光電器件與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、 WORD 建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院光電器件與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：校LED路燈應(yīng)用現(xiàn)狀與前景分析專業(yè)班級： 信科092 學(xué)生：學(xué) 號： 10309216 指導(dǎo)教師： 吳賀君 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012.7.22012.7.6 教師評語：成績 評閱教師 日期 目錄第1章 LED路燈的工作原理·························

2、;··················1 1.1 太陽能電池的工作原理·····························&

3、#183;·······11.2 LED工作原理········································&

4、#183;···3第2章 LED節(jié)能情況············································&

5、#183;····4第3章 LED路燈投入與存在的問題·····································5 3.1 現(xiàn)在一般配置的太陽能LED路燈大概如下·

6、····················5 3.2 LED路燈存在的問題···························&#

7、183;···········5第4章 前景分析·····································

8、;················78 / 11第1章 LED路燈的工作原理1.1太陽能電池工作原理 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)。所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。 光生伏打效應(yīng): 當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對，在半導(dǎo)體部P-N結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達(dá)空間電

9、荷區(qū)，受部電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在p-n結(jié)附近形成與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。 當(dāng)把能量加到純硅中時(shí)（比如以熱的形式），它會導(dǎo)致幾個(gè)電子脫離其共價(jià)鍵并離開原子。每有一個(gè)電子離開，就會留下一個(gè)空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個(gè)空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運(yùn)載電流。將純硅與磷原子混合起來， 只需很少的能量即可使磷原子(最外層五個(gè)電子)的某個(gè)“多余”的電子逸出，當(dāng)利用磷原子摻雜時(shí)

10、，得到的硅被成為N型（“n”表示負(fù)電），太陽能電池只有一部分是N型。另一部分硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個(gè)而不是四個(gè)電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒有自由電子（“p”表示正電），但是有自由空穴?？昭▽?shí)際是電子離開造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷。它們像電子一樣四處移動。電場是在N型硅和P型硅接觸的時(shí)候形成的。在交界處，它們確實(shí)會混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達(dá)P側(cè)。最終會達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個(gè)將兩側(cè)分開的電場。這個(gè)電場相當(dāng)于一個(gè)二極管，允許（甚至推動）電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是相反。當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽能電池時(shí)，其能量會使電子空穴對釋放出來。 每個(gè)攜帶足

11、夠能量的光子通常會正好釋放一個(gè)電子，從而產(chǎn)生一個(gè)自由的空穴。如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響圍之，則電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞，如果我們提供一個(gè)外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。只有達(dá)到一定的能量單位為電子伏特（eV），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定才能使電子逸出。我們將這個(gè)能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉。在電池頂部采用抗反射涂層，減少硅的反射損失一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具有

12、不同帶隙的不同材料。而帶隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項(xiàng)技術(shù)可大大提高效率。這樣的電池稱為多接面電池，它們可以有多個(gè)電場。如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱作短路電流，另一方面，若將PN結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費(fèi)米能級比P區(qū)的費(fèi)米能級高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級之間就產(chǎn)生了電位差?？梢詼y得這個(gè)值，并稱為開路電壓。由于此時(shí)p-n結(jié)處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定電位差的值。太陽能電池峰值功率是標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽能電池的輸出最大功率，單位峰瓦，或用符號WP表示。太陽能電池的輸出功率取決

13、于太陽輻射、太普分布和太陽能電池的工作溫度。在不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)，同樣一塊太陽能電池的輸出功率是不同的，并不向有些人想象的那樣，只要有就會互毆額定輸出功率，設(shè)置人為太陽能電池在燈光下頁可正常使用。按面積計(jì)算，每平米的太陽能電池的輸出功率大約為120W，隨著轉(zhuǎn)換效率的提高，其輸出功率也相應(yīng)的增大。太陽能電池組件輸出功率的選擇，要根據(jù)太陽能燈的光源功率、使用時(shí)間和當(dāng)?shù)氐臍夂虻乩項(xiàng)l件等來確定。太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨(dú)被樹葉遮擋長時(shí)間遮擋，被遮擋的單片太陽能電池在強(qiáng)烈的照射下就會發(fā)熱而損害，甚至?xí)斐烧麄€(gè)太陽能電池組件損壞，這就是所謂的熱島效應(yīng)。為了防止熱島效應(yīng)，一般是

