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1、吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院光电子技术课程设计报告设计题目： 校园内LED路灯节能分析专业班级： 信科081 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2011.02.282011.03.04 教师评语：成绩 评阅教师 日期 光电子技术课程设计报告一、 设计的作用、目的 课程设计是理论学习的延伸，是掌握所学知识的一种重要手段，对于贯彻理论联系实际、提高学习质量、塑造自身能力等有特殊作用。本次课程设计一方面通过对校园内LED路灯的节能分析，使我们加深对理论知识的理解，同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。本次课程设计以争强我们的逻辑思维能力，同时加深我
2、们对所学理论知识的理解和记忆，争强我们对这门课程的兴趣为目的。通过设计过程能提高学习质量，塑造自身能力。二、设计内容及要求1. 校园内LED路灯的使用情况。（包括布置、数量(大约120)、作用等）2. 太阳能电池的工作原理除了原理还要对学校的太阳能电池进行储能计算 ，一天光照8小时，每个路灯的光照面积自己估算(我个人估算大约0.5平方米)，计算一天的太阳能储能。在书上、网上查阅资料。3. LED灯的工作原理同时进行耗电计算和光照强度的计算4. 比较相同光照强度下，若采用电力照明需要的消耗电能，能够节省多少电能5. 说明使用LED路灯的好处或意义三、设计内容1、校园内LED路灯的使用情况我们校园
3、内的LED路灯主要分布在校园主干道的两侧，在人群密集区如教学楼、寝室楼、食堂等。我们校园内的LED路灯大约有120盏。安装路灯的主要目的是为了给广大师生提供方便，保证校园生活的安全性、舒适性，并在一定程度上提高了校园的美观，简洁、漂亮，与优美的校园环境协调一致，相得益彰，给人清新亮丽的感觉。LED路灯比传统路灯节能，不仅提高了照明光效和照明均匀度，而且维护成本低，使用寿命长，实现了可持续发展。1、 太阳能电池的工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳能电池。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
4、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。这种现象，就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色
5、的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。 当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P
6、区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示） 由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池
7、利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。对学校的太阳能电池进行储能计算 ，一天光照8小时，每个路灯的光照面积自己估算(我个人估算大约0.5平方米)，计算一天的太阳能储能。已知太阳常数值为8.24焦/(平方厘米*分)，则一盏路灯一天的太阳能储能为 8.24*60*50*8=197760焦，校园内所有路灯一天的太阳能储能为197760*120=23731200焦2、 LED灯的工作原理 LED是light emitting diode
8、的缩写，中文名称“发光二极管”其发光原理跟激光的产生相似。一个原子中的电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跳变时，电子的能量就减少了，而减少的能量则转变成光子发射出去。大量的这些光子就是激光了。LED原理类似。不过不同的是，LED并不是通过原子内部的电子跃变来发光的，而是通过将电压加在LED的PN结两端，使PN结本身形成一个能级（实际上，是一系列的能级），然后电子在这个能级上跃变并产生光子来发光的。耗电计算和光照强度的计算：已知太阳能电池的转化率为7%，则一天存储的太阳能转化为电能为23731200*7%=1661184 焦假设学校的路灯的额定功率为60w，工作电压为220V，工作电流为45
9、0mA则路灯工作一小时的耗电量为120*60*1=7200W/h，平均照度=15Lx3、 比较相同光照强度下，若采用电力照明需要的消耗电能，能够节省多少电能 比较LED路灯和白炽灯的亮度,就LED灯来说，今年发布的最高也就80lm/W，一般为50-70lm/W，白炽灯为10-15lm/W,也就是说1W的LED灯相当于5W左右的白炽灯。则在相同的照度下，LED路灯要比普通的白炽灯节省80%的电能。只是现在LED路灯的造价比较高，还无法推广普及。5、说明使用LED路灯的好处和意义 1、LED路灯本身具有光的指向性，没有光的漫射，保证光效； 2、LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到
10、所需照明的区域，即路面，进一步提高了光照效率，达到节能的目的； 3、LED的光源效率目前已达100 lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值能达到250 lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强； 4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED路灯显色指数可达到75以上，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上（参照英国道路照明标准）；而且，在中间视觉水平下，人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物，避免了某些危险状态的发生； 5、LED路灯的光衰小，一年的光衰不到3
11、%，使用10年仍达到道路使用照度要求，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低； 6、LED路灯可以自动调光,能实现在满足不同时段照明要求，最大可能的降低功率，节省电能； 7、LED是低压直流器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。直流的特点使LED特别适合与太阳能、风电进行结合； 8、每个单元LED晶粒只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变、易震的环境；9、寿命长：理论寿命能使用5万小时以上； 10、LED可以进行频繁的开关而不用担心其损坏； 11、安装简便：直接将LED路灯灯头安装于灯杆替换原有的钠灯灯
12、头； 12、散热控制出色：能将LED结点温度降到70C以下，随着技术的发展，结点温度还在进一步下降，结点温度越低，理论上LED芯片寿命就越长； 13、质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护及串并联保护，就算一颗损坏，也不会导致其他LED芯片失效； 14、LED 光源不含有害金属汞，不像高压钠灯或金属卤化物灯在报废时对环境造成危害；四、体会及建议通过这一周的课程设计，使我进一步的对光电子技术这门课程有了进一步的了解，在课程设计过程中，通过翻阅资料，上网搜索等，我对LED路灯的原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力，也使我能更好的运用所学的知识。开始时我还不太明
13、白太阳能电池的工作原理以及LED灯的工作原理都不太了解，但通过对所学知识更深入的了解和同学的讲解和帮助，最终使我克服的难关，并成功的做出了设计。一周的锻炼，7天的不同感受，我有过对知识的掌握不足时的迷茫，也有过思路不清是的懊恼，但一路走来，我却收获了知识，收获的希望和努力后的成果。通过这次的课程设计加深了我对理论知识的理解，同时增强了我的逻辑思维能力，另一方面也是对课堂所学理论知识作一个总结和补充。在此我要感谢老师的孜孜教诲和同学的帮助，我相信这十几天的不懈努力回给我未来的学习带来很多的启发，我会在以后的工作生活中更好的理论联系实际，证明自己的能力五、参考文献1、姚建铨，于意仲 光电子技术 第1版高等教育出版社，20062、安毓英光电子技术北京：电子工业出版社，20033、缪家鼎光电技术杭州：浙江大学出版社，20034、刘永智液晶显示技术成都：电子科技大学出版社，20035、刘榴娣，常本康，党长民显示技术北京：北京理工大学出版社，19939
光电子技术课程设计报告校园内LED路灯节能分析
