太阳能充电式LED手电照明光源系统_电子论文

(太阳能充电式LED手电照明光源系统设计 68页 26031字包括开题报告文献综述任务书外文翻译程序电路图答辩记录等）

摘要：本文介绍了半导体发光二极管LED的发展情况、内部结构、工作原理，同时还对太阳能的发展情况、及其组件的结构、工作原理做了详细的介绍。还对太阳能充电式LED手电照明系统提出了设计方案。本系统的结构简单、能耗低、可靠性强，尤其适合在无电区或无电时使用。
本系统以太阳能组件作为能量来源，配合以可充放电的蓄电池及控制电路，同配以大功率白光LED作为发光元件，从而达到手电照明的效果。并且实现在节能降耗的基础上，为太阳能室内照明提供了新的参考。
本次研究的理论知识是基于课本知识和课外资料的基础之上，通过综合查找相关书籍、刊物、网上的文献资料以及向老师和同学请教，在提炼消化后获得。
本文将基于太阳能及LED的基本原理和驱动电路的优化方案，设计一个太阳能充电式LED手电照明系统的模型。目的是为以后从事太阳能行业、LED产品的设计开发、业务渠道的拓展打下良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并充分的锻炼自己的能力。

关键词：太阳能；充放电；LED；节能

Rechargeable LED flashlight solar lighting system design

Abstract: In this paper the semiconductor light emitting diode (LED), including its development, the interior structure and the work principle was introducesd. Meanwhile， also on the development of solar , and its components of the structure, working principle done a detailed introduction . Also on the solar rechargeable flashlight LED lighting systems in the design programme. The simple structure of the system has the benefits about low energy consumption, reliability, especially for areas without electricity or power shortage use.
The system components as solar energy sources, with a rechargeable battery and the discharge control circuit, supported by the same high power as a luminous white LED components, to achieve flashlight lighting effects. And the realization on the basis of energy saving, solar energy for indoor lighting provides a new reference.
The study is based on the theoretical knowledge of textbook knowledge and information on the basis of extra-curricular, through comprehensive find related books, publications, online documentation and to ask teachers and students, in digestion, was extracted.
This paper will be based on solar energy and the basic principles of LED drive circuit and the optimization of the programme, designed a solar-powered rechargeable flashlight LED lighting system model. After the objective is to engage in solar energy industry, LED product design development, business channels lay a good foundation for development and establish an independent confidence in the product development and fully exercise their abilities.
Keywords: Solar energy; charge and discharge; LED; Energy Conservation
Classification: TK519

目次
摘要 Ⅰ
目次 Ⅲ
1绪论 1
1.1引言 1
1.2太阳能光伏发电技术 2
1.3半导体照明技术 3
1.4太阳能光伏发电技术和半导体照明技术结合应用 3
2 太阳能充电式LED手电照明系统的原理与分析 4
2.1系统的组成 4
2.2太阳能电池的输出特性 5
2.3铅酸蓄电池特性 6
2.4LED工作特性 10
3 太阳能充电式LED手电照明系统的总体设计与分析 12
3.1总体设计方案 12
3.2 DC/DC转换电路 12
3.3 充电器控制电路 13
3.4大功率LED驱动电路 15
3.5系统的改良设计与分析 17
4总结与展望 19
参考文献 20
作者简历 21
学位论文数据集 23

1. 绪论
1.1 引言
随着全球经济的迅速发展，能源消耗以惊人的速度增长，伴随而来的则是大量的环境污染和生态破坏。世界已探明的主要矿物燃料储量和开采量不容世人乐观[1]。（见图1.1）

图1.1世界能源消耗结构及部分能源预计可开采年限

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，可再生能源越来越成为关注的焦点，人们期望通过可再生能源来改变能源结构，以实现可持续发展。欧盟预测，到2050 年可再生能源在能源结构中的比例可以达到78%，太阳能所占比例将达到28%，其中太阳能发电达25.5%。

常规能源的短缺正体现出以太阳能光伏发电为代表的可再生新能源及其产业的巨大优势。太阳能发电因其无污染、安全、寿命长、维护简单、资源永不枯竭等特点，自20世纪80 年代以来得到了迅猛发展。世界光伏发电产业成为当今发展最迅速的高新技术产业之一，最近10年太阳能电池及组件生产的年平均增长率为33％，位于世界能源发电市场增长率的首位。最近５年的年平均增长率为43％，2004 年同比增长高达61.2％。2004年，全球安装的太阳能光伏系统容量已逾1000 兆瓦[2].