14、將太陽能電池傾斜放置，使太陽能電池表面不能附著遮擋物。對任何一個(gè)太陽能照明系統(tǒng)來說，充放電控制電路得優(yōu)劣將直接影響到系統(tǒng)應(yīng)用的成敗。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入的能量極不穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電池充電的控制要比普通對蓄電池充電的控制器要復(fù)雜。一個(gè)性男女良好的光伏電池控制器應(yīng)具有控制蓄電池充放電、溫度調(diào)節(jié)、最大功率跟蹤和過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)、反接保護(hù)等多種保護(hù)功能以與自動開關(guān)和時(shí)間調(diào)整功能。從而保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，同時(shí)使太陽能電池組件可以在不同溫度和輻照情況下智能輸出最大功率，使照明系統(tǒng)具有很高的效率。由于太陽能照明系統(tǒng)蓄電池的充電直接由太陽能電池提供，得到的能量既不穩(wěn)定，所有要配置容量合

15、理、性能可靠的蓄電池，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的政策工作。在太陽能光伏照明系統(tǒng)中，通常選用的是免維護(hù)鉛酸蓄電池。免維護(hù)鉛酸電池是一種新型的蓄電池，它采用全密封方式，放電率高，特性穩(wěn)定；無需加水；安裝時(shí)簡單，占地面積小，可水平垂直安裝，期望壽命一般為5-7年。選擇蓄電池容量的一半原則是：首先夠滿足夜晚照明要求，并能把白天太陽能電池組件產(chǎn)生的能量盡量儲存下來，同時(shí)還能滿足梁旭陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，蓄電池長期處在虧電狀態(tài)，縮短蓄電池壽命，同時(shí)也浪費(fèi)不必要的投資。1.2 LED燈工作原理LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，

16、是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著在一個(gè)支架上，是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。太陽能LED路燈選擇單色LED作光源，其亮度與光源的功率有直接關(guān)系，也直接影

17、響系統(tǒng)配置和投資費(fèi)用。在一樣照明時(shí)間條件下，光源功率越大，廣度越高，系統(tǒng)配置越大，費(fèi)用越高；功率越小，亮度越低，系統(tǒng)配置降低，費(fèi)用減少。一般的燈桿、燈具都可以作為太陽能燈的選擇對象。如果采用在燈桿上直接安裝太陽能電池組件的方案，需根據(jù)太陽能電池組件面積 加工制作太陽能電池組件的支架，同時(shí)考慮燈桿的抗風(fēng)強(qiáng)度問題。燈具和燈桿的選擇面較寬，一般滿足使用、美觀的要求即可。第2章 LED的節(jié)能情況 根據(jù)調(diào)查我校共有太陽能LED路燈120盞，根據(jù)網(wǎng)上查找發(fā)現(xiàn)太陽能LED燈一般就20W，而白熾燈和高壓汞燈分別是40W和50w。所以在一個(gè)月（30天）每盞燈消耗能量：LED燈消耗掉的能量E=Pt=wh=6kwh

18、 白熾燈消耗掉的能量E=Pt=12000wh=12kwh 高壓汞燈消耗掉的能量E=Pt=wh=15kwh 由以上的計(jì)算我們可以得出在一個(gè)月使用LED燈每盞只消耗掉6度電，白熾燈消耗掉近12度電，而高壓汞燈消耗掉15度電?？梢娢覀儗W(xué)校使用太陽能LED燈是多么的經(jīng)濟(jì)。第3章 LED路燈投入與存在的問題 3.1現(xiàn)在一般配置的太陽能LED路燈大概如下:太陽能電池板：單晶硅或多晶硅太陽能電池板功率：80W160W蓄電池：12V專用閥控免維護(hù)電池光源：采用40LED超高亮光源控制系統(tǒng)：微電腦智能控制，防過充，過放，輸出短路保護(hù)與根據(jù)光暗自動開，關(guān)燈 使用環(huán)境：-3560照明時(shí)間：正常光照下每天6-8小時(shí)或

19、可根據(jù)客戶要求設(shè)定，在蓄電池滿點(diǎn)時(shí)可連續(xù)工作3-5天價(jià)格基本從3000元起，就按最低配置算的話，我們學(xué)校也要投入 元。3.2 LED燈存在問題 目前我國LED燈具產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機(jī)遇期，LED路燈的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，但LED路燈在應(yīng)用實(shí)踐中確實(shí)遇到了一些問題，全國都成了LED路燈的試驗(yàn)場，部分產(chǎn)品沒有科技含量，低水平重復(fù)建設(shè)，LED路燈應(yīng)用存在著一些問題有待于解決。1. 價(jià)格偏高目前LED路燈的成本還遠(yuǎn)高于高壓鈉燈，一款LED路燈價(jià)格在30005000元，甚至更高，而一套進(jìn)口品牌的高壓鈉燈(含燈具、成套電器光源)價(jià)格不超過1500元。就現(xiàn)狀而言，LED路燈明顯太貴，價(jià)格

