光電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告校園內(nèi)LED路燈節(jié)能分析

1、吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院光電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 校園內(nèi)led路燈節(jié)能分析專業(yè)班級： 信科081 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011.02.282011.03.04 教師評語：成績 評閱教師 日期 光電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、 設(shè)計(jì)的作用、目的 課程設(shè)計(jì)是理論學(xué)習(xí)的延伸，是掌握所學(xué)知識的一種重要手段，對于貫徹理論聯(lián)系實(shí)際、提高學(xué)習(xí)質(zhì)量、塑造自身能力等有特殊作用。本次課程設(shè)計(jì)一方面通過對校園內(nèi)led路燈的節(jié)能分析，使我們加深對理論知識的理解，同時(shí)增強(qiáng)其邏輯思維能力，另一方面對課堂所學(xué)理論知識作一個(gè)總結(jié)和補(bǔ)充。本次課程設(shè)計(jì)以爭強(qiáng)我們的邏輯思維能力，同時(shí)加深我

2、們對所學(xué)理論知識的理解和記憶，爭強(qiáng)我們對這門課程的興趣為目的。通過設(shè)計(jì)過程能提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，塑造自身能力。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1. 校園內(nèi)led路燈的使用情況。（包括布置、數(shù)量(大約120)、作用等）2. 太陽能電池的工作原理除了原理還要對學(xué)校的太陽能電池進(jìn)行儲能計(jì)算 ，一天光照8小時(shí)，每個(gè)路燈的光照面積自己估算(我個(gè)人估算大約0.5平方米)，計(jì)算一天的太陽能儲能。在書上、網(wǎng)上查閱資料。3. led燈的工作原理同時(shí)進(jìn)行耗電計(jì)算和光照強(qiáng)度的計(jì)算4. 比較相同光照強(qiáng)度下，若采用電力照明需要的消耗電能，能夠節(jié)省多少電能5. 說明使用led路燈的好處或意義三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、校園內(nèi)led路燈的使用情況我們校園

3、內(nèi)的led路燈主要分布在校園主干道的兩側(cè)，在人群密集區(qū)如教學(xué)樓、寢室樓、食堂等。我們校園內(nèi)的led路燈大約有120盞。安裝路燈的主要目的是為了給廣大師生提供方便，保證校園生活的安全性、舒適性，并在一定程度上提高了校園的美觀，簡潔、漂亮，與優(yōu)美的校園環(huán)境協(xié)調(diào)一致，相得益彰，給人清新亮麗的感覺。led路燈比傳統(tǒng)路燈節(jié)能，不僅提高了照明光效和照明均勻度，而且維護(hù)成本低，使用壽命長，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。1、 太陽能電池的工作原理太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽能電池。太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體pn結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效

4、應(yīng)就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的pn結(jié)時(shí)，就會(huì)在pn結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。這種現(xiàn)象，就是著名的光生伏打效應(yīng)。使pn結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖： 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色

5、的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成p（positive）型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成n（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。 n型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而p型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢差，這就是pn結(jié)。 當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層)，界面的p型一側(cè)帶負(fù)電，n型一側(cè)帶正電。這是由于p型半導(dǎo)體多空穴，n型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。n區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到p

6、區(qū)，p區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到n區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由n指向p的“內(nèi)電場”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢差，這就是pn結(jié)。 當(dāng)晶片受光后，pn結(jié)中，n型半導(dǎo)體的空穴往p型區(qū)移動(dòng)，而p型區(qū)中的電子往n型區(qū)移動(dòng)，從而形成從n型區(qū)到p型區(qū)的電流。然后在pn結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示） 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過pn結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池

7、利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），將反射損失減小到5甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。對學(xué)校的太陽能電池進(jìn)行儲能計(jì)算 ，一天光照8小時(shí)，每個(gè)路燈的光照面積自己估算(我個(gè)人估算大約0.5平方米)，計(jì)算一天的太陽能儲能。已知太陽常數(shù)值為8.24焦/(平方厘米*分)，則一盞路燈一天的太陽能儲能為 8.24*60*50*8=197760焦，校園內(nèi)所有路燈一天的太陽能儲能為197760*120=23731200焦2、 led燈的工作原理 led是light emitting diode

8、的縮寫，中文名稱“發(fā)光二極管”其發(fā)光原理跟激光的產(chǎn)生相似。一個(gè)原子中的電子有很多能級，當(dāng)電子從高能級向低能級跳變時(shí)，電子的能量就減少了，而減少的能量則轉(zhuǎn)變成光子發(fā)射出去。大量的這些光子就是激光了。led原理類似。不過不同的是，led并不是通過原子內(nèi)部的電子躍變來發(fā)光的，而是通過將電壓加在led的pn結(jié)兩端，使pn結(jié)本身形成一個(gè)能級（實(shí)際上，是一系列的能級），然后電子在這個(gè)能級上躍變并產(chǎn)生光子來發(fā)光的。耗電計(jì)算和光照強(qiáng)度的計(jì)算：已知太陽能電池的轉(zhuǎn)化率為7%，則一天存儲的太陽能轉(zhuǎn)化為電能為23731200*7%=1661184 焦假設(shè)學(xué)校的路燈的額定功率為60w，工作電壓為220v，工作電流為45

