課程設計---校內led路燈應用現(xiàn)狀及前景分析

1、<p>　　電氣與電子信息工程學院</p><p>　　《光電器件及應用》課程設計報告</p><p>　　設計題目：校內LED路燈應用現(xiàn)狀及前景分析</p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學生姓名： </p>

2、;<p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計時間： 2012.7.2－2012.7.6 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　L

3、ED路燈的工作原理···································&

4、#183;·······1</p><p>　　1.1 太陽能電池的工作原理······················&

5、#183;··············1</p><p>　　1.2 LED工作原理 ···············

6、83;····························3</p><p>　　第2章 LED節(jié)能情況··&#

7、183;····································

8、··········4</p><p>　　LED路燈投入及存在的問題····················

9、83;················5</p><p>　　3.1 現(xiàn)在一般配置的太陽能LED路燈大概如下············

10、·········5</p><p>　　3.2 LED路燈存在的問題·····················

11、··················5</p><p>　　第4章 前景分析·············&#

12、183;····································

13、···7</p><p>　　第1章 LED路燈的工作原理</p><p>　　1.1太陽能電池工作原理</p><p>　　太陽能電池工作原理的基礎是半導體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(tài)發(fā)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(xiàn)電

14、壓，叫做光生電壓。</p><p><b>　　光生伏打效應:</b></p><p>　　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(qū)，受內部電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結果使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

15、用外，還使p區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產生電動勢，這就是光生伏特效應。</p><p>　　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

16、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?？昭▽嶋H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(tài)

17、，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。 </p><p>　　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(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，

18、如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經過該通路，流向它們的原始側（P側），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

19、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。</p><p>　　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，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費米能級比P區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之間就產生了電位差?？梢詼y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，

20、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。</p><p>　　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

21、平米的太陽能電池的輸出功率大約為120W，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(jù)太陽能燈的光源功率、使用時間和當?shù)氐臍夂虻乩項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(fā)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

22、物。對任何一個太陽能照明系統(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雜。一個性男女良好的光伏電池控制器應具有控</p><p>　　1.2 LED燈工作原理</p><p>　　LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以

23、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(huán)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(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，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

24、。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(tǒng)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(tǒng)配置越大，費用越高；功率越小，亮度越低，系統(tǒng)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(jù)太陽能電池組件面積 加工制作太陽能電池組件的支架，同時考慮燈桿的抗風強度問題

25、。燈具和燈桿的選擇面較寬，</p><p>　　LED的節(jié)能情況 </p><p>　　根據(jù)調查我校共有太陽能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。所以在一個月（30天）內每盞燈消耗能量：</p><p>　　LED燈消耗掉的能量E=Pt=wh=6kwh ①</p><p&g

26、t;　　白熾燈消耗掉的能量E=Pt==12000wh=12kwh ②</p><p>　　高壓汞燈消耗掉的能量E=Pt=wh=15kwh ③</p><p>　　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?？梢娢覀儗W校使用太陽能LED燈是多么的經濟。</p><p>　　LED路燈投入及存在的問

27、題 </p><p>　　3.1現(xiàn)在一般配置的太陽能LED路燈大概如下:</p><p>　　太陽能電池板：單晶硅或多晶硅</p><p>　　太陽能電池板功率：80W～160W</p><p>　　蓄電池：12V專用閥控免維護電池</p><p>　　光源：采用40LED超高亮光源</p><p&

28、gt;　　控制系統(tǒng)：微電腦智能控制，防過充，過放，輸出短路保護及根據(jù)光暗自動開，關燈 </p><p>　　使用環(huán)境：-35℃～60℃</p><p>　　照明時間：正常光照下每天6-8小時或可根據(jù)客戶要求設定，在蓄電池滿點時可連續(xù)工作3-5天</p><p>　　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。</p>&

29、lt;p>　　3.2 LED燈存在問題</p><p>　　目前我國LED燈具產業(yè)正進入自主創(chuàng)新、實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機遇期，LED路燈的應用不斷擴大，但LED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。</p><p><b>　　1. 價格偏高</b>&l

30、t;/p><p>　　目前LED路燈的成本還遠高于高壓鈉燈，一款LED路燈價格在3000~5000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(xiàn)狀而言，LED路燈明顯太貴，價格是高壓鈉燈的2~5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。</p><p>　　所以，L

31、ED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(xiàn)有燈具的競爭價格，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(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)勢來彌補燈具價格上的劣勢。</p><p>　　2. 國產光源還不能滿足市場需求</p><p>　　國內LED光源的發(fā)展相對國外起步較晚，技術水平離國際領先業(yè)者還存在一定距離。目

32、前，科銳、日亞、歐司朗等進口光源的發(fā)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(fā)，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(fā)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。</p><p>　　國產LED光源PN結在常溫狀態(tài)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全有效的解決，從而使其實際壽命大打折扣，

33、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5~6萬小時，但沒有實際運用數(shù)據(jù)或者實驗室試驗數(shù)據(jù)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(xiàn)了大量‘死燈’現(xiàn)象，給LED路燈的名聲造成了嚴重傷害。</p><p>　　3. 電源系統(tǒng)不穩(wěn)定</p><p>　　LED驅

