LED光伏手电筒设计.doc

题 目： LED光伏手电筒设计 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2006.02 学 号： 指导教师： 2010年 6 月 18 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 国内外现状21.4 课题研究内容与研究目标41.4.1 研究内容41.4.2 研究目标42 光源与电源的选择设计52.1 LED光源的选择52.1.1 LED发光机理52.1.2 LED发光特性52.1.3 LED的优点62.2 电池的选择72.2.1 电池的比较72.2.2 锂电池工作原理82.2.3 锂电池的特点83 LED光伏手电筒的设计103.1 光源控制103.1.1 设计概述103.1.2 NE555器件的介绍103.1.3 脉冲发生电路的电阻选择123.1.4 设计电路图133.1.5 工作原理及实现的功能133.2 锂电池的充电143.2.1 设计概述143.2.2 MAX1811芯片的介绍143.2.3 设计电路图163.2.4 市电充电工作原理163.2.5 太阳能电池板充电173.3 锂电池的保护183.3.1 设计概述183.3.2 设计电路图193.3.3 作原理及实现的功能193.4 锂电池的保存213.5 大功率LED手电筒选取244 实验结果与总结254.1 实验结果分析254.2 总结与展望26参考文献27致 谢28附 录29附录一29附录二30 LED光伏手电筒设计摘 要本文的主要内容是太阳能发电的基本常识及太阳能电池的分类、太阳能电池原理及特点、太阳能电池的产业状况；LED光源研究、LED照明技术与发展、特性、LED光源发光原理及LED光源的优点；锂电池的发展史及应用、锂电池的原理、优缺点以及锂电池的保存常识等。将太阳能充电电池板与LED光源、锂电池结合组成LED光伏手电筒。LED光伏手电筒结合了LED光源的高效，太阳能电池板的节能和锂电池的轻便等特点，具有结构简单、使用方便、成本低、工作可靠、节能环保等优点，与传统的手电筒相比，具有革命性的重大意义。关键词：LED光源；太阳能；锂电池；节能环保 Design of The LED Ptovoltaic Electric Hand TorchAbstractThe main contents of this paper is based on the knowledge of solar power and the classification ,principle and characteristics of solar cells, conditions of the solar cells industry and LED light source, technology and development of LED lighting, characteristics, LED light source principle , the advantages of LED light source, the development and application of lithium batteries ,principles of lithium batteries, advantages and disadvantages, the preservation of knowledge such as lithium. LED Ptovoltaic electric hand torch consist solar panels with LED light source rechargeable batteries and lithium batteries together. LED Solar Flashlight combined LED light sources high efficiency, energy saving solar panels and portable lithium battery characteristicss simple structure, which has a advantage of easying to use, low cost, reliableness, energy saving and environmental protection advantages, which has a revolutionary significance compared with the traditional torch. Key words: LED light source; Solar; Lithium battery; Energy savingII1 绪论1.1 研究背景随着生产的发展和社会的进步，电力行业在人类的生产、生活、科研等领域起到越来越重要的作用。现有的电力资源不能完全满足人类日益增长的生产、生活需要；而且地球留给人类的资源也是有限的；恐怖分子、自然灾害、人类所需较高的生存环境也给电力系统带来挑战。所以，节能、环保、防灾是摆在电力行业面前最主要的、永恒的话题。而照明耗电在各个国家的总发电量中占有很大比例。我国照明消耗约占整个电力消耗的20。据统计，我国每年仅照明用电就有2000亿至3000亿度，如果全部用LED光源代替，每年至少可节电1600亿度。为此，照明节电具有重要意义。1998年1月1日我国颁布了节能法，其中包括照明节电，因此，“绿色照明工程”应运而生。它具有巨大的经济、政治和社会效益，同时又含有丰富的学术研究价值和基础理论问题。太阳能与LED结合是人类照明的发展方向，它为人类“绿色照明工程”开辟了广阔的道路，所以，LED光伏照明系统的研究具有重要的现实意义1。一、利用太阳能的必要性人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在地下的石化能源，按照目前的开发力度，几十年或许一百多年后，地球所储存的这些能源就将枯竭。