摘 要：闡述了基于太陽能的白光 LED照明技術原理，通過介紹太陽能光伏發電LED照明應用系統中的3個典型例子，分析
了在系統設計 中需要考慮和注意的問題 ，并針對 當前設計 中普遍存 在 的一些 問題 ，提 出了若干相應 的解決辦法 ，最后指 出在
今后太陽能 LED照明技術的發展中 ，應該 尤其加強太陽能 PV和 LED照 明的技術配合 ，注 重系統設計 的整體匹配 ．
關鍵 詞：白光 LED；光伏發 電；綠 色照明 ；節能
近幾年來 ，白光二極管(WLED)已被廣泛地應
用到各領域 中．從最初的信號指示 、數碼顯示 以及紅
外線 LED等應用 ，到現階段的景觀照明、裝飾照明、
室內照明以及礦燈 、交通燈 、汽車車燈等各種特殊照
明場合 ，白光 LED憑借 其亮度 高、功耗低 、可靠性
高、使用壽命長 、性價 比高 以及使用成本低等特點 ，
成為未來照明領域中一個最有潛力的選擇 ．
由于 LED光源是使用直流電流 ，且工作電壓較
低，利用常規供電系統 (交流電220V，380V等)作為
LED的電源時，必須先將 電源轉換成低壓直流電才能
使用，這不僅增加了照明系統成本，又降低 了能源 的
利用率．太 陽能 LED照明是利用太陽能電池提供電
源、以U、』]作為光源的組合，太陽能電池直接將光能
轉化為直流電能 ，且太 陽能 電池組件可以通過串、并
聯的方式任意組合，來得到實際需要的電壓．這些特
點恰恰是與 LED匹配而傳統供電系統所無法比擬
的．將太陽能電池與 LED結合 ，將無須任何的逆變裝
置進行交 、直流轉換，因此太 陽能 LED照明系統將獲
得很高的能源利用率、安全性和可靠性．
同時，太 陽能取之不盡 ，清潔安全 ，是理想 的可
再生能源．經過半個世紀的發展 ，目前太陽能光伏發
電(pv)技術 已日趨成熟 ，是最具可持續發展的可再
生能源技術之一．據統計 ，我國 2／3以上國土面積的
年 日照時問在 2200h以上 ，年輻射總量在 5．02GJ／
H12以上，太 陽能資源豐富．
由此看 出，太 陽能 LED照明集成 了太陽能與白
光 LED的優點，白光 LED照明與太陽能 PV技術
的結合是實施綠色照明、節約照明電能、保護全球環
境的有效途徑 ，是未來最具發展前景 的高新技術領
域 ．
1 白光 LED照 明原理
LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段 ，所 以
發光效率高 ，節能燈 可節能 4／5，但 LED 比節能燈
還要節能 1／4，這使得 固體光源的發展邁上一 個新
臺階．1998年發 白光的 LED開發成功 ，使 LED在
照明領域 中的應用成為可能 ，是新 一代 主流照 明光
源 ．
LED的發光原理是利用半導體 中的電子和空
穴相結合而發出光子 ，與傳統使用 電阻加熱發光 的
燈泡，或者真空管放 電的 日光燈從根本上是不同的．
半導體發光二極管(U )利用注入 PN結的少數載
流子與多數載流子復合 ，從而發出可見光 ，是一種直
接把電能轉化為光能的發光器件 ．發光二極管的結
構主要由 PN結芯片、電極和光學系統組成 ．當在 電
極上加上正 向偏壓之后 ，使 電子和空穴分別注入 P
區和 N區，當非平衡少數載流子與多數載流子復合
時，就會 以輻射光子 的形式將多余 的能量轉化為光
能．其發光過程包括 3個部分 ：正向偏壓下 的載流子
注入 、復合輻射和光能傳輸 ．
目前 LED不能直接發出 白光．LED產生 白光主
要有 2種途徑 ：第一種是將紅 、綠、藍三色 LED組合
產生白光；第二種是在 LED芯片上涂敷熒光粉 ，LED 芯片本身發出一定顏色的光 ，一部分用于激發涂敷在
其上面的熒光粉 ，另一部分與熒光粉發出的光混合產
生 白光．圖 1出示了這種白光 LED的結構．
2 太陽能 PV技術原理
20世紀 50年代 ，在美 國貝爾實驗室首次制成
了實用的單晶硅太 陽電池 ，誕生 了將太陽光能轉換 為電能的實用光伏發電技術 ．太 陽電池工作原理的
基礎是半導體 PN結 的光生伏打效應 ，就是 當物體
受到光照時 ，物體 內的電荷分布狀態發生變化而產
生電動勢和電流的一種效應 ．即當太陽光或其他光
照射半導體 的 PN結時 ，就會 在 PN結的兩邊出現
電壓 ，叫做光生電壓 ，使 PN結短路 ，就會產生電流 ，
見圖 2．太 陽光發電是指無需通過熱 過程直接將 光
