1、 吉林建筑工程學院電氣與電子信息工程學院光電器件及應用課程設計報告 設計題目：校內led路燈應用現狀及前景分析專業班級： 信科092 學生姓名： 學 號： 10309216 指導教師： 吳賀君 設計時間： 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1 1.1 太陽能電池的工作原理1 1.2 led工作原理 3第2章 led節能情況4 第3章 led路燈投入及存在的問題5 3.1 現在一般配置的太陽能led路燈大概如下5 3.2 led路燈存在的問題5第4章 前景分析7 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

2、理的基礎是半導體pn結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的pn結時，就會在pn結的兩邊出現電壓，叫做光生電壓。 光生伏打效應: 當光照射到pn結上時，產生電子-空穴對，在半導體內部p-n結附近生成的載流子沒有被復合而到達空間電荷區，受內部電場的吸引，電子流入n區，空穴流入p區，結果使n區儲存了過剩的電子，p區有過剩的空穴。它們在p-n結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區帶正電，n區帶負電，在n區和p區之間的薄層就產生電動勢，這就是光生伏特效應。

3、當把能量加到純硅中時（比如以熱的形式），它會導致幾個電子脫離其共價鍵并離開原子。每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。將純硅與磷原子混合起來， 只需很少的能量即可使磷原子(最外層五個電子)的某個“多余”的電子逸出，當利用磷原子摻雜時，得到的硅被成為n型（“n”表示負電），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而不是四個電子，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。空穴實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

4、一樣四處移動。電場是在n型硅和p型硅接觸的時候形成的。在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得n側的電子越來越難以抵達p側。最終會達到平衡狀態，這樣我們就有了一個將兩側分開的電場。這個電場相當于一個二極管，允許（甚至推動）電子從p側流向n側，而不是相反。當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。 每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產生一個自由的空穴。如果這發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范圍之內，則電場會將電子送到n側，將空穴送到p側。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經過該通路，流向它們的原

5、始側（p側），在那里與電場發送的空穴合并，并在流動的過程中做功。只有達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。這項技術可大大提高效率。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，這個電流稱作短路電流，另一方面，若將pn結兩端開路，則由于電子和

6、空穴分別流入n區和p區，使n區的費米能級比p區的費米能級高，在這兩個費米能級之間就產生了電位差。可以測得這個值，并稱為開路電壓。由于此時p-n結處于正向偏置，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準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于太陽輻射、太陽光普分布和太陽能電池的工作溫度。在不同的時間、不同的地點，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，只要有陽光就會互毆額定輸出功率，設置人為太陽能電池在燈光下頁可正常使用。按面積計算，每平米的太陽能電池的輸出功率大約為120w，

7、隨著轉換效率的提高，其輸出功率也相應的增大。太陽能電池組件輸出功率的選擇，要根據太陽能燈的光源功率、使用時間和當地的氣候地理條件等來確定。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被樹葉遮擋長時間遮擋，被遮擋的單片太陽能電池在強烈的陽光照射下就會發熱而損害，甚至會造成整個太陽能電池組件損壞，這就是所謂的熱島效應。為了防止熱島效應，一般是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。對任何一個太陽能照明系統來說，充放電控制電路得優劣將直接影響到系統應用的成敗。由于太陽能光伏發電系統輸入的能量極不穩定，光伏發電系統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雜。一個性男女

8、良好的光伏電池控制器應具有控制蓄電池充放電、溫度調節、最大功率跟蹤和過充保護、過放保護、短路保護、反接保護等多種保護功能以及自動開關和時間調整功能。從而保證系統可靠運行，同時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，使照明系統具有很高的效率。由于太陽能照明系統蓄電池的充電直接由太陽能電池提供，得到的能量既不穩定，所有要配置容量合理、性能可靠的蓄電池，以保證光伏發電系統的政策工作。在太陽能光伏照明系統中，通常選用的是免維護鉛酸蓄電池。免維護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，特性穩定；無需加水；安裝時簡單，占地面積小，可水平垂直安裝，期望壽命一般為5-7年。

9、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生的能量盡量儲存下來，同時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，縮短蓄電池壽命，同時也浪費不必要的投資。1.2 led燈工作原理led（light emitting diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電能轉化為光能。led的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是p型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是n型半