在电能消耗中，照明用电占发电总量的比例：发达国家是19%，我国是10%。随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视[3]。开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。LED照明就是在这样的形势下发展起来的。

LED是由超导发光晶体产生超高强度的灯光，它发出的热量很少，不像白炽灯那
样浪费太多热量，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏。LED已被全球公认为新一代的环保型高科技光源。

太阳能发电和LED照明的完美结合，充分将系统节能的特性发挥到了及至。随着它们的推广，世界能源问题定将有所改善。

1.2 太阳能光伏发电技术
作为世界第二大能源消费国，我国政府一直高度重视能源和节能工作，早在20世纪80年代初就提出了“能源开发与节约并重，把节约放在优先位置”的方针，
将节能纳入国家经济和社会发展计划。解决中国的能源问题，一方面要开源，加大国内能源勘探开发力度；另一方面要节流，必须坚持节约优先，大幅度提高能源利用效率，加快建设节约型社会[4]。

上个世纪50年代，在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体PN 结的光生伏打效应。即当太阳光照射到有pn 接头的半导体时,产生带正电荷的空穴和带负电荷的电子,空穴与电子在pn 接头部分离,电子沿n 型半导体移至负极,空穴沿p 型半导体移至正极,将两电极用外导线联接即产生电流。

太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能及半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳光发电的主流。时下，人们通常所说太阳光发电就是太阳能光伏发电（PV），亦称太阳能电池发电。

太阳光发电有如下的优点:
①从光可以直接获取电能;
②不产生废气;
③发电效率不随发电规模的大小(例如1 W 和1 MW) 而变;
④阴天可以利用扩散光发电;
⑤无运动部件,无噪音,寿命是半永久性的(大约20 年) 。
此外,制造太阳能电池目前的主要原料是硅,硅是地球上数量之多居第2 位的元素,原料来源充足[5]。
1.3 半导体照明技术
近年来，固态照明得到了快速发展。固态照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技术，目前主要包含半导体照明的发光二极管(LED)和有机物发光二极管(OLED)。LED 灯作为照明光源，其优越性在于：光电转换效率高，低压供电，使用寿命长，既可以有选择地发出单色光，也可以高效地发出白光，所以可以大大节约电能。半导体发光二极管（LED）利用注入PN结的少数载流子与多数载流子复合，从而发出可见光，是一种直接把电能转化为光能的发光器件。发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分；正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。发光二极管有许多的优点：工作电压低，耗电量少；性能稳定，寿命长(一般为10万到1000 万h）；抗冲击，耐振动性强；重量轻，体积小，成本低[6]。

近几年来，LED的发光效率已增长了100倍，而成本则降为原来的1/10。在目前LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用LED，其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。照明LED的世界年增长率在20%以上，美国、日本、欧盟以及我国的台湾均推出了半导体照明计划。

白光LED具有如下特点：（1）.低电压驱动，最低可用2V电压驱动；（2）.体积小，一般直径3-5mm，用于被光照明的体积更小；（3）.重量轻，显色性好，显色指数超过90，超过荧光灯，接近白炽灯的显色性能，接近自然光；（4）.调光性能好、寿命超过10Wh、耐振动、不易损坏、色温变化时不会产生视觉误差，生产过程无汞和铅的污染，将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源[7]。

1.4 太阳能光伏发电与半导体照明相结合
在能源问题严重的今天，“开源”和“节流”已经成为了解决该问题十分有效的方法。“开源”指的是开发新能源。太阳能光伏发电技术正是利用了太阳能这项新能源，而且它不仅具有清洁、无污染等特点，还是可再生能源，可谓“取之不尽，用之不竭”。“节流”是指充分合理的使用能源。半导体照明技术，是这一领域的典范。结合太阳能光伏发电技术和半导体照明技术，我们可以很好的缓解能源问题所带来的压力。
本设计就是在这个基础上所提出来的，它继承了上述两者的所有优点。

太阳能充电式LED手电照明光源系统

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