光电器件及应用课程设计.docx
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光电器件及应用课程设计
吉林建筑工程学院
电气与电子信息工程学院
《光电器件及应用》课程设计报告
设计题目：
校内LED路灯应用现状及前景分析
专业班级：
信科092
学生姓名：
学号：
10309216
指导教师：
吴贺君
设计时间：
2012.7.2－2012.7.6
教师评语：
成绩评阅教师日期
目录
第1章LED路灯的工作原理···········································1
1.1太阳能电池的工作原理·····································1
1.2LED工作原理············································3
第2章LED节能情况·················································4
第3章LED路灯投入及存在的问题·····································5
3.1现在一般配置的太阳能LED路灯大概如下·····················5
3.2LED路灯存在的问题·······································5
第4章前景分析·····················································7
第1章LED路灯的工作原理
1.1太阳能电池工作原理
太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。
所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。
光生伏打效应:
当光照射到pn结上时，产生电子--空穴对，在半导体内部P-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。
它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。
光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。
每有一个电子离开，就会留下一个空穴。
然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。
这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。
将纯硅与磷原子混合起来，只需很少的能量即可使磷原子（最外层五个电子）的某个“多余”的电子逸出，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型（“n”表示负电），太阳能电池只有一部分是N型。
另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。
P型硅中没有自由电子（“p”表示正电），但是有自由空穴。
空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。
它们像电子一样四处移动。
电场是在N型硅和P型硅接触的时候形成的。
在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。
最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。
这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。
当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。
每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。
如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。
这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。
只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。
我们将这个能量值称为材料的带隙能量。
如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉。
