【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程。境保護(hù)是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源領(lǐng)域最重要的課題。匾乏不足,更重要的是化石能源的開發(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染破壞。污染水土,直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量。而每年排放的210萬噸二氧化

　　

【正文】 41lm/W）與緊湊型熒光燈（ 87 lm/W）之間。 ② LED 的光譜特性 LED 的發(fā)光原理決定了它發(fā)光的單色性，不同材料的 LED 對(duì)應(yīng)不同的主波長(zhǎng) ?D 和不同的光譜曲線，各譜線的半寬度 ?λ 有一定的差異。 ③ LED 的光強(qiáng)分布特性 目前 LED 發(fā)出光束的角度用 1/2 半寬度角 2/1? 表示，即光強(qiáng)降到峰值光強(qiáng) 1/2 時(shí)的光束角，見圖 33。由于目前的光源都是對(duì)稱的透鏡，所以它的擴(kuò)散角為 2 2/1? 。 LED 的光強(qiáng)分布曲線都可用 ?? cosII ? 示。因此，再利用多個(gè) LED集中起來制成“二次光源”時(shí)，在計(jì)算上比較方便的。 圖 33 LED 光源的光強(qiáng)分布特性 Figure 33 LED light intensity distribution characteristics 2) LED 光源的電特性 ① LED 的伏安特性曲線 發(fā)光二極管的伏安特性 (又稱 VI 特性 )與普通二極管大致相同，只是在正向特性的上升速率上略有差異。當(dāng)所施加的正向電壓未達(dá)到開啟電壓時(shí)，幾乎沒有電流通過發(fā)光二極管，但當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流急劇上升，電流電壓幾乎成線性關(guān)系，即發(fā)光二極管呈歐姆導(dǎo)通特性。發(fā)光二極管正向開啟電壓通常稱作正向門限電壓，它取決于半 導(dǎo)體材料的禁帶寬度，其取值因使用晶體材料的不同顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 而有所差異。在 25℃時(shí)， SF50TUV13 紫外發(fā)光二極管 GaP 紅色發(fā)光二極管的正向電壓分別是 和 ,正向工作電流都為 20mA，反向電壓分別為 5V 和 7V。相同的管壓降是不同的，流過 LED 的電流 i 與其兩端電壓 V 的關(guān)系如下式： )1( / ?? kTeVr eIi ? 式中： T— 溫度 rI — LED 的反向 飽和電流； e— 電子電荷； k— 波爾茲曼常數(shù)； β — 正向電流較大時(shí)近似為 1。 ② LED 的發(fā)光特性 LED 的發(fā)光亮度，基本上正比于其通過的電流強(qiáng)度。亮度正比于電流密度這種特性，對(duì)于采用脈沖驅(qū)動(dòng)的方式來說是很有利得，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下獲得較直流電流更高的亮度。 3) LED 光源的熱特性 ① LED 的工作和環(huán)境溫度的關(guān)系 LED 的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度是 20℃～ +70℃，其寬溫范圍有利于設(shè)計(jì)和應(yīng)用，但需十分小心 LED 內(nèi)部的 PN 結(jié)工作溫度，它的變化會(huì)導(dǎo)致器件的顏色變化。典型數(shù)據(jù)如 下：紅色是 120℃，白色是 100℃，應(yīng)保持溫度范圍小于 105℃，在設(shè)計(jì)和裝配時(shí)應(yīng)考慮發(fā)熱造成效率的下降。超過這個(gè)溫度后， LED 的發(fā)光和壽命就會(huì)減少，當(dāng)環(huán)境溫度從 20℃增加為 60℃時(shí)，光輸出就減少一半。根據(jù)使用場(chǎng)合再設(shè)計(jì)外殼時(shí)必須注意熱量帶來的問題。 ②環(huán)境溫度對(duì) LED 發(fā)光的影響 LED 的發(fā)光強(qiáng)度與使用的環(huán)境溫度有很大關(guān)系，一般的趨勢(shì)是溫度降低，發(fā)光越強(qiáng)，反之則越弱。除此之外，溫度變化對(duì) LED 的主波長(zhǎng)也有影響。實(shí)驗(yàn)證明，一般情況下， LED 在恒定電流下工作，電壓雖溫度變化到穩(wěn)定時(shí)， LED 所消耗的電能是一定的。若不控制溫度，穩(wěn)定的電功率就會(huì)產(chǎn)生不同的工作條件。光輻射的相對(duì)光譜分布將受到兩方面的影響：一是光譜分布曲線的形狀；二是隨遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 著溫度的升高，整個(gè)光譜分布曲線的主波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移。 LED 與傳統(tǒng)光源的性能比較 1) LED 的優(yōu)點(diǎn) 雖然目前白光 LED 仍處于初級(jí)發(fā)展階段，但與現(xiàn)行照明光源比較， LED 照明有很多優(yōu)點(diǎn)。也就是 LED 適合做照明燈具的原因。 (1) 光效高 白熾燈、鹵鎢燈的光效為 12～ 24lm/W，熒光燈的光效為 50～ 70lm/W，鈉燈的光效為 90～ 140lm/W，大部分的好店變成熱量損耗。 LED 的光效經(jīng)改良可達(dá)到 50～ 200lm/W，而且光的單色性好、光譜窄、無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前，世界各國均加緊提高 LED 光效的研究，在不遠(yuǎn)的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。 (2) 功率低 LED 單管功率為 ～ ，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓 ～ ，電流 15～ 20mA，反映速度快，可在高頻操作。在同樣的照明效果下， LED 的耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一。