熾燈為代表熱輻射光源和以熒光燈為代表的氣體放電線光源，而場(chǎng)致發(fā)光則是一種正在發(fā)展中的新型面光源。場(chǎng)致發(fā)光又稱電致發(fā)光，根據(jù)發(fā)光機(jī)理的區(qū)別，場(chǎng)致發(fā)光有本征場(chǎng)致發(fā)光和注入式場(chǎng)致發(fā)光之分，發(fā)光二極管為注入式場(chǎng)致發(fā)光。是固體在電場(chǎng)的作用下直接發(fā)光的一種現(xiàn)象。注入式發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）具有PN結(jié)，在有正向電流流進(jìn)PN結(jié)時(shí)，注入PN結(jié)的電子和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射熒光。這種光又稱為注入電熒光。這種管子又稱為半導(dǎo)體熒光二極管或電熒光二極管。
發(fā)光二極管發(fā)光的主要原理，可以簡(jiǎn)述為：空穴型（P）半導(dǎo)體和電子型（N）半導(dǎo)體接觸形成的PN結(jié)，在正向電壓的作用下，PN區(qū)的電子和N區(qū)的空穴復(fù)合，從而發(fā)出光子。
根據(jù)材料的不同，發(fā)光二極管發(fā)出的光，可以在紅外區(qū)，如砷化鎵發(fā)光二極管：也可以在可見(jiàn)區(qū)，如磷砷化鎵發(fā)光二極管。注入式發(fā)光材料很多，有碳化硅（SiC）、磷砷化鎵 （GaAsP）、磷化鎵（GaP）和砷化鎵（GaAs）等。Sic發(fā)黃光和綠光，GaP發(fā)紅光，GaAsP發(fā)紅光和綠光。用這些材料可制成晶體燈和數(shù)碼顯示器件等。
發(fā)光二極管的外形和結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示。圖1中熱沉是管芯的散熱器。從封裝材料來(lái)看，可分為金屬帽型、陶瓷型和全樹(shù)脂型3種，它是支持外引線的材料。外引線與管芯用直徑為25~30um的金屬線連接，然后用透明的環(huán)氧樹(shù)脂把管芯和金屬線管腳等封住，在元件的管頭往上加裝玻璃透鏡。把若干個(gè)發(fā)光二極管管芯按一定的方式排列并封裝在一起，可作成數(shù)碼管和字符管等；按所用單元的形式，可分為段式和矩陣式（圖3）。通常，數(shù)碼管用段式，字符管用矩陣式。這些管芯的陰陽(yáng)極按一定方式引出，在譯碼驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下，即會(huì)顯示數(shù)字、文字符號(hào)或圖形。
發(fā)光二極管目前主要用于信息的檢測(cè)、存貯、處理、傳遞以及顯示和照明等方面。
發(fā)光二極管具有許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，主要有工作電壓低（1.5~3V），工作電流�。�5~150mA），功耗小（同樣亮度下耗電僅不普通白熾燈的1/10），響應(yīng)快，重量輕，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于與集成電路匹配，壽命長(zhǎng)（為白熾燈的100倍以上），耐沖擊，性能相對(duì)穩(wěn)定，制作簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)有毒的汞等。目前著力研究解決的主要課題有：進(jìn)一步提高發(fā)光亮度、效率及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高亮度的藍(lán)色發(fā)光，以及制作大面積的元件等。
世界上于1960年前后制成GaP發(fā)光二極管，于1970年前后開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng),目前已在科研和生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用,產(chǎn)業(yè)建設(shè)快速發(fā)展,市場(chǎng)應(yīng)用數(shù)量增長(zhǎng)迅猛。我國(guó)于1962年用水平法生長(zhǎng)出首塊GaAs單晶，于1963年制成首支GaAs半導(dǎo)體激光器，于1968年研究試驗(yàn)成功GaAs氣相、液相外延技術(shù)，自此發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的生產(chǎn)技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展，目前已具有相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，并在一些品種的性能等方面接近或達(dá)到國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平。2002年我國(guó)LED生產(chǎn)企業(yè)將達(dá)420個(gè)，員工3萬(wàn)余人，產(chǎn)量超過(guò)150億只，產(chǎn)值達(dá)80多億元；2003年預(yù)計(jì)產(chǎn)值將超過(guò)100億元，產(chǎn)量將達(dá)200億只，其中超高亮LED有幾十億只。
