所屬領(lǐng)域：太陽能光伏發(fā)電(屬新能源。國(guó)家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè))。

技術(shù)背景

能源是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，它關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的命脈和民生大計(jì)。面對(duì)化石能源日益枯竭和價(jià)格大幅波動(dòng)，面對(duì)溫室氣體排放和氣候變化，面對(duì)西方國(guó)家的技術(shù)挑戰(zhàn)，科學(xué)技術(shù)及新發(fā)明的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。事實(shí)上，誰首先占領(lǐng)關(guān)鍵核心技術(shù)的制高點(diǎn)，誰就相應(yīng)占據(jù)了主動(dòng)。

中國(guó)雖然是光伏電池生產(chǎn)第一大國(guó)，占全球電池產(chǎn)量的40％以上，但發(fā)電應(yīng)用較少。近年來，由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)，光伏行業(yè)經(jīng)歷的寒冬，很可能催生光伏發(fā)電的春天。一方面，光伏電池組件價(jià)格大幅下降，可降低電站一次性投資成本。另一方面，我們的“陽光發(fā)生裝置“的應(yīng)用，將攻破光伏電站“間歇性”難題，可使成本大大降低。第三，“國(guó)家的金太陽示范工程”政策。所有這些將催生我國(guó)光伏電站快速持續(xù)發(fā)展。中國(guó)成為光伏發(fā)電應(yīng)用大國(guó)，強(qiáng)國(guó)的時(shí)代很快就會(huì)到來。

光和光源的引入

光、水和空氣一樣為所有生物賴以生存的最重要三要素之一，從地球上生命出現(xiàn)的那一天起，人類就對(duì)光有自然的需求和渴望，只要有生命的地方就會(huì)有對(duì)光和光源的需求。

因?yàn)樘?，才有光明、才有想往。光是人類生存和發(fā)展的生命之源。

據(jù)研究，人類在獲得周圍環(huán)境及生存的外界信息中，有80％通過光刺激視覺得到的。

早在石器時(shí)代，人類開始有目的使用火取暖，燒熟食品。以人造火把(動(dòng)物油脂浸漬木條)作為光源。

所謂光源，就是能發(fā)光的物體。從而揭開了光源的序幕。

光源分為天然光源和人造光源兩大類。

太陽、月亮、星球等均為天然光源。

人造火把，各種火焰光源及燈具光源、電光源等均為人造光源。愛迪生1978年發(fā)明了碳極白熾燈，開創(chuàng)了人類電光源的新時(shí)代。二十世紀(jì)發(fā)明的高效固體第四代光源(led)等也是人造光源。這是電光源發(fā)展的又一里程碑。

電光源的發(fā)展歷程

電應(yīng)用于發(fā)光是從碳極弧光燈開始，該燈的問世開辟了電光源的新時(shí)代，它標(biāo)志著人類實(shí)現(xiàn)了由電到光的轉(zhuǎn)化過程。

從1878年到1928年，愛迪生申請(qǐng)了電燈碳絲的相關(guān)專利1093個(gè)，從此取代了傳統(tǒng)的火焰光源，引發(fā)了一場(chǎng)技術(shù)革命，開創(chuàng)了人類電光源的新時(shí)代。一百多年來，白熾燈成了人們生活中必不可缺少的東西。1910年美國(guó)通用電器ge公司研制出鎢絲白熾燈，該燈的光效和壽命又提高一個(gè)水準(zhǔn)，這是電光源技術(shù)發(fā)展史上又一里程碑，鎢絲白熾燈的使用，使白熾燈同煤油燈，汽油燈的競(jìng)爭(zhēng)中取得決定性勝利。

1947年12月23日。貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。晶體管是二十世紀(jì)的重大發(fā)明，推動(dòng)了信息革命，開辟了億萬個(gè)就業(yè)崗位，改變了人類的工作和生活方式，影響廣泛而深刻，非其他發(fā)明能相提并論。

1962年人類又在晶體管發(fā)明的基礎(chǔ)上，掌握了半導(dǎo)體發(fā)光材料的知識(shí)，由美國(guó)通用ge公司開發(fā)出世界上第一種實(shí)用的可見光發(fā)生二極管(led)，從此，開創(chuàng)了半導(dǎo)體固體發(fā)光技術(shù)應(yīng)用的新時(shí)代。

20世紀(jì)90年代末，隨著半導(dǎo)體材料氮化鎵研究實(shí)現(xiàn)突破，半導(dǎo)體新型高效第四代固體光源(led)取得更大突破，led光源具有壽命長(zhǎng)，電光轉(zhuǎn)化效率高，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

固體光源(led)發(fā)光原理

完全純凈的半導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體分別擴(kuò)散不同的雜質(zhì)，就會(huì)各自形成p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。此時(shí)將在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的結(jié)面上形成pn結(jié)。這就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，共主要特性是單向?qū)щ娦浴?/p>

(lde)發(fā)光二極管主要是由pn芯片和電極等組成。由于二極管使用材料特殊，擴(kuò)散摻雜有利于發(fā)光的雜質(zhì)，led就能成為一種電致發(fā)光的二極管器件。這就是led電致發(fā)光的基本原理。