10、導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“p-n結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向p區，在p區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是led發光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成p-n結材料決定的。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系，也直接影響系統配置和投資費用。在相同照明時間條件下，光源功率越大，廣度越高，系統配置越大，費用越高；功率越小，亮度越低，系統配置降低，費用減少。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，需根據太陽能電池組件面積

11、 加工制作太陽能電池組件的支架，同時考慮燈桿的抗風強度問題。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的節能情況 根據調查我校共有太陽能led路燈120盞，根據網上查找發現太陽能led燈一般就20w，而白熾燈和高壓汞燈分別是40w和50w。所以在一個月（30天）內每盞燈消耗能量：led燈消耗掉的能量e=pt=wh=6kwh 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 由以上的計算我們可以得出在一個月內使用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。可見我們學校使用太陽能led

12、燈是多么的經濟。第3章 led路燈投入及存在的問題 3.1現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專用閥控免維護電池光源：采用40led超高亮光源控制系統：微電腦智能控制，防過充，過放，輸出短路保護及根據光暗自動開，關燈 使用環境：-3560照明時間：正常光照下每天6-8小時或可根據客戶要求設定，在蓄電池滿點時可連續工作3-5天價格基本從3000元起，就按最低配置算的話，我們學校也要投入 元。3.2 led燈存在問題 目前我國led燈具產業正進入自主創新、實現跨越式發展的重大歷史機遇期，led路燈的應用不斷擴大，但led

13、路燈在應用實踐中確實遇到了一些問題，全國都成了led路燈的試驗場，部分產品沒有科技含量，低水平重復建設，led路燈應用存在著一些問題有待于解決。1. 價格偏高目前led路燈的成本還遠高于高壓鈉燈，一款led路燈價格在30005000元，甚至更高，而一套進口品牌的高壓鈉燈(含燈具、成套電器光源)價格不超過1500元。就現狀而言，led路燈明顯太貴，價格是高壓鈉燈的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，價格及成本仍然是最大障礙。要使led路燈下降到與現有燈具的競

14、爭價格，需要各廠商的成本下降。而近期只能是在led技術不斷成熟、發光效率不斷提高的前提下，通過led的壽命優勢、節能優勢來彌補燈具價格上的劣勢。2. 國產光源還不能滿足市場需求國內led光源的發展相對國外起步較晚，技術水平離國際領先業者還存在一定距離。目前，科銳、日亞、歐司朗等進口光源的發光效率普遍超過100lm/w。雖然國內不斷大力投入對led光源技術的開發，技術水平也不斷提升，但光效還在從30lm/w到60lm/w再到100lm/w的發展歷程中，無論從質和量上，國產led光源都遠不能滿足市場需求。國產led光源pn結在常溫狀態工作時，雖然理論壽命可以達到10萬小時，但由于散熱問題無法得到完

15、全有效的解決，從而使其實際壽命大打折扣，led路燈的光衰(壽命)問題也成為制約其廣泛應用于路燈的關鍵問題之一。目前led路燈的使用壽命暫無使用經驗，不少使用國產led光源的廠家號稱壽命可達到56萬小時，但沒有實際運用數據或者實驗室試驗數據來支撐，在實際應用過程中，一些廠家的產品由于光衰大，短時間內就出現了大量死燈現象，給led路燈的名聲造成了嚴重傷害。3. 電源系統不穩定led驅動電源不穩定是行業共識，實際上它在拖led照明行業后腿，因為驅動電源是led路燈的重要部件，其故障將導致整燈的失效。由于戶外工作的惡劣環境，其中電源部分元器件的壽命成為驅動電源甚至整個路燈的壽命瓶頸。 電源可靠性差導致

16、安裝的路燈很可能在短時間內就壞了，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，不穩定的電源使得維修成本攀高。因此大功率led路燈驅動電源質量不過關成為阻礙大功率led路燈發展的短板。4. 損壞率高雖然使用太陽能led燈很經濟但是它的損壞率比較高，我校的led燈就已經壞掉很多啦。led燈具失效一是來源于電源和驅動的失效，二是來源于led器件本身的失效。通常led電源和驅動的損壞來自于輸入電源的過電沖擊（eos）以及負載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅動電路中驅動芯片的損壞，以及電容等被動元件發生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅動電路的過電流驅動，驅