據(jù)日本估計(jì)，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的 LED 替代日本一半的白熾燈和熒光燈，相當(dāng)于每年可節(jié)約 60 億升原油。美國科學(xué)家語言，全球的白熾燈和日光燈都被白光 LED 取代的話，將節(jié)約 38 座核電站的發(fā)電量。 (3) 使用壽命長(zhǎng) LED 的使用壽命可以長(zhǎng)達(dá) 10 萬小時(shí)，傳統(tǒng)的光源在這方面無法與之相比。一般來講，普通白熾燈的壽命約為一千小時(shí)，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命不超過一萬小時(shí)，高壓鈉燈壽命也不超過二萬小時(shí)。使用 LED 作為光源，可大大降低人工費(fèi)用。 (4) 安全環(huán)保 LED 為全固態(tài)發(fā)光體、耐震、耐沖擊不易破碎、發(fā)熱量低、無熱輻射，屬冷光源 ，且不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)，廢棄物可回收，沒有污染。 (5) 響應(yīng)時(shí)間短 氣體放電光源從啟動(dòng)至光輻射穩(wěn)定輸出，需要幾十秒至幾十分的時(shí)間，這是顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34 由氣體放電光源本身的特性決定的，因?yàn)槎鄶?shù)體放電燈的工作物質(zhì)在常溫下是液體或固體，啟動(dòng)后需要一個(gè)加熱氣化的過程，才能達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。白熾燈是熱輻射光源，而 LED 得相應(yīng)時(shí)間只有幾十納秒，因此在一些需要快速相應(yīng)或高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，應(yīng)用 LED 作為光源是很合適的。 (6) 發(fā)光體接近點(diǎn)光源 LED 的發(fā)光體芯片尺寸很小，在進(jìn)行燈具設(shè)計(jì)時(shí)基本上可以把它看作點(diǎn)光源 ，這樣能給燈具設(shè)計(jì)帶來許多方便。白熾燈的發(fā)光體是燈絲，有一定的長(zhǎng)度，熒光燈的尺寸更大，這些照明光源都不能看成點(diǎn)光源，在燈具設(shè)計(jì)時(shí)首先要建立一個(gè)光源輻射模型，處理起來有一定的厚度。而 LED 發(fā)光的方向性很強(qiáng)，很多情況下只需要透鏡將其發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直、偏折，而不需要使用反射器，這樣設(shè)計(jì)的燈具厚度較小，可以做成薄型美觀的燈具。 除此之外，相比于傳統(tǒng)光源， LED 光源還有色溫范圍廣（ 3600～ 11000K）、體積小、無紅外線和紫外線輻射、直流驅(qū)動(dòng)和使用安全等優(yōu)點(diǎn)。 2) LED 改善之處 近年來， LED 的 發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達(dá)到白熾燈的水平，景觀燈采用的白色 LED 發(fā)光效率接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長(zhǎng)中。但是， LED 想要在照明中全面普及，還需要解決一些技術(shù)性的問題： (1) 光提取效率低 雖然 LED 的電光轉(zhuǎn)化效率較高，但傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) LED 的光提取效率只有百分之幾，嚴(yán)重影響 LED 的光輸出功率，采用 LED 作為照明光源，必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。 (2) 散熱問題 散熱不良將導(dǎo)致芯片溫度迅速上升和環(huán)氧樹脂碳化變黃，從而造成 LED 的加速光衰，降低 LED 的壽 命，甚至失效。 (3) 光色不佳 LED 發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距，譬如白熾燈具有非常強(qiáng)的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺，而白光 LED 發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。 (4) 價(jià)格昂貴 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 這是影響 LED 照明普及的主要原因，例如安裝到燈桿上 25W 的 LED 燈條至少需要 1000 元，比相同效果的鈉燈要貴得多。 LED 的驅(qū)動(dòng)電路 LED 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 原始電源有各種形式，但無論哪種電源，一般都不能直接給 LED 供電。因此，要用 LED 作為照 明光源就要解決電源變換問題。 LED 實(shí)際上是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅(qū)щ娖骷?LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、 PWM 調(diào)光、小型尺寸以及簡(jiǎn)便易用等特點(diǎn)。給 LED 供電的電源必須注意以下事項(xiàng)： (1) LED 是單向?qū)щ娖骷捎谶@個(gè)特點(diǎn)，就要用直流電流或者單向脈沖電流給 LED 供電。 (2) LED 是一個(gè)具有 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體期間，具有勢(shì)壘電勢(shì)，這就形成了導(dǎo)通門限電壓，加在 LED 上的電壓值超出這個(gè)門限電壓時(shí) LED 才會(huì)充分導(dǎo)通。 LED 的門限電壓一般在 以上，正常工作時(shí)的管壓降為 3V 到 4V。 (3) LED 的電流 — 電壓特性是非線性的，流過 LED 的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢(shì)減去 LED 的勢(shì)壘電勢(shì)后再除以回路的總電阻 (電源內(nèi)阻、引線電阻和 LED 體電阻之和 )。