在电池顶部采用抗反射涂层，减少硅的反射损失一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。
而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。
这项技术可大大提高效率。
这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。
如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差。
可以测得这个值，并称为开路电压。
由于此时p-n结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定电位差的值。
太阳能电池峰值功率是标准条件下太阳能电池的输出最大功率，单位峰瓦，或用符号WP表示。
太阳能电池的输出功率取决于太阳辐射、太阳光普分布和太阳能电池的工作温度。
在不同的时间、不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的，并不向有些人想象的那样，只要有阳光就会互殴额定输出功率，设置人为太阳能电池在灯光下页可正常使用。
按面积计算，每平米的太阳能电池的输出功率大约为120W，随着转换效率的提高，其输出功率也相应的增大。
太阳能电池组件输出功率的选择，要根据太阳能灯的光源功率、使用时间和当地的气候地理条件等来确定。
太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被树叶遮挡长时间遮挡，被遮挡的单片太阳能电池在强烈的阳光照射下就会发热而损害，甚至会造成整个太阳能电池组件损坏，这就是所谓的热岛效应。
为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使太阳能电池表面不能附着遮挡物。
对任何一个太阳能照明系统来说，充放电控制电路得优劣将直接影响到系统应用的成败。
由于太阳能光伏发电系统输入的能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通对蓄电池充电的控制器要复杂。
一个性男女良好的光伏电池控制器应具有控制蓄电池充放电、温度调节、最大功率跟踪和过充保护、过放保护、短路保护、反接保护等多种保护功能以及自动开关和时间调整功能。
从而保证系统可靠运行，同时使太阳能电池组件可以在不同温度和辐照情况下智能输出最大功率，使照明系统具有很高的效率。
由于太阳能照明系统蓄电池的充电直接由太阳能电池提供，得到的能量既不稳定，所有要配置容量合理、性能可靠的蓄电池，以保证光伏发电系统的政策工作。
在太阳能光伏照明系统中，通常选用的是免维护铅酸蓄电池。
免维护铅酸电池是一种新型的蓄电池，它采用全密封方式，放电率高，特性稳定；无需加水；安装时简单，占地面积小，可水平垂直安装，期望寿命一般为5-7年。
选择蓄电池容量的一半原则是：
首先够满足夜晚照明要求，并能把白天太阳能电池组件产生的能量尽量储存下来，同时还能满足梁旭阴雨天夜晚照明需要的电能。
蓄电池容量过小不能满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，蓄电池长期处在亏电状态，缩短蓄电池寿命，同时也浪费不必要的投资。
1.2LED灯工作原理
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。
太阳能LED路灯选择单色LED作光源，其亮度与光源的功率有直接关系，也直接影响系统配置和投资费用。
在相同照明时间条件下，光源功率越大，广度越高，系统配置越大，费用越高；功率越小，亮度越低，系统配置降低，费用减少。
一般的灯杆、灯具都可以作为太阳能灯的选择对象。
如果采用在灯杆上直接安装太阳能电池组件的方案，需根据太阳能电池组件面积加工制作太阳能电池组件的支架，同时考虑灯杆的抗风强度问题。
灯具和灯杆的选择面较宽，一般满足使用、美观的要求即可。
第2章LED的节能情况
根据调查我校共有太阳能LED路灯120盏，根据网上查找发现太阳能LED灯一般就20W，而白炽灯和高压汞灯分别是40W和50w。
所以在一个月（30天）内每盏灯消耗能量：
LED灯消耗掉的能量E=P
t=
w
h=6kw
h①
白炽灯消耗掉的能量E=P
t=
=12000w
h=12kw
h②
高压汞灯消耗掉的能量E=P
t=
w
h=15kw
h③
由以上的计算我们可以得出在一个月内使用LED灯每盏只消耗掉6度电，白炽灯消耗掉近12度电，而高压汞灯消耗掉15度电。