20、是高壓鈉燈的25倍。因此即使LED路燈的耗電量僅是高壓鈉燈的二分之一，但由于價(jià)格比高壓鈉燈高許多，用LED路燈代替高壓鈉燈成本回收周期仍然會很長。所以，LED路燈要在道路照明市場正式推廣，價(jià)格與成本仍然是最大障礙。要使LED路燈下降到與現(xiàn)有燈具的競爭價(jià)格，需要各廠商的成本下降。而近期只能是在LED技術(shù)不斷成熟、發(fā)光效率不斷提高的前提下，通過LED的壽命優(yōu)勢、節(jié)能優(yōu)勢來彌補(bǔ)燈具價(jià)格上的劣勢。2. 國產(chǎn)光源還不能滿足市場需求國LED光源的發(fā)展相對國外起步較晚，技術(shù)水平離國際領(lǐng)先業(yè)者還存在一定距離。目前，科銳、日亞、歐司朗等進(jìn)口光源的發(fā)光效率普遍超過100lm/W。雖然國不斷大力投入對LED光源技術(shù)

21、的開發(fā)，技術(shù)水平也不斷提升，但光效還在從30lm/W到60lm/W再到100lm/W的發(fā)展歷程中，無論從質(zhì)和量上，國產(chǎn)LED光源都遠(yuǎn)不能滿足市場需求。國產(chǎn)LED光源PN結(jié)在常溫狀態(tài)工作時(shí)，雖然理論壽命可以達(dá)到10萬小時(shí)，但由于散熱問題無法得到完全有效的解決，從而使其實(shí)際壽命大打折扣，LED路燈的光衰(壽命)問題也成為制約其廣泛應(yīng)用于路燈的關(guān)鍵問題之一。目前LED路燈的使用壽命暫無使用經(jīng)驗(yàn)，不少使用國產(chǎn)LED光源的廠家號稱壽命可達(dá)到56萬小時(shí)，但沒有實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)或者實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)來支撐，在實(shí)際應(yīng)用過程中，一些廠家的產(chǎn)品由于光衰大，短時(shí)間就出現(xiàn)了大量死燈現(xiàn)象，給LED路燈的名聲造成了嚴(yán)重傷害。3.

22、 電源系統(tǒng)不穩(wěn)定LED驅(qū)動電源不穩(wěn)定是行業(yè)共識，實(shí)際上它在拖LED照明行業(yè)后腿，因?yàn)轵?qū)動電源是LED路燈的重要部件，其故障將導(dǎo)致整燈的失效。由于戶外工作的惡劣環(huán)境，其中電源部分元器件的壽命成為驅(qū)動電源甚至整個(gè)路燈的壽命瓶頸。 電源可靠性差導(dǎo)致安裝的路燈很可能在短時(shí)間就壞了，這對于LED路燈這種戶外高處裝置來說，安裝難，維修更難，對于路燈廠家來講，不穩(wěn)定的電源使得維修成本攀高。因此大功率LED路燈驅(qū)動電源質(zhì)量不過關(guān)成為阻礙大功率LED路燈發(fā)展的短板。4. 損壞率高雖然使用太陽能LED燈很經(jīng)濟(jì)但是它的損壞率比較高，我校的LED燈就已經(jīng)壞掉很多啦。LED燈具失效一是來源于電源和驅(qū)動的失效，二是來源于

23、LED器件本身的失效。通常LED電源和驅(qū)動的損壞來自于輸入電源的過電沖擊（EOS）以與負(fù)載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片的損壞，以與電容等被動元件發(fā)生擊穿損壞。負(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動電路的過電流驅(qū)動，驅(qū)動電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導(dǎo)致的過熱損壞第4章 前景分析 LED路燈在近年發(fā)展得相當(dāng)紅火，而當(dāng)中的姣姣者有很多，LED液晶屏，LED路燈，LED驅(qū)動電源，LED照明燈具等等都已相繼得到飛速的發(fā)展，我們先說一下LED路燈。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，由于LED路燈產(chǎn)品價(jià)格過高導(dǎo)致初期安裝成本要高于傳統(tǒng)路燈2倍以上，而LED路燈憑借著節(jié)能、長壽命、免維護(hù)等優(yōu)勢