34、動電源不穩(wěn)定是行業(yè)共識，實際上它在拖LED照明行業(yè)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(huán)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。</p><p>　　電源可靠性差導致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(wěn)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

35、為阻礙大功率LED路燈發(fā)展的短板。</p><p><b>　　損壞率高</b></p><p>　　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

36、動電路中驅動芯片的損壞，以及電容等被動元件發(fā)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，驅動電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導致的過熱損壞</p><p><b>　　前景分析 </b></p><p>　　LED路燈在近年發(fā)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(fā)展，我們先

37、說一下LED路燈。從目前的發(fā)展現(xiàn)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(tǒng)路燈2倍以上，而LED路燈憑借著節(jié)能、長壽命、免維護等優(yōu)勢帶來的經濟效益，要通過多年后才能夠顯現(xiàn)出來，較長的經濟回收周期給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路燈市場仍以試點應用為主，市場發(fā)展主要是依賴政府的大力扶持。</p><p>　　1．LED路燈可做但不容易　　LED路燈設計的關鍵技術在于光

38、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(guī)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(yè)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

39、，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(jié)能、環(huán)保的大潮流不可逆轉，因此擁有政府支持的大好前景；同時，主流企業(yè)把LED路燈作為自己的主業(yè)，加強科技與市場的投入，取得了一些照明工程的經驗。</p><p>　　2.理性應用讓LED健康發(fā)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(fā)光原理、優(yōu)缺點、使用

40、要求和性價比的基礎上，建立法規(guī)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(fā)展我國LED產業(yè)。最后，全面關注SSL動態(tài)尤其是OLED的崛起?！　￡P于LED作為路燈和隧道燈的應用，第一，LED的優(yōu)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(tǒng)欠完善使LED燈光衰快，壽命不達標；缺乏合適的優(yōu)異配光性能的燈具，光照不能滿足道

41、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。　</p><p>　　3.LED標準與未來節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢　　介紹了LED國內外標準的最新進展及LED產業(yè)面臨四個方面的挑戰(zhàn)：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(yè)的未來、LED標準的發(fā)展趨勢。</p><p>　　4.國內LED路燈市場規(guī)模分析。</p&

42、gt;<p>　　據(jù)估計，隨著全球經濟增長，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1.6至1.8億盞左右。</p><p>　　2009年LED路燈的發(fā)展速度雖然沒有預期的快，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)百家已經推出了LED路燈產品，但大多還沒有實現(xiàn)量產。相對于LED路燈企業(yè)的熱情，2009年中國的LED路燈市場

43、尚未發(fā)力。據(jù)統(tǒng)計，2009年中國的LED路燈市場規(guī)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(fā)展速度，預計到2012年，市場規(guī)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%.</p><p>　　5.LED路燈成本競爭優(yōu)勢</p><p>　　盡管LED路燈仍比高壓鈉燈 價格貴3倍，但綜合耗電

44、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(yōu)于目前的高壓鈉燈。以8米的LED路燈與高壓納燈比較，高壓納燈的功率消耗約要250瓦，LED只需60瓦，在使用壽命部分，高壓鈉燈平均約4,000小時，但LED可長達5萬小時。隨著LED路燈價格的不斷下降，其競爭優(yōu)勢將會越來越明顯。</p><p>　　6.LED路燈光源使用效益</p>&l

45、t;p>　　LED的發(fā)光效率高。目前可采購到的LED的光效已達100lm/W,其光效遠高于節(jié)能燈、金鹵燈 和無極燈 ，比目前路燈照明中普遍采用的高壓鈉燈還要高出10%.因此，LED現(xiàn)在已成為發(fā)光效率最高的光源之一。用LED取代白熾燈、熒光燈 、金鹵燈和高壓鈉燈等光源已不再有大的技術障礙，只是個時間問題。</p><p>　　7.LED路燈發(fā)展技術難題</p><p>　　隨著LED照

46、明市場的井噴入市，LED路燈發(fā)展逐漸明朗。眾企業(yè)紛紛搶灘LED路燈市場的態(tài)勢一發(fā)不可收拾。雖然LED產業(yè)在最近幾年內發(fā)展迅速，但至今仍缺乏權威的技術標準，導致整個行業(yè)良莠不齊，對大范圍推廣十分不利。而在技術難度相對較高的LED路燈方面，技術標準缺乏帶來的問題尤其明顯。許多技術出色的LED制造商和集成商，并不懂如何設計一個實用的路燈，應用部門也說不清具體要求。例如，不少制造商為了解決LED散熱問題，設計了一個“鏤空型”燈罩。但對路燈來說，

47、這樣的造型“遮風擋雨”的功能較差，并不適合做路燈。</p><p><b>　　[PAGE]</b></p><p>　　關于LED未來的標準主要在這三個方面發(fā)展：節(jié)能、環(huán)保、健康。</p><p>　　LED與傳統(tǒng)光源是不一樣的，光源定向發(fā)光、高亮度、長壽命。LED照明的未來要基于人與光環(huán)境的要求設計，而且要突破傳統(tǒng)光源的框架設計。未來的半導