隨著可再生能源的快速發(fā)展,太陽能光伏產(chǎn)業(yè)正在蓬勃成長(zhǎng)。為了測(cè)試太陽能電池的發(fā)電效率,需要使用太陽光模擬器進(jìn)行室內(nèi)模擬。LED光源由于具備節(jié)能、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),已成為太陽光模擬器的主流燈源之一。但在應(yīng)用時(shí),LED燈源也存在一些缺點(diǎn)和限制。本文將討論LED太陽光模擬器在測(cè)試鈣鈦礦太陽能電池時(shí)的優(yōu)劣分析。

什么是LED?

LED (Light Emitting Diode) 是一種二極管照明裝置,它能把電能轉(zhuǎn)換成光能。是由一個(gè)半導(dǎo)體材料制成的,當(dāng)電流流過時(shí)可發(fā)出光。所發(fā)之光的顏色可以是紅、黃、綠、藍(lán)或白色,是根據(jù)不同的半導(dǎo)體材料而定。

優(yōu)點(diǎn)包括高效率、長(zhǎng)壽命、節(jié)能省電、可調(diào)光、快速發(fā)亮,綠色環(huán)保。因此,LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種照明、顯示器和通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。

LED (Light Emitting Diode) 光源本身擁有許多優(yōu)點(diǎn),其中相當(dāng)著名的特點(diǎn)如下:

1. 高效率:轉(zhuǎn)換能效高,目前研發(fā)上可以轉(zhuǎn)換85% 的電能為光能。

2. 壽命長(zhǎng):壽命非常長(zhǎng),在結(jié)溫保持在25度的條件下,通?？梢赃_(dá)到10,000 小時(shí)以上。

3. 節(jié)能省電:比傳統(tǒng)燈具更省電,能減少80% 的能源消耗。

4. 可調(diào)光:LED 光源可以調(diào)節(jié)亮度,可以根據(jù)環(huán)境需求適當(dāng)調(diào)整。

5. 快速發(fā)亮:點(diǎn)亮速度非?？?在開關(guān)時(shí)不需要等待時(shí)間。

6. 環(huán)保:LED 產(chǎn)品不含有毒物質(zhì),不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

將LED作為太陽光模擬器燈源又有什么優(yōu)點(diǎn)?

根據(jù)LED燈源的特性,太陽光模擬器制造商通常會(huì)強(qiáng)調(diào)使用LED燈作為太陽光模擬器燈源有下列7點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

1. 色溫可調(diào):可以根據(jù)不同的需求,調(diào)整色溫,用以模擬不同的日照情況。

2. 可控性高:可以根據(jù)不同的模擬需求,進(jìn)行亮度和色溫的調(diào)整。

3. 省電:耗電比傳統(tǒng)的燈具燈源更低。

4. 環(huán)保:LED燈源不含有毒物質(zhì),對(duì)環(huán)境無害。

5. 壽命較長(zhǎng):LED光源的宣稱壽命非常長(zhǎng),可以標(biāo)榜可達(dá)10,000 小時(shí)以上,但前提是結(jié)溫(Junction Temperature)恒定在25°C的條件下

6. 應(yīng)用廣泛:可用于各種植物照明、人工智能研究、光學(xué)研究、生物研究、攝影棚照明等領(lǐng)域

7. 可以模擬多種天氣狀態(tài),如晴天,陰天等。

但LED燈真的這么好嗎?長(zhǎng)效壽命的定義與迷思

LED壽命是指在特定溫度條件與特定電流條件下,維持發(fā)光亮度至少70%時(shí)間的時(shí)間。

其計(jì)算方式是以發(fā)光二極管的發(fā)光亮度衰減到剩原始亮度的70%,所需經(jīng)歷的時(shí)間為作為衡量標(biāo)準(zhǔn),然而測(cè)試實(shí)驗(yàn)通常用多個(gè)燈泡為一組的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行,當(dāng)同組平均一半以上數(shù)量的LED燈光亮度衰減到70%的時(shí)候,其平均時(shí)間就是該LED燈泡群體的平均壽命,但壽命長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)通常是在特定安排的理想使用環(huán)境條件下所量測(cè)評(píng)估的,例如必須控制溫度、電流、環(huán)境等。常見的控制條件有在結(jié)溫(Junction Temperature) 25°C下,2 mA特定電流條件下,進(jìn)行發(fā)光強(qiáng)度與時(shí)間的壽命監(jiān)控等等。