17、動電路有可能發生短路損壞或有短路故障導致的過熱損壞第4章 前景分析 led路燈在近年發展得相當紅火，而當中的姣姣者有很多，led液晶屏，led路燈，led驅動電源，led照明燈具等等都已相繼得到飛速的發展，我們先說一下led路燈。從目前的發展現狀看，由于led路燈產品價格過高導致初期安裝成本要高于傳統路燈2倍以上，而led路燈憑借著節能、長壽命、免維護等優勢帶來的經濟效益，要通過多年后才能夠顯現出來，較長的經濟回收周期給led路燈大規模市場化發展帶來了一定的障礙。現階段，由于led路燈市場仍以試點應用為主，市場發展主要是依賴政府的大力扶持。1led路燈可做但不容易led路燈設計的關鍵技術在于光

18、效、光型、光衰、壽命4點。目前推廣led路燈存在難點：led路燈成本高是不可回避的問題，一次性投入較大；技術規范與標準的滯后，因此他期待廣東省地方標準能夠盡快出臺，解決這一難點。此外，專業部門的思維定勢一時難以扭轉，還缺乏配套的扶持與鼓勵政策，人們對led的認識有個過程，包括部分專家的認識是從無到有，慢慢演進的，好在從2008年到2009年對led的觀點已經好很多了，基本上大家都能認同，led能做到，但是不容易。展望led路燈的未來，還是充滿信心的。認為一方面是led本身性價比不斷提高、關鍵技術日趨成熟、二次配光和散熱等研究已引起廠家更多的重視；另一方面是節能、環保的大潮流不可逆轉，因此擁有政

19、府支持的大好前景；同時，主流企業把led路燈作為自己的主業，加強科技與市場的投入，取得了一些照明工程的經驗。2.理性應用讓led健康發展要在白光led應用中理性呼喚，首先，必須理性地學習和在充分了解led發光原理、優缺點、使用要求和性價比的基礎上，建立法規和標準逐步推廣。其次，以高科技芯片技術和自主知識產權為核心來發展我國led產業。最后，全面關注ssl動態尤其是oled的崛起。關于led作為路燈和隧道燈的應用，第一，led的優點為路燈和隧道燈的改革帶來曙光和希望，其巨大的經濟和社會效益吸引力是不可抗爭的。第二，仍存在維護性差的困難，尤其是驅動電路不一致；大功率led散熱系統欠完善使led燈光

20、衰快，壽命不達標；缺乏合適的優異配光性能的燈具，光照不能滿足道路和隧道照明標準；另外價格明顯偏高，也制約了它的推廣應用。3.led標準與未來節能環保的發展趨勢介紹了led國內外標準的最新進展及led產業面臨四個方面的挑戰：一是介紹了國際上與led標準相關的標準化機構；二是led國際標準；三是我國有關的led標準；四是led產業的未來、led標準的發展趨勢。4.國內led路燈市場規模分析。據估計，隨著全球經濟增長，全球路燈市場將呈現出逐年增長趨勢， 2010年全球路燈市場規模達1.6至1.8億盞左右。2009年led路燈的發展速度雖然沒有預期的快，但是它必將取代傳統路燈，這是毋庸置疑的。現在很多

21、led企業競相投入力量研發led路燈，有數百家已經推出了led路燈產品，但大多還沒有實現量產。相對于led路燈企業的熱情，2009年中國的led路燈市場尚未發力。據統計，2009年中國的led路燈市場規模僅為20-30萬盞，未來幾年，在十城萬盞 、千里十萬盞等口號的政策推動下，中國led路燈市場仍然保持較快的市場發展速度，預計到2012年，市場規模將由2008年的5.6億元增長至39.6億元，年復合增長率達到63.0%.5.led路燈成本競爭優勢盡管led路燈仍比高壓鈉燈 價格貴3倍，但綜合耗電及維護成本等因素下，在使用2年后，led路燈幾乎和高壓鈉燈的總成本相等。因此，長期而言，led路燈的使用成本將優于目前的高壓