場(chǎng)致發(fā)光源，特別是發(fā)光二極管光源，在理論上和實(shí)踐上已顯示出優(yōu)異的性能和突出的節(jié)能特點(diǎn)，專家們預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)上半葉，以發(fā)光二極管為代表的新型光源，將會(huì)逐步發(fā)展成為電光源的主流產(chǎn)品。如同晶體管替代電子管一樣，采用發(fā)光二極管的半導(dǎo)體燈這種新型光源替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，也是大勢(shì)所趨。美國(guó)能源部預(yù)測(cè)，到2010年前后，美國(guó)將有55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈所替代，每年約可節(jié)電350億美元。美國(guó)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃”（2000~2010）將投入5億美元，用來(lái)發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。日本的“21世紀(jì)光計(jì)劃”（1998~2002）將耗資50億日元，計(jì)劃于2006年用白光LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明光源。歐盟在2000年7月也啟動(dòng)了用于推動(dòng)白光照明應(yīng)用的“彩虹計(jì)劃”。韓國(guó)產(chǎn)業(yè)資源部也啟動(dòng)了為時(shí)5年（1999~2004）的“白光LED照明技術(shù)”計(jì)劃。據(jù)測(cè)算，6年以后僅在美國(guó)，半導(dǎo)體照明即可形成一個(gè)高達(dá)500多億美元的產(chǎn)業(yè)。面對(duì)半導(dǎo)體照明巨大市場(chǎng)潛力的吸引，目前通用電氣、飛利浦和奧斯拉姆三大世界照明工業(yè)巨頭，已紛紛與半導(dǎo)體公司合作，組建半導(dǎo)體照明企業(yè)，并提出要在2010年前使半導(dǎo)體燈的發(fā)光效率再提高8倍，價(jià)格降低100倍。一場(chǎng)搶占半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)已在全球打響。
面對(duì)這一科技發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)科技部審時(shí)度勢(shì)，于2003年啟動(dòng)了國(guó)家半導(dǎo)體照明工程，采取措施積極發(fā)展我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)，成立了國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組。2003年7月18日，該小組副組長(zhǎng)、科技部高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化司李健司長(zhǎng)對(duì)媒體說(shuō)：繼半導(dǎo)體技術(shù)引發(fā)微電子革命之后，目前又在孕育著一場(chǎng)新的照明革命，用半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）作為新光源的半導(dǎo)體燈，將逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈。
2 我國(guó)發(fā)光二極管（LED）光伏照明裝置的研發(fā)與應(yīng)用
經(jīng)過(guò)10多年的努力，我國(guó)以發(fā)光二極管為光源的光伏照明裝置，已研發(fā)出許多新穎別致、造型美觀、性能優(yōu)良的商品化產(chǎn)品，其市場(chǎng)應(yīng)用量逐年增長(zhǎng)，前景良好，下面對(duì)3個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用前景良好的產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用情況作一簡(jiǎn)介。