換言之,一旦使用的環(huán)境條件不符該LED燈在實(shí)驗(yàn)室量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)條件,將會(huì)大幅影響壽命。

用LED作為光伏用太陽模擬器燈源不好嗎?實(shí)際缺點(diǎn)與潛在問題

理論上,更高的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)增加光輸出。但伴隨而來的是會(huì)增加耗損功率且在最終造成光輸出和效率的損失。此外,較高的溫度也會(huì)導(dǎo)致LED 的正向電壓降低,從而使恒流源的耗損功率更高。

因此同樣地,LED 的主波長(zhǎng)、光輸出和正向電壓相互影響,如下方所列。 (參考資料: NEWARK )

光輸出與電參數(shù)和熱參數(shù)之間的關(guān)系

電、熱、光,三種要素均會(huì)影響LED 的輸出特性。

圖2.解釋了光輸出與電參數(shù)和熱參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。

容易熱衰竭的LED燈--光輸出隨溫度升高而降低

據(jù)文獻(xiàn)指出,AlInGaP 四元LED 對(duì)熱相當(dāng)敏感,我們可以從實(shí)驗(yàn)中了解,白光 LED 的光通量要保持>80%,其結(jié)溫就必須保持在 100°C 以下。而在琥珀色的LED,輸出光通量也明顯隨著結(jié)溫的升高而急劇下降。

上圖為結(jié)溫與光通量的關(guān)系。

容易隨著溫度變臉的LED燈----主波長(zhǎng)(顏色變化)隨溫度變化

TJ 增加波長(zhǎng)或顏色會(huì)偏移,LED的主波長(zhǎng)取決于結(jié)溫,我們可以在下列附表中看到依顏色劃分的1瓦高亮度的典型值,表中可很明顯發(fā)現(xiàn),琥珀色是相當(dāng)敏感的,因?yàn)樗鼤?huì)移動(dòng) 0.09nm/°C。

所以我們假設(shè)室內(nèi)照明的環(huán)境情境,室溫范圍為10 至 40 攝氏度,那么在 30 攝氏度的溫度范圍內(nèi),琥珀色的主波長(zhǎng)偏移為2.7 納米 (40 - 10 * 0.09)。

場(chǎng)面越熱,LED越Down----正向電壓隨溫度降低

使用LED的研究人員不能不知道,當(dāng)溫度升高時(shí),VF 降低 2mV/°C,雖然 LED 串聯(lián)連接時(shí),因?yàn)樗?qū)動(dòng)恒流,所以VF 變化應(yīng)該不是一個(gè)嚴(yán)重的問題。但是如果LED是并聯(lián),VF就會(huì)隨著溫度升高而下降,導(dǎo)致電流增加。隨著電流增加,TJ 就隨之繼續(xù)增加,導(dǎo)致 VF 更進(jìn)一步下降,不斷交互影響,直至達(dá)到平衡。反之,隨著低溫 VF 增加,就導(dǎo)致電流下降,這可能使得在恒壓操作LED燈的環(huán)境下難以獲得所需的固定光度。

熱到不想動(dòng)的LED----壽命隨溫度降低

LED 的可靠性是結(jié)溫的直接函數(shù),較高的結(jié)溫往往會(huì)縮短LED 的使用壽命。而IES LM-80-08 是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范了LED 制造商和照明制造商如何測(cè)試LED 組件,用以確定其隨時(shí)間推移變化的發(fā)光性能。而LED 的 L70 壽命就是定義了LED 輸出流明在25°C條件下,從100% 降低到70% 所經(jīng)歷的時(shí)間(如下圖)。

LM-80-08 報(bào)告用于預(yù)測(cè)各種溫度和驅(qū)動(dòng)電流操作環(huán)境下的LED 流明維持率。下圖解釋了L70壽命與結(jié)溫之間的關(guān)系。據(jù)觀察,LED 壽命隨著結(jié)溫的升高而降低,在85°C下,LED 壽命均小于1200小時(shí)。(參考資料: MDPI)

The attained total radiant flux maintenance results of the mid-power blue LEDs, sorted by case temperature and forward current.

LM-80-08 報(bào)告:中功率藍(lán)色 LED在各外殼溫度與正向電流下的LED 流明維持率。(參考資料: MDPI)

(參考資料: MDPI)