固體電光源led的科學(xué)選擇。

固體電光源led是綠色環(huán)保第四代電光源，其發(fā)光強(qiáng)度大，安全可靠，電光轉(zhuǎn)化效益高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)作為本發(fā)明核心設(shè)備發(fā)光小太陽的首選。

自熾燈的電光轉(zhuǎn)化效率只有10％，而(led)電光轉(zhuǎn)化效率可達(dá)70％以上。且(led)使用的安全性大大提高。

人類歷史上第一個(gè)(led)使用的材料是砷化鎵(gaas)，另一種常用的(led)是磷化鎵(gap)。

其固體發(fā)光，低壓軀動(dòng)等特性使很多傳統(tǒng)技術(shù)迅速推向了高新境界。(led)除促進(jìn)光隔離和光耦合技術(shù)及其器件的延生外，半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)支撐光纖通信的成就已成為人類通信技術(shù)的主流。

今天，世界(包括中國(guó))已進(jìn)入光傳輸時(shí)代，均基于(led)固體光源的貢獻(xiàn)。特別是從二十世紀(jì)九十年代初日本中村修二成功發(fā)明監(jiān)光后，led輻射目光色應(yīng)運(yùn)而生，日光色大功率固體光源的應(yīng)用是我們發(fā)光小太陽光源的科學(xué)選擇。

“陽光發(fā)生裝置”的主要購(gòu)成。

“陽光發(fā)生裝置”主要曲低壓軀動(dòng)裝置和發(fā)光小太陽構(gòu)成。

低壓軀動(dòng)裝置

1、軀動(dòng)裝置：該裝置是以光伏電源直流電為軀動(dòng)源，點(diǎn)亮發(fā)光小太陽。

由于(led)固體光源是低壓大電流軀動(dòng)的器件，其發(fā)光強(qiáng)度是由電流流過(led)大小決定的，同時(shí)(led)的軀動(dòng)需要恒流電源，以保證(led)的安全，從而得到理想的發(fā)光強(qiáng)度和長(zhǎng)壽命。

隨著材料生長(zhǎng)和制作技術(shù)的進(jìn)步，(led)的發(fā)光效率已取得明顯提高。實(shí)驗(yàn)室已達(dá)到230lm/w的發(fā)光效率，商品化量產(chǎn)和市場(chǎng)銷售已達(dá)到85-100lm/w。(led)器件也從早期(恒流20ma)發(fā)展到功率型(led)(恒流350ma、700ma、1400ma)。

2、軀動(dòng)電路有電荷泵，開關(guān)電源等多種方式。

電荷泵電路受儲(chǔ)能電容限制，輸出電路一般不超過輸入電壓的3倍，輸出電流則不超過300ma，大功率軀動(dòng)受到了限制。

而恒流開關(guān)電源具有效率高、可靠性好、升降壓控制方便、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，不僅能滿足電學(xué)特性的要求，而且具有集軀動(dòng)保護(hù)控制電路和附助電路，傳感器等封裝成一個(gè)獨(dú)立的相對(duì)完整的通用裝置。

發(fā)光小太陽主要參數(shù)的選擇。

由于發(fā)光小太陽是本發(fā)明“陽光發(fā)生裝置”中最關(guān)健的核心技術(shù)設(shè)備，其發(fā)光效率直接關(guān)系到產(chǎn)生陽光的光照強(qiáng)度(輻射度)、溫度、色溫等技術(shù)指標(biāo)。事實(shí)上，發(fā)明設(shè)備產(chǎn)生的陽光的質(zhì)量直接關(guān)系到光伏電站產(chǎn)生電能的數(shù)量和質(zhì)量，這是重中之重，非常重要。這是光伏電站發(fā)電連續(xù)性，穩(wěn)定性的根本保證，也是確保光伏電站發(fā)電有效小時(shí)數(shù)的根本保證。

由于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(太陽輻射1000w/m²，25℃)下，晶硅電池在受光生伏特效應(yīng)下，由光轉(zhuǎn)為電的效率可達(dá)到最理想的指標(biāo)。我們選擇(led)的電工率為3400w，電壓3.4伏，恒電流1000ma，驅(qū)動(dòng)電路選用開關(guān)電源，以確保人造小太陽發(fā)生的光能滿足光伏電站光電轉(zhuǎn)化必須的主要技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)電量成倍以上增長(zhǎng)和發(fā)電成本大大降低的目的。

附圖說明

圖1是led光源驅(qū)動(dòng)原理。

“陽光發(fā)生裝置”軀動(dòng)是以光伏電源為軀動(dòng)源，而光伏電源是低壓的直流電源ac/dc，再通過高效的dc/dc開關(guān)穩(wěn)壓器降壓并變換成恒流源，輸出恒定的電流驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮(led)光源(小太陽)。

(led)光源的設(shè)計(jì)要求由大功率(led)多串多并組成。每串的1f電流是按光源要求設(shè)計(jì)，總的正向電壓vf按要求給定。

按設(shè)計(jì)要求(led)光源被點(diǎn)亮后，其產(chǎn)生的陽光可供光伏電站白天黑夜，陰雨天氣一年四季使用。供電站使用的陽光的光照強(qiáng)度、溫度、色溫(光譜)均可控制在一定范圍之內(nèi)，確保光伏電站連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。