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：                 

学生姓名：                  

学    号：           

指导教师：              

设计时间： 2011.02.28－2011.03.04   

 

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p－n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p－n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450mA

则路灯工作一小时的耗电量为120*60*1=7200W/h，平均照度>=15Lx

3、 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80 lm/W，一般为50-70 lm/W，白炽灯为10-15 lm/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%，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头；                  

12、散热控制出色：能将LED结点温度降到70°C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，2006

2、安毓英．光电子技术．北京：电子工业出版社，2003

3、缪家鼎．光电技术．杭州：浙江大学出版社，2003

4、刘永智．液晶显示技术．成都：电子科技大学出版社，2003

5、刘榴娣，常本康，党长民．显示技术．北京：北京理工大学出版社，1993

第二篇：《光电效应》说课稿(教案)

《光电效应》说课稿（教案） 点击：5 评论：0 20xx年x月x日10:15 作者：未知 智词：

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目的:了解光电效应的产生条件、规律及光子学说。了解光的量子性，会用光子说解释光电效应现象。培养学生观察能力、分析能力，对实验事实加以解释的能力。

器材:光电效应演示器，应急灯，紫外线灯，X射线管，感应圈，灵敏检流计。 重、难点:从实验现象总结出光电效应的规律，经典理论在解释光电效应遇到的困难。

教学过程:

一、引言:

师:前几节课我们了解了人们在研究光的本性过程提出的几种有代表性的学说。（简单回顾光的微粒说和波动说的发展过程）自从麦克期韦提出光的电磁说，赫兹又用实验证实了麦克斯韦的理论后，光的波动理论发展到了完美的地步。可是，光电效应的发现又给光的波动理论带来了前所未有的困难。今天我们就来通过实验研究光电效应的规律，并且通过分析光电效应的规律弄清为什么波动理论无法解释光电效应现

象。 评: 点明课题，强调已经十分完美的理论又受到新的实验事实的挑战，引起学生的悬念，激发求知欲。

二、新课进行。

1、介绍实验装置。

师: 下面给大家介绍一下光电效应实验装置。(分别介绍锌板、铜网、高压电源、检流装置，一边介绍，一边在黑板上画出整个装置的示意图)

评: 介绍装置后画出装置示意图，将具体的较复杂的实验装置变为简明的板画，突出了原理，有助于后面对实验事实的进一步分析。

师: 现在我把高压电源接通，检流装置接上，为什么检流计不发生偏转? 生:(集体) 电路还处于断开状态。

师: 哪一部分断开?

生: 锌板和铜网之间。中间是空气，不能导电。

师: 对。现在让我们用紫外线照射锌板，大家注意观察。(介绍紫外线灯，用紫外照射锌板，检流计指针偏转)

师: 刚才用紫外线照射锌板时，看到了什么现象?为什么会出现这种现象? 生: 看到检流计指针发生了偏转，说明电路中出现了电流。

师: 这电流可能是哪种原因产生的?

生: 可能是紫外线使空气电离，也可能是紫外线使锌板飞出了电子。

师: 对。这两种可能性都有。但是，如果我们用铜板代替锌板，则指针不会发生偏转，这样，排除了哪种可能性?

生:(集体)排除了空气被电离的可能性。

师: 这样，我们就知道，锌板在紫外线的照射下，飞出了电子，这种物体在光照下有电子飞出的现象叫光电效应;在光照下从物体中飞出的电子叫光电子，电路中的电流叫光电流。(板书:光电效应，光电子，光电流)(板画:光电效应的形成过程)

评: 这一阶段介绍什么是光电效应。从演示入手，引导学生观察并分析实验现象，为下面的研究光电效应规律作准备。

师: 下面我们进一步研究光电效应有哪些规律。

(用应急灯的可见光照射锌板，而后用X射线照射锌板) 刚才分别用可见光和X射线照射锌板，大家看到了什么现象?

生:(集体)用可见光照射时无电流，用X射线照射时有电流。

师: 这又说明了什么呢?

生: 可见光频率较低，不能发生光电效应，X射线频率较高，可以发生光电效应。 师: 对。我们知道，可见光，紫外线，X射线都是电磁波，只是频率高低不同。科学家们还用不同频率的各种电磁波照射同一种金属板，发现，当频率低到一定程度后，不论怎样增大入射光强度，怎样延长照射时间，都无法发生光电效应。这一频率界限就叫极限频率。

(板书:二、规律:任何一种金属，都存在极限频率V。，只有当入射光V>V。，才能发生光电效应。)

师:科学家还发现，发生光电效应时，若将高压电源去掉，检流计中仍能发现有电流通过。这说明什么呢?

生:飞出的电子不需要加速电压，能从锌板飞向铜网。

师: 对。这也说明飞出的电子具有一定的初速度，具有一定的初动能。光电子的这一初动能是从哪里来的呢?