可见我们学校使用太阳能LED灯是多么的经济。
第3章LED路灯投入及存在的问题
3.1现在一般配置的太阳能LED路灯大概如下:
太阳能电池板：
单晶硅或多晶硅
太阳能电池板功率：
80W～160W
蓄电池：
12V专用阀控免维护电池
光源：
采用40LED超高亮光源
控制系统：
微电脑智能控制，防过充，过放，输出短路保护及根据光暗自动开，关灯
使用环境：
-35℃～60℃
照明时间：
正常光照下每天6-8小时或可根据客户要求设定，在蓄电池满点时可连续工作3-5天
价格基本从3000元起，就按最低配置算的话，我们学校也要投入元。
3.2LED灯存在问题
目前我国LED灯具产业正进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇期，LED路灯的应用不断扩大，但LED路灯在应用实践中确实遇到了一些问题，全国都成了LED路灯的试验场，部分产品没有科技含量，低水平重复建设，LED路灯应用存在着一些问题有待于解决。
1.价格偏高
目前LED路灯的成本还远高于高压钠灯，一款LED路灯价格在3000~5000元，甚至更高，而一套进口品牌的高压钠灯（含灯具、成套电器光源）价格不超过1500元。
就现状而言，LED路灯明显太贵，价格是高压钠灯的2~5倍。
因此即使LED路灯的耗电量仅是高压钠灯的二分之一，但由于价格比高压钠灯高许多，用LED路灯代替高压钠灯成本回收周期仍然会很长。
所以，LED路灯要在道路照明市场正式推广，价格及成本仍然是最大障碍。
要使LED路灯下降到与现有灯具的竞争价格，需要各厂商的成本下降。
而近期只能是在LED技术不断成熟、发光效率不断提高的前提下，通过LED的寿命优势、节能优势来弥补灯具价格上的劣势。
2.国产光源还不能满足市场需求
国内LED光源的发展相对国外起步较晚，技术水平离国际领先业者还存在一定距离。
目前，科锐、日亚、欧司朗等进口光源的发光效率普遍超过100lm/W。
虽然国内不断大力投入对LED光源技术的开发，技术水平也不断提升，但光效还在从30lm/W到60lm/W再到100lm/W的发展历程中，无论从‘质’和‘量’上，国产LED光源都远不能满足市场需求。
国产LED光源PN结在常温状态工作时，虽然理论寿命可以达到10万小时，但由于散热问题无法得到完全有效的解决，从而使其实际寿命大打折扣，LED路灯的光衰（寿命）问题也成为制约其广泛应用于路灯的关键问题之一。
目前LED路灯的使用寿命暂无使用经验，不少使用国产LED光源的厂家号称寿命可达到5~6万小时，但没有实际运用数据或者实验室试验数据来支撑，在实际应用过程中，一些厂家的产品由于光衰大，短时间内就出现了大量‘死灯’现象，给LED路灯的名声造成了严重伤害。
3.电源系统不稳定
LED驱动电源不稳定是行业共识，实际上它在拖LED照明行业后腿，因为驱动电源是LED路灯的重要部件，其故障将导致整灯的失效。
由于户外工作的恶劣环境，其中电源部分元器件的寿命成为驱动电源甚至整个路灯的寿命瓶颈。
电源可靠性差导致安装的路灯很可能在短时间内就坏了，这对于LED路灯这种户外高处装置来说，安装难，维修更难，对于路灯厂家来讲，不稳定的电源使得维修成本攀高。
因此大功率LED路灯驱动电源质量不过关成为阻碍大功率LED路灯发展的短板。
4.损坏率高
虽然使用太阳能LED灯很经济但是它的损坏率比较高，我校的LED灯就已经坏掉很多啦。
LED灯具失效一是来源于电源和驱动的失效，二是来源于LED器件本身的失效。
通常LED电源和驱动的损坏来自于输入电源的过电冲击（EOS）以及负载端的断路故障。
输入电源的过电冲击往往会造成驱动电路中驱动芯片的损坏，以及电容等被动元件发生击穿损坏。
负载端的短路故障则可能引起驱动电路的过电流驱动，驱动电路有可能发生短路损坏或有短路故障导致的过热损坏
第4章前景分析
LED路灯在近年发展得相当红火，而当中的姣姣者有很多，LED液晶屏，LED路灯，LED驱动电源，LED照明灯具等等都已相继得到飞速的发展，我们先说一下LED路灯。
从目前的发展现状看，由于LED路灯产品价格过高导致初期安装成本要高于传统路灯2倍以上，而LED路灯凭借着节能、长寿命、免维护等优势带来的经济效益，要通过多年后才能够显现出来，较长的经济回收周期给LED路灯大规模市场化发展带来了一定的障碍。
现阶段，由于LED路灯市场仍以试点应用为主，市场发展主要是依赖政府的大力扶持。
1．LED路灯可做但不容易 LED路灯设计的关键技术在于光效、光型、光衰、寿命4点。
目前推广LED路灯存在难点：
LED路灯成本高是不可回避的问题，一次性投入较大；技术规范与标准的滞后，因此他期待广东省地方标准能够尽快出台，解决这一难点。