因此，流過 LED 的電流和加載 LED 兩端的電壓不成正比。 (4) LED 的 PN 結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí) LED 的勢(shì)壘電勢(shì)降低。由于這個(gè)特點(diǎn)，所以 LED 不能直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著 LED 工作時(shí)溫度的升高，電流會(huì)越來越大，以至損壞 LED。 (5) 流過 LED 的電流和 LED 的光通量的比值也是非線性的。 LED 的光通量隨著流過 LED 的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加的越少。因此，應(yīng)該使 LED 在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。另外， LED 也和其他光源一樣，所能承受的電功率是有限的。如果加在 LED 上的電功率超過一定數(shù)值， LED 也可能損壞。由于生產(chǎn)工藝和材料特性方面的差異，同型號(hào)的 LED 的勢(shì)壘電勢(shì)以及 LED 的內(nèi)阻也不完全一樣，這就導(dǎo)致 LED 工作時(shí)的管壓降不一致，在加上 LED 勢(shì)壘電勢(shì)具有負(fù)的溫度系數(shù)，因此， LED 不能直接顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 36 并聯(lián) 使用。 LED 驅(qū)動(dòng)電路 理想的 LED 驅(qū)動(dòng)方式是采用恒壓、恒流方式，但驅(qū)動(dòng)器的成本會(huì)增加。其實(shí)每種驅(qū)動(dòng)方式均有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù) LED 產(chǎn)品的要求、應(yīng)用場(chǎng)合，合理選用 LED驅(qū)動(dòng)方式，精確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源稱為關(guān)鍵。 對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)方面，由于蓄電池輸出是直流電，所以可以和 LED 相匹配。那么我們要考慮的就是如何使輸出電壓給 LED 光源提供穩(wěn)定的電流。而 LED也是需要直流供電，則對(duì)于 LED 的驅(qū)動(dòng)我們選用 DC/DC 變換器。 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 4. 太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 太 陽能 LED 照明系統(tǒng)概述 一個(gè)完整的太陽能 LED 照明系統(tǒng)如下圖 所示，主要由太陽能電池、蓄電池、控制器、 電壓電流檢測(cè)雙環(huán)路、 LED 燈及其驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。 圖 光伏發(fā)電 LED 照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Photovoltaic power generation LED lighting system structure diagram in figure 1) 太陽能電池板 太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上， 由于 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使 P 區(qū)電勢(shì)升高， N 區(qū)電勢(shì)降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類：一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠，另一類是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏數(shù)組將接來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后成高壓直流 電，經(jīng)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏數(shù)組首先會(huì)將接來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中。 顧宇航：光伏發(fā)電 LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38 2) 蓄電池 蓄電池的作用是把有陽光時(shí)太陽能電池發(fā)出的電存儲(chǔ)起來，供沒有陽光時(shí)使用。蓄電池的容量要根據(jù)太陽能電池板的功率和 LED 燈的功率以及照明時(shí)間來決定。 3) 太陽能充電控制電路 這部分電路的功能是在陽光充足，光照時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)候控制充電程度，電池充滿即停止充電，不使蓄電池過充損壞，以保護(hù)蓄電池，延 長(zhǎng)其使用壽命。 4) LED 驅(qū)動(dòng)電路 這也是系統(tǒng)的核心控制電路的一部分，它要完成發(fā)光二極管的恒流驅(qū)動(dòng)控制，使流過發(fā)光管的電流不隨蓄電池的電壓變化。 5) LED 照明燈 LED(1ight emitting diode)即發(fā)光二極管，它是一種在 PN 結(jié)上施加正向電流時(shí)能發(fā)出紫外光、可見光、紅外光的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。 LED 的發(fā)光機(jī)理是：半導(dǎo)體材料的電子和空穴在 P— N 結(jié)處結(jié)合，發(fā)出與電子和正電荷空穴之間的能量差相對(duì)應(yīng)的光子而發(fā)光。不同的半導(dǎo)體材料可制成各種波長(zhǎng)發(fā)光的 LED。與現(xiàn)行照明光源 相比， LED 照明具有以下優(yōu)點(diǎn)： A)功耗低、節(jié)能 在同樣的照明效果下， LED 的耗電量是白熾燈泡的 1/8，是熒光燈的 1/2。在我國，照明所消耗的電能約占電力總消耗量的 1/6，而只要目前 1/3