能轉變為電能 的發 電方式．它包括光伏發電、光化學
發電、光感應發電和光生物發電．光伏發電是利用太
陽能及半導體電子器件有效地吸收太 陽光輻射能 ，
并使之轉變成電能 的直接發電方式 ，是 當今太 陽光
發電的主流．
3 光伏照 明系統設計
隨著發光二極管技術 的高速發展 ，尤其是 白光
二極管 的高 效特性 ，太 陽能光 伏發 電 系統 與 白光
LED燈結合的照明系統 已成為照 明節能的新途徑 ．
目前，太 陽能光伏發電 LED照明應用系統 中典型的
例子有太陽能草坪燈 、太 陽能信號燈和太 陽能半導
體路燈及太陽能室內半導體照明系統等 ．
太陽能半導體照明系統如圖 3所示 ，由太陽能電
池組件、控制器、蓄 電池 、LED光源 4部分組成 ．太 陽
能半導體照明系統的工作原理，是 白天通過太陽能電
池給蓄電池充 電，供晚上或 白天 LED光源負載使用．
以下介紹幾種應用太陽能 LED照明系統的實例．
3．1太 陽能 LED路燈
太陽能路燈采用太 陽電池作為唯一 的供電源 ，
該路燈 系統通 常 由太 陽能 電池組 件部分 (包 括支
架)、LED燈頭、控 制箱(內有控制器 、蓄電池 )和燈
桿幾部分構成 ，見圖 4．
該系統工作原理簡單 ，白天太陽能電池板接收太
陽輻射能并轉化為電能輸出，經過充放電控制器儲存
在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至 101lx左右 ，太
陽能電池板開路電壓 4．5V左右 ，充放電控制器偵測
到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電．蓄電池放
電 8．5h后，充放電控制動作，蓄電池放電結束．
太陽能路燈的設計與一般 的太陽能照明相 比，
基本原理相同，但是需要考慮的環節更多 ，主要分以
下幾個方面 ：
(1)太 陽能電池組件選型
根據設計要求 ，負載輸入電壓及功耗 ，每天工作
時數 ，保證連續陰雨天數等來計算所需太 陽能電池
組件的總充電電流和最小功率數．
(2)蓄電池的選型
蓄 電池 的設計容量應根據負載 日耗 電量來計
算 ，一般要遵循以下原則 ：首先在能夠滿足夜晚照明
的前提下 ，把 白天太 陽能電池組件的能量盡量存儲
下來，同時還要能夠存儲滿足連續陰雨天夜晚照明
需要的電能．蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明
的需要 ，蓄電池容量過大 ，一方面蓄電池始終處在虧
電狀態 ，影響蓄電池壽命 ，同時造成浪費 ．
(3)太 陽能電池板的傾角設計
如果采用計算機輔助設計軟件 ，應 當進行太 陽
電池方陣傾角的優化計算 ，要求在最佳傾 角時冬天
和夏天輻射量 的差異盡可能小 ，而全年總輻射量盡可能大 ，二者應 當兼顧．
如果不用計算機進行傾角優化設計 ，也可以根
據當地緯度由下列關系粗略確定 固定太 陽電池方陣
的傾 角：緯度 0。～25。，傾角 等于緯 度；緯度 26。～
40。，傾角等于緯度加 5。～10。；緯度 41o～55。，傾角
等于緯度加 10。～15。；緯度 >55。，傾角等于緯度加
15。～ 20。．
4)充放電控制器
太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池．
通過對它的充放電條件加以限制 ，來防止蓄電池過充
電及深度放電，基本功能必須具備反充保護 、過充保
護 、過放保護、光控時控與溫度補償等．另外，由于太
陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，光伏發電系
統中對蓄電池充電的控制要 比普通蓄電池充電的控
制要復雜些．在選用器件上，目前有采用單片機的，也
有采用比較器的，方案較多 ，各有特點和優點．
在美觀和節能二者之間，應優先選擇節能．如將
太陽能電池板水平 放置，太 陽能 電池的輸 出功率將
減少 15％～20％，如果在太 陽能電池上面加一個外
罩 ，太陽能電池 的輸 出功率將減少 5％左右 ．
3．2 太 陽能草 坪燈
太 陽能草坪燈主要利用太陽電池的能源來進行
工作 ，當白天太陽光照射在太陽電池上 ，把光能轉變
成電能存貯在蓄電池中，再 由蓄 電池在 晚問為草坪
燈的 LED提供電源 ．具有安全 、節能 、方便 、環保等
優 點 ．
LED壽命長 ，可 達到 10 h以上，工作電壓低 ，