24、帶來的經(jīng)濟(jì)效益，要通過多年后才能夠顯現(xiàn)出來，較長的經(jīng)濟(jì)回收周期給LED路燈大規(guī)模市場化發(fā)展帶來了一定的障礙?，F(xiàn)階段，由于LED路燈市場仍以試點(diǎn)應(yīng)用為主，市場發(fā)展主要是依賴政府的大力扶持。1LED路燈可做但不容易LED路燈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)在于光效、光型、光衰、壽命4點(diǎn)。目前推廣LED路燈存在難點(diǎn)：LED路燈成本高是不可回避的問題，一次性投入較大；技術(shù)規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的滯后，因此他期待省地方標(biāo)準(zhǔn)能夠盡快出臺，解決這一難點(diǎn)。此外，專業(yè)部門的思維定勢一時(shí)難以扭轉(zhuǎn)，還缺乏配套的扶持與鼓勵(lì)政策，人們對LED的認(rèn)識有個(gè)過程，包括部分專家的認(rèn)識是從無到有，慢慢演進(jìn)的，好在從2008年到2009年對LED的觀點(diǎn)已經(jīng)好很多

25、了，基本上大家都能認(rèn)同，LED能做到，但是不容易。展望LED路燈的未來，還是充滿信心的。認(rèn)為一方面是LED本身性價(jià)比不斷提高、關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟、二次配光和散熱等研究已引起廠家更多的重視；另一方面是節(jié)能、環(huán)保的大潮流不可逆轉(zhuǎn)，因此擁有政府支持的大好前景；同時(shí)，主流企業(yè)把LED路燈作為自己的主業(yè)，加強(qiáng)科技與市場的投入，取得了一些照明工程的經(jīng)驗(yàn)。2.理性應(yīng)用讓LED健康發(fā)展要在白光LED應(yīng)用中理性呼喚，首先，必須理性地學(xué)習(xí)和在充分了解LED發(fā)光原理、優(yōu)缺點(diǎn)、使用要求和性價(jià)比的基礎(chǔ)上，建立法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)逐步推廣。其次，以高科技芯片技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)為核心來發(fā)展我國LED產(chǎn)業(yè)。最后，全面關(guān)注SSL動態(tài)尤其是

26、OLED的崛起。關(guān)于LED作為路燈和隧道燈的應(yīng)用，第一，LED的優(yōu)點(diǎn)為路燈和隧道燈的改革帶來曙光和希望，其巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益吸引力是不可抗?fàn)幍?。第二，仍存在維護(hù)性差的困難，尤其是驅(qū)動電路不一致；大功率LED散熱系統(tǒng)欠完善使LED燈光衰快，壽命不達(dá)標(biāo)；缺乏合適的優(yōu)異配光性能的燈具，光照不能滿足道路和隧道照明標(biāo)準(zhǔn)；另外價(jià)格明顯偏高，也制約了它的推廣應(yīng)用。3.LED標(biāo)準(zhǔn)與未來節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢介紹了LED國外標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展與LED產(chǎn)業(yè)面臨四個(gè)方面的挑戰(zhàn)：一是介紹了國際上與LED標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)；二是LED國際標(biāo)準(zhǔn)；三是我國有關(guān)的LED標(biāo)準(zhǔn)；四是LED產(chǎn)業(yè)的未來、LED標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢。4.國LED路燈市場規(guī)模分析。據(jù)估計(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)增長，全球路燈市場將呈現(xiàn)出逐年增長趨勢， 2010年全球路燈市場規(guī)模達(dá)1.6至1.8億盞左右。2009年LED路燈的發(fā)展速度雖然沒有預(yù)期的快，但是它必將取代傳統(tǒng)路燈，這是毋庸置疑的?，F(xiàn)在很多LED企業(yè)競相投入力量研發(fā)LED路燈，有數(shù)百家已經(jīng)推出了LED路燈產(chǎn)品，但大多還沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。相對于LED路燈企業(yè)的熱情，2009年中國的LED路燈市場尚未發(fā)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年中國的LED路燈市場規(guī)模僅為20-30萬盞，未來幾年，