此外，专业部门的思维定势一时难以扭转，还缺乏配套的扶持与鼓励政策，人们对LED的认识有个过程，包括部分专家的认识是从无到有，慢慢演进的，好在从2008年到2009年对LED的观点已经好很多了，基本上大家都能认同，LED能做到，但是不容易。
展望LED路灯的未来，还是充满信心的。
认为一方面是LED本身性价比不断提高、关键技术日趋成熟、二次配光和散热等研究已引起厂家更多的重视；另一方面是节能、环保的大潮流不可逆转，因此拥有政府支持的大好前景；同时，主流企业把LED路灯作为自己的主业，加强科技与市场的投入，取得了一些照明工程的经验。
2.理性应用让LED健康发展 要在白光LED应用中理性呼唤，首先，必须理性地学习和在充分了解LED发光原理、优缺点、使用要求和性价比的基础上，建立法规和标准逐步推广。
其次，以高科技芯片技术和自主知识产权为核心来发展我国LED产业。
最后，全面关注SSL动态尤其是OLED的崛起。
关于LED作为路灯和隧道灯的应用，第一，LED的优点为路灯和隧道灯的改革带来曙光和希望，其巨大的经济和社会效益吸引力是不可抗争的。
第二，仍存在维护性差的困难，尤其是驱动电路不一致；大功率LED散热系统欠完善使LED灯光衰快，寿命不达标；缺乏合适的优异配光性能的灯具，光照不能满足道路和隧道照明标准；另外价格明显偏高，也制约了它的推广应用。
3.LED标准与未来节能环保的发展趋势 介绍了LED国内外标准的最新进展及LED产业面临四个方面的挑战：
一是介绍了国际上与LED标准相关的标准化机构；二是LED国际标准；三是我国有关的LED标准；四是LED产业的未来、LED标准的发展趋势。
4.国内LED路灯市场规模分析。
据估计，随着全球经济增长，全球路灯市场将呈现出逐年增长趋势，2010年全球路灯市场规模达1.6至1.8亿盏左右。
2009年LED路灯的发展速度虽然没有预期的快，但是它必将取代传统路灯，这是毋庸置疑的。
现在很多LED企业竞相投入力量研发LED路灯，有数百家已经推出了LED路灯产品，但大多还没有实现量产。
相对于LED路灯企业的热情，2009年中国的LED路灯市场尚未发力。
据统计，2009年中国的LED路灯市场规模仅为20-30万盏，未来几年，在十城万盏、千里十万盏等口号的政策推动下，中国LED路灯市场仍然保持较快的市场发展速度，预计到2012年，市场规模将由2008年的5.6亿元增长至39.6亿元，年复合增长率达到63.0%.
5.LED路灯成本竞争优势
尽管LED路灯仍比高压钠灯价格贵3倍，但综合耗电及维护成本等因素下，在使用2年后，LED路灯几乎和高压钠灯的总成本相等。
因此，长期而言，LED路灯的使用成本将优于目前的高压钠灯。
以8米的LED路灯与高压纳灯比较，高压纳灯的功率消耗约要250瓦，LED只需60瓦，在使用寿命部分，高压钠灯平均约4,000小时，但LED可长达5万小时。
随着LED路灯价格的不断下降，其竞争优势将会越来越明显。
6.LED路灯光源使用效益
LED的发光效率高。
目前可采购到的LED的光效已达100lm/W,其光效远高于节能灯、金卤灯和无极灯，比目前路灯照明中普遍采用的高压钠灯还要高出10%.因此，LED现在已成为发光效率最高的光源之一。
用LED取代白炽灯、荧光灯、金卤灯和高压钠灯等光源已不再有大的技术障碍，只是个时间问题。
7.LED路灯发展技术难题
随着LED照明市场的井喷入市，LED路灯发展逐渐明朗。
众企业纷纷抢滩LED路灯市场的态势一发不可收拾。
虽然LED产业在最近几年内发展迅速，但至今仍缺乏权威的技术标准，导致整个行业良莠不齐，对大范围推广十分不利。
而在技术难度相对较高的LED路灯方面，技术标准缺乏带来的问题尤其明显。
许多技术出色的LED制造商和集成商，并不懂如何设计一个实用的路灯，应用部门也说不清具体要求。
例如，不少制造商为了解决LED散热问题，设计了一个“镂空型”灯罩。
但对路灯来说，这样的造型“遮风挡雨”的功能较差，并不适合做路灯。
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关于LED未来的标准主要在这三个方面发展：
节能、环保、健康。
LED与传统光源是不一样的，光源定向发光、高亮度、长寿命。
LED照明的未来要基于人与光环境的要求设计，而且要突破传统光源的框架设计。
未来的半导体照明是安全、健康的，此外更要讲究效率，LED要与一般光源竞争，除了效率还应提供人们更关心、更需要的性能要求，这是非常重要的。
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