非常適合應用在太陽能草坪燈上．目前 LED技術 已
經經歷 了其關鍵 的突破 ，其特性有很大提高 ，性價 比
也有較大的提高 ．另外 ，LED 由低壓直流供 電，其光
源控制成本低 ，可以實現亮 度調節 、頻繁開關 ，且不
會對 LED的性能產生不 良影響．還可以方便地控制
顏色，改變光的分布 ，產 生動態幻景 ，因此它特別適
合用在太 陽能草坪燈上．
目前太 陽能草 坪 燈 大 多數 采 用超 高 亮 白光
LED，但是在 20mA下超 高亮 白光 LED光通維持
率達到初始強度 50％的時間(即壽命)不到 10 h，復
旦大學電光源所曾經證 明了上述論點．故 目前 LED
光源更多地局 限用于低檔 ，使用年限僅 1～2年的太
陽能草坪燈，或者是 1W 以下 的太 陽能草坪燈 ．對
于 1W 以上的太 陽能草坪燈 ，三色基色高效節能燈
比 LED光源 的性價 比更高 ．若太 陽能草坪燈用 30～ 40只超高亮 白光 LED，輸入功率 2w 以上 ，在這
種情況下 ，如果使用三色基色高效節能燈 ，價格只是
LED的 1／10，光通量為原來 的 4倍 ．因此有調節明
暗、頻繁開關功能的 1W 以下 的小功率太陽能草坪
燈 ，一般應該使用 LED作為光源．并且在使用超高
亮 白光 LED時特別要注意光通維持率問題 ，否則容
易引發事故 ．而對于功率較大 的太陽能草坪燈 ，目前
使用三色基色高效節能燈 比較合理．但是隨著 LED
技術的進步 ，其價格下降、光通和光效提高 、實際壽
命與理論壽命的接近都只是時間的問題，LED光源
必將在照明領域 中顯示出其無可比擬的優越性 ．
3．3 太 陽能 室 內建 筑照 明
建筑照明系統 中，如果將屋頂閑置空問和就
近太陽能利用起來 ，就能成為節能又環保 的有效照
明途徑 ．隨著固態照 明技術在過 去幾年 中的高速發
展 ，市場上一些白光 LED已經能做到光效超過 301
m ，這其中還包 括驅 動損耗 ，其光效是普通 白熾
燈的 2倍．再者 ，LED直流低電壓工作的特點 ，使它
成為太陽能利用 的最佳組合．因此 ，對于研制和設計
有效的光伏發電室 內照明系統 ，白光二極管是一個
最有潛力的選擇 ．圖 5是建筑物中太陽能 LED照明
系統示 意 圖L2]．
4 太 陽能 LED照明 目前存在 的問題
近幾年來 ，太陽能 LED燈具照明產品由于環保
節能的雙重優勢 ，在景 觀照 明、交通照 明、建筑照明
以及其他各種特殊照明方面的應用 已經逐漸形成規
模l3J，但也暴露 出一些關 鍵 的問題 ，主要有 以下幾
點 ：
(1)在光伏發電應用的過程中 ，不少產品由于沒
有按照光伏發 電的工作特點和運行規 律來進行設 計 ，往往使系統無法長期正常地運行 ，在太 陽電池 、
蓄電池及負載的匹配設計上不夠嚴密 ，也使產 品的
可靠性大大降低．
(2)一 味地 注重燈具外形 的美 觀 ，忽 略性 能匹
配 ，人為地造成 了對金錢和資源的浪費 ．
(3)太陽能照明與傳統燈具相 比有許多優點 ，但
是價格昂貴使其成為推廣應用的瓶頸 ，因此如何降
低太陽能燈 的成本是一個重要 的課題 ．如果可以分
時 、分壓進行控制 ，根據夜晚不同時間段 ，人們對照
度的不同要求 ，控制太陽能燈的輸入功率 ，以及根據
太陽能電池 白天吸收能量的大小 ，控制太 陽能燈的
輸入功率 ，達到用最小成本設計出能夠滿足最惡劣
氣象條件下人們對太 陽能燈的最基本要求 ，就可以
成為降低成本 ，解決問題的一個好辦法．
(4)太 陽能光伏發 電技術以及 LED光源技術有
待提高．太陽能 LED照 明技術的發展取決于太陽電
池組件的光電轉換效率的提高和成本的降低 ；取決
于與之相應 的 LED照明光源和燈具的研發開發 ，以
及先進 的變換 、控制系統的研究與開發l4 J．
5 結 束 語
太 陽能光伏供電技術是解決能源和環境問題的
有效途徑，太 陽能 LED照 明集成 了太 陽能與 LED
的優點 ，作為一種方興未艾的新型節能照明方式 ，展
現著無窮的生命力和廣 闊的前景．本文結合 目前常
見的 3種照明實例 ，分析了在太陽能 LED照明系統
設計 中需要考慮和注意 的問題 ，指 出了在現今太陽
能 LED照明系統中普遍存在的幾個問題 ．今后 的太
陽能 LED照 明技術 必須 立足于 降低 成本 、提 高效
率 、注重整體匹配以及靈活的控制操作系統等方面，
一 些關鍵技術仍需要進一步的研究和解決 ．