生:从入射光中获得。

师:对。科学家用不同的光(不同频率，不同光强)照射同一金属。发现:光电子的最大初动能E晝km晞与入射光强度无关，只与入射光频率有关，并且随入射光频率的增大而增大。(板书:2、光电子的最大初动能E与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大)，这是光电效应的第二条规律。 师: 下面再让我们看一看，在能发生光电效应的情况下，从光照开始到光电效应发生，需要的时间长短。(用X射线照射锌板，让X射线不断地断、续照射，检流计指针的偏转也断、续发生)刚才大家看到的现象说明了什么问题?

生:光电效应发生非常快。

师:对。科学家用仪器测出了光电效应的发生时间，在10-9秒以下。在这段时间中，光只能通过约20-30厘米的距离。可以说光电效应的发生几乎是瞬时的。

板书(3、光电效应的发生几乎是瞬时的。)

师: 在上面研究的光电效应的第二条规律中，我们知道入射光强不影响光电子的最大初动能，那么入射光强可以对什么发生影响呢?(把紫外线管靠近锌板，改变紫外线管与锌板的距离，检流计指针偏转幅度相应地发生变化)这个现象说明什么?

生:说明入射光强度增大时，光电流强度也增大。

师:对。精确的实验表明，光电流强度与入射光强度成正比关系，这是光电效应的和4条规律。(板书:4、光电流随入射光强度的增大而增大。)

评: 从演示实验入手，一步一步地引导学生观察、分析，尽量让学生自己通过观察、分析获得知识。

师: 刚才我们通过对实验现象的观察、分析，得出了光电效应的规律。历史上科学家们通过大量的实验，总结出了光电效应的4条规律，下面大家看课本，熟悉这4条规律。

生:(看书)

师:下面提几个问题。(问题是:(1)某光恰能使锌发生光电效应，那么能使课本中表格内哪些金属发生光电效应?(2)表中哪种金属最易发生光电效应?(3)为什么各种金属的极限频率不同?)

生:(分别回答上述三个问题。)

评:上面的学生看书，紧接着教师的提问，达到了巩固对4条规律的理解的目的。 师:（提出新问题）为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？从光电效应的发生过程来看，电子吸收入射光能量后才能挣脱原子核的束缚，所以我们应从能量的角度来分析光效应。光的波动理论是这样描述光的能量的:(1)能量是连续的；(2)振幅（光强）越大，光能越大，光的能量与频率无关。大家想一想，波动理论为什么无法解释光电效应的规律?我们先来分析第一条规律:存在极限频率。

(提问学生)

生:按波动理论，光强越大，光能越大，就应该能发生光电效应，而事实不是这样。 师:对。按波动理论，不论什么频率的光，只要光强足够大，就应该发生光电效应，不应存在极限频率。 (板书: 波动理论的困难: 1、不应存在极限频率)

师: 波动理论能解释光电子的最大初动能与入射光强无关吗?

生:不能。按波动理论，入射光强越大，光能越大，飞出的光电子初动能就应越大。 师:对。事实是光电子的最大初动能仅与入射光频率有关。(板书:2、光电子最大初动能E晝km晞应与光强有关，与V无关)

师:光电效应几乎是瞬时发生的。也就是说，不论入射光强多么弱，只要V>V。，就立即能发生光电效应。这用波动理论能解释吗?

生:不能。按波动理论，光太弱时不能发生光电效应。

师:光太弱时，按波动理论，要达到使光电子飞出的能量，要有一个能量积累过程。事实上光电效应几乎瞬时发生说明一旦发生光电效应，几乎不需要能量的积累过程。(板书: 3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生)

师: 光电效应的第4条规律能用波动理论解释吗?

生:(集体)能。

师:从刚才的分析中，我们知道，光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说。下面大家看课本:光子学说怎么回事。

评:这部分内容主要从波动理论的主要观点出发，引导学生认识到波动理论的缺陷，为后面引入光子学说做铺垫。)

师:光子说与波动理论的主要区别是什么?

生:光子说认为能量是一份一份的，与频率有关，而波动 说认为能量是连续的，与频率无关。

三、结束语:

师:对。光子说的这两点实际上是针对波动理论的两大要害提出的。爱因斯坦当时在实验事实还不是很充分的时候，提出了光子说，是对科学的重大贡献。这也说明理论与新的实验事实不符时，要根据事实建立新的理论，因为实践是检验真理的唯一标准。至于光子说是怎样解释光电效应的，我们下节课继续研究。

本课特色:

发挥教师的主导作用，以演示实验为基础，逐步引导学生通过对演示现象的观察，得出光电效应的规律。通过对经典波动理论无法解释光电效应的分析，培养学生运用已知知识分析新的事验事实的能力，让学生进一步体会到实践是检验真理的唯一 标准。

课后小结:

本课充分体现了教师的引导作用，师、生配合较好，演示实验很成功，全课条理清楚，层次分明，重点突出。