2022年光电器件及应用课程设计.docx
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1、精品学习资源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专业班级:信科 092同学:学号:10309216指导老师:吴贺君设计时间:2021.7.2 2021.7.6老师评语:成果评阅老师日期设计题目:校内 LED路灯应用现状及前景分析欢迎下载精品学习资源目录第1章 LED 路灯的工作原理11.1 太阳能电池的工作原理11.2 LED工作原理3第 2 章 LED 节能情形4第3章 LED 路灯投入及存在的问题53.1 现在一般配置的太阳能 LED路灯大致如下53.2 LED路灯存在的问题5第 4 章 前景分析7欢迎下载精品学习资源第 1 章 LED 路灯的工作原理太阳能电池
2、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耀半导体的PN结时,就会在 PN结的两边显现电压,叫做光生电压;光生伏打效应 :当光照耀到 pn 结上时,产生电子 - 空穴对,在半导体内部 P-N结邻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 结邻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,仍使 p 区带正电, N
3、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方以热的形式 ,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 格四周四处游荡, 查找另一个空穴来安家; 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“余外”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
4、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, 它们的确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;最终会到达平稳状态, 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,答应甚至推动电子从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;假如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欢迎下载精品学习资源响范畴之内, 就电场会
5、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, 假如我们供应一个外部电流通路, 就电子会经过该通路, 流向它们的原始侧 P 侧,在那里与电场发送的空穴合并,并在流淌的过程中做功;只有到达肯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 打算才能使电子逸出;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, 就余外的能量会缺失掉; 在电池顶部采纳抗反射涂层,削减硅的反射缺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, 吸取较低能量的光子; 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
6、有多个电场;假如将外电路短路, 就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,假设将PN结两端开路,就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,并由此可以打算电位差的值;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
7、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; 按面积运算, 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挑选, 要依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, 假如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剧烈的阳光照耀下就会发热而损害, 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, 使太阳能电池外表不能附
8、着遮挡物;对任何一个太阳能照明系统来说, 充放电掌握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固,光伏发电系统中对蓄电池充电的掌握要比一般对蓄电池充电的掌握器要复杂;一个性男女良好的欢迎下载精品学习资源光伏电池掌握器应具有掌握蓄电池充放电、 温度调剂、最大功率跟踪和过充爱护、过放爱护、短路爱护、反接爱护等多种爱护功能以及自动开关和时间调整功能; 从而保证系统牢靠运行, 同时使太阳能电池组件可以在不同温度和辐照情形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供应, 得到的能量既不稳固, 全部要配置容量合理、
9、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, 通常选用的是免爱护铅酸蓄电池; 免爱护铅酸电池是一种新型的蓄电池, 它采纳全密封方式,放电率高,特性稳固;无需加水;安装时简洁,占地面积小,可水平垂直安装, 期望寿命一般为 5-7 年;挑选蓄电池容量的一半原就是: 第一够满意夜晚照明要求, 并能把白天太阳能电池组件产生的能量尽量储存下来,同时仍能满意梁旭阴雨天夜晚照明需要的电能;蓄电池容量过小不能满意夜晚照明的需要, 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, 同时也铺张不必要的投资;1.2 LED 灯工作原理LEDLight Emitting D
10、iode,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位置,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;而光的波长打算光的颜色,是由形成P-N 结材料打算的;太阳能 LED路灯挑
11、选单色 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挑选对象; 假如采纳在灯杆上直接安装太阳能电池组件的方案,需依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; 灯具和灯杆的挑选面较宽, 一般满意使用、美观的要求即可;欢迎下载精品学习资源第2章 LED 的节能情形依据调查我校共有太阳能 LED 路灯 120 盏,依据网上查找发觉太阳能LED 灯一般就 20W,而白炽灯和高压
12、汞灯分别是 40W和 50w;所以在一个月 30 天内每盏灯消耗能量:欢迎下载精品学习资源LED灯消耗掉的能量 E=P. t= 3010206000w. h=6kw. h 欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源白炽灯消耗掉的能量 E=P. t= 301040=12000w. h=12kw. h 欢迎下载精品学习资源高压汞灯消耗掉的能量 E=P. t= 30105015000 w. h=15kw. h 由以上的运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;欢迎下载精品学习资源第
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