9、0ma則路燈工作一小時(shí)的耗電量為120*60*1=7200w/h，平均照度=15lx3、 比較相同光照強(qiáng)度下，若采用電力照明需要的消耗電能，能夠節(jié)省多少電能 比較led路燈和白熾燈的亮度,就led燈來說，今年發(fā)布的最高也就80lm/w，一般為50-70lm/w，白熾燈為10-15lm/w,也就是說1w的led燈相當(dāng)于5w左右的白熾燈。則在相同的照度下，led路燈要比普通的白熾燈節(jié)省80%的電能。只是現(xiàn)在led路燈的造價(jià)比較高，還無法推廣普及。5、說明使用led路燈的好處和意義 1、led路燈本身具有光的指向性，沒有光的漫射，保證光效； 2、led路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將led路燈的光照射到

10、所需照明的區(qū)域，即路面，進(jìn)一步提高了光照效率，達(dá)到節(jié)能的目的； 3、led的光源效率目前已達(dá)100 lm/w，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值能達(dá)到250 lm/w。而高壓鈉燈的發(fā)光效率是隨功率增加才有所增加，因此，總體光效led路燈比高壓鈉燈強(qiáng)； 4、led路燈的光顯色性比高壓鈉燈高，高壓鈉燈顯色指數(shù)只有23左右，而led路燈顯色指數(shù)可達(dá)到75以上，從視覺心理角度考慮，達(dá)到同等亮度，led路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上（參照英國道路照明標(biāo)準(zhǔn)）；而且，在中間視覺水平下，人眼在高色溫環(huán)境里比低色溫環(huán)境更容易辨別事物，避免了某些危險(xiǎn)狀態(tài)的發(fā)生； 5、led路燈的光衰小，一年的光衰不到3

11、%，使用10年仍達(dá)到道路使用照度要求，因此，led路燈在使用功率的設(shè)計(jì)上可以比高壓鈉燈低； 6、led路燈可以自動(dòng)調(diào)光,能實(shí)現(xiàn)在滿足不同時(shí)段照明要求，最大可能的降低功率，節(jié)省電能； 7、led是低壓直流器件，驅(qū)動(dòng)單顆led的電壓為安全電壓，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。直流的特點(diǎn)使led特別適合與太陽能、風(fēng)電進(jìn)行結(jié)合； 8、每個(gè)單元led晶粒只有很小體積，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變、易震的環(huán)境；9、壽命長：理論壽命能使用5萬小時(shí)以上； 10、led可以進(jìn)行頻繁的開關(guān)而不用擔(dān)心其損壞； 11、安裝簡便：直接將led路燈燈頭安裝于燈桿替換原有的鈉燈燈

12、頭； 12、散熱控制出色：能將led結(jié)點(diǎn)溫度降到70c以下，隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)點(diǎn)溫度還在進(jìn)一步下降，結(jié)點(diǎn)溫度越低，理論上led芯片壽命就越長； 13、質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件，每顆led都有單獨(dú)過流保護(hù)及串并聯(lián)保護(hù)，就算一顆損壞，也不會(huì)導(dǎo)致其他led芯片失效； 14、led 光源不含有害金屬汞，不像高壓鈉燈或金屬鹵化物燈在報(bào)廢時(shí)對環(huán)境造成危害；四、體會(huì)及建議通過這一周的課程設(shè)計(jì)，使我進(jìn)一步的對光電子技術(shù)這門課程有了進(jìn)一步的了解，在課程設(shè)計(jì)過程中，通過翻閱資料，上網(wǎng)搜索等，我對led路燈的原理有了更深一層次的認(rèn)識，既增強(qiáng)了我的理解能力，也使我能更好的運(yùn)用所學(xué)的知識。開始時(shí)我還不太明白太陽能電池的工作原理以及l(fā)ed燈的工作原理都不太了解，但通過對所學(xué)知識更深入的了解和同學(xué)的講解和幫助，最終使我克服的難關(guān)，并成功的做出了設(shè)計(jì)。一周的鍛煉，7天的不同感受，我有過對知識的掌握不足時(shí)的迷茫，也有過思路不清是的懊惱，但一路走來，我卻收獲了知識，收獲的希望和努力后的成果。通過這次的課程設(shè)計(jì)加深了我對理論知識的理解，同時(shí)增強(qiáng)了我的邏輯思維能力，另一方面也是對課堂所學(xué)理論知識作一個(gè)總結(jié)和補(bǔ)充。在此我要感謝老師的孜孜教誨和同學(xué)的幫助，我相信這