1）LED太陽(yáng)能草坪燈：深圳市珈偉實(shí)業(yè)有限公司是我國(guó)最早研發(fā)以LED為光源的太陽(yáng)能草坪燈并大批量投入商品化生產(chǎn)的企業(yè)，其產(chǎn)品性能優(yōu)良、造型別致，有多種規(guī)格，有黃、白、綠、藍(lán)多種光色。該燈由于以LED為光源，因而耗電小、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐用、光伏電池用量少。該公司LED太陽(yáng)能草坪燈的年產(chǎn)量，以光伏電池功率計(jì)，約達(dá)2~3MW，90%以上銷往美國(guó)，市場(chǎng)性穩(wěn)定，深受歡迎。
2）LED太陽(yáng)能交通信號(hào)燈：近年來(lái)，杭州富陽(yáng)新穎電子有限公司研發(fā)與推廣應(yīng)用了多種LED太陽(yáng)能交通信號(hào)燈，如LED太陽(yáng)能黃閃警示燈、LED太陽(yáng)能交通紅綠燈、LED太陽(yáng)能立式信號(hào)燈、LED太陽(yáng)能動(dòng)態(tài)人行信號(hào)燈、LED太陽(yáng)能倒計(jì)時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)道信號(hào)燈、LED單臂懸掛式太陽(yáng)能渠化管理信號(hào)燈、LED太陽(yáng)能道路施工指揮燈、LED太陽(yáng)能突起路標(biāo)以及LED太陽(yáng)能雙基色電子情報(bào)板等，得到公安、交通部門(mén)的認(rèn)可和好評(píng)，市場(chǎng)應(yīng)用量逐年擴(kuò)大，并開(kāi)始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。其LED光源與白熾燈光源的城市道口紅綠燈的電耗、電費(fèi)、閃爍壽命比如表1所列。由表中數(shù)據(jù)可明顯看出LED光源的節(jié)電及壽命等優(yōu)點(diǎn)。
3）LED太陽(yáng)能亮化工程：最近幾年，武漢市日新燈光系統(tǒng)工程有限公司設(shè)計(jì)與建設(shè)了多處以LED為光源、太陽(yáng)能電池為電源的城市太陽(yáng)能亮化工程。這些亮化工程，既裝點(diǎn)美化了城市，又宣傳普及了新光源和能源知識(shí)，影響很大。如：①漢口火車(chē)站站前廣場(chǎng)草坪亮化工程：安裝了40支圓頂LED太陽(yáng)能草坪燈和40支斜頂LED太陽(yáng)能草坪燈以及2支高桿庭院燈、20支地埋泛光燈、年可節(jié)約電費(fèi)95%左右計(jì)劃內(nèi)1.3萬(wàn)元。②武漢市江漢區(qū)沿江大道紡織、輪渡食品、港埠4個(gè)公司沿江4棟居民樓亮化工程全部采用LED燈光勾勒大樓輪廓，并以單色、多色、追光、閃光、跳動(dòng)、閃爍多流自動(dòng)控制，使之具有流動(dòng)感和強(qiáng)烈的視覺(jué)效果，共用LED光源1 600盞、太陽(yáng)能電池300Wp，年可節(jié)電95%，計(jì)9 500多元。③武漢市第11屆院新樓夜景燈光工程：安裝太陽(yáng)能投光燈15臺(tái)、5頭太陽(yáng)能中桿庭院燈2臺(tái)、LED燈泡320支、太陽(yáng)能草坪燈8支、3頭交流電射燈4組，年僅需電費(fèi)約4 300元，比交流電方案可年節(jié)省電費(fèi)3萬(wàn)元以上。④武漢沿江大道六合路口部隊(duì)：“小紅樓”亮化工程：采用LED蠟黃色燈泡330盞，每米5盞，不斷追光，每晚亮燈6小時(shí)；共用太陽(yáng)能電池50Wp。采用太陽(yáng)能雙控系統(tǒng)控制，陰雨天可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為由交流電充電。并裝有5~10A的電度表1只。全年僅需電費(fèi)100元左右，比用交流電節(jié)電97%、計(jì)1 400余元。
3 結(jié)語(yǔ)
以LED為光源的光伏照明裝置，品類繁多，奇巧多姿，應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)潛力大，產(chǎn)業(yè)化前景好。我們應(yīng)充分重視，采取多種措施，積極研究開(kāi)發(fā)，搞好產(chǎn)品設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、建筑美學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程建設(shè)，大力開(kāi)拓國(guó)內(nèi)外應(yīng)用市場(chǎng)，積極促進(jìn)共快速發(fā)展。 |