因此，节约能源和开发可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中，水能已经得到广泛的利用，但水能资源终究是有限的；相反太阳能和风能则是取之不尽、用之不竭的。所以太阳能的利用在能源比较缺乏的今天显得格外重要。二、利用太阳能的可能性太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致温室效应和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。所以，人类完全有可能在各个领域都能利用太阳能。1.2 研究意义节约能源是每个人的责任和义务。人类的生存离不开能源，然而地球所储存的能源并不是无限的，我们不能只考虑当代的需求，更要为子孙后代考虑。增强全社会的资源忧患意识和节约意识，提倡合理用能、节约用能，这就是可持续发展的能源消费观。利用太阳能是集开发利用绿色可再生能源、改善生态环境、改善人民生活条件于一体而面向21世纪人类发展的重大课题；同时又是集光电子半导体、电力电子、现代电力系统、电机学、电化学和LED研究等高新技术于一体的交叉科研课题。太阳能与LED结合是人类照明的发展方向，它为人类绿色照明工程开辟了广阔的道路，所以，LED和太阳能的结合研究具有重要的现实意义。笔者正是基于这样的想法，设计了LED光伏手电筒，为发展节能环保的大趋势贡献自己的一点力量2。1.3 国内外现状人类利用太阳能早已经开始，人类利用LED作为光源也早已实现，但将太阳能与LED相结合用于照明的课题还刚刚开始，并且前景非常广阔；特别是光伏充发电系统中，太阳能充电器、LED的驱动器、太阳能并网等还有很多需要业界改进的地方。上个世纪的70年代，由于两次石油危机的影响，光伏发电（光伏电池）在发达国家受到高度重视，发展较快。在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是西部开发战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。我国西部日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。固态照明将成为最有效的节能和环保手段；通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式，固态照明改善和提高人类的生活质量，将引导人们走向更加光明的未来。在专家们眼里，LED照明带来了第三次照明领域的革命，并且其意义绝不亚于前两次照明领域的革命。历史进入了二十一世纪，环境污染和能源短缺愈来愈制约着人类的发展，大力发展可再生能源已成为二十一世纪世界经济发展中最具决定性的五项技术之一。充分开发太阳能是世界各国政府可持续发展战略决策。太阳能光伏系统包括光伏照明系统、光伏水泵系统、光伏扬水和照明综合系统和光伏并网系统等。其中光伏照明系统被认为是人类最理想的照明供电解决方案。光伏照明系统主要应用于无电地区城镇道路照明，尤其适用于日照强度高、太阳能资源丰富、无电网或远离电网及环保节能地区的路灯工程照明。能有效利用自然能源，通过安全的清洁发电来照明的系统，是供电困难环境下最佳照明系统。整个过程自动控制，无需人为操作。传统的光伏照明系统由太阳电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器和传统光源灯具等几部分组成，如图1-1所示。太阳光照到太阳电池板，电池板产生电流，当光照度达到一定值时，启动充电控制电路，向蓄电池进行充电，当光照度减到一定值时，启动放电控制电路，经逆变器电路，向传统光源灯具供电。但一直以来，传统的光伏照明系统普遍存在交流逆变不可靠、低温启动难、灯管寿命短、功耗高以及系统造价高等缺点。因此，寻求一种性能可靠、可直流驱动的新光源来替代传统光源成为光伏照明系统有待解决的一个重要问题。早在20世纪60年代，人类就已经掌握了一种新型半导体光源LED的发光原理，并开始大量用于各种仪器仪表的指示光源。随着20世纪90年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近10年来LED技术取得了突飞猛进的发展。LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源和低功耗可直流驱动等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏和景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，如家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯和交通信号灯等。正是基于上述优点，使得LED逐渐取代传统光源应用于光伏照明系统，彻底地解决了传统的光伏照明系统存在的交流逆变不可靠、低温启动难和灯管寿命短等缺点。图1-2为LED光伏照明系统结构图，相比于传统的光伏照明系统少了一个复杂而性能又未必可靠的逆变器环节。图1-1传统的光伏照明系统图图1-2 LED光伏照明系统结构图LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要问题。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。与此同时，由于太阳能技术在过去10年来的大幅度提高，太阳能作为低功直流电源已实现了实用化，成本大幅度降低。LED技术和太阳能技术可以说相得益彰，二者的结合可以在很大程度上摆脱对传统电源的依赖和人工维护等方面带来的成本。使用太阳能LED灯具有极高的社会效益和经济效益，以免维护、节省能源和利于环保，同时具有高度的可靠性3。1.4 课题研究内容与研究目标1.4.1 研究内容研究内容为太阳能发电的基本常识及太阳能电池的分类、太阳能电池的特点、LED的发光机理及其特性、LED的优点、LED的驱动电路；再将太阳能与LED结合组成LED光伏照明系统。本方案中LED光伏照明系统中的电源采用双电源手动切换，太阳能和市电，防止太阳能不足时而停电，当太阳能充足时，其电源手动切换至太阳能。本文重点介绍该系统的锂电池的功能、特性、自放电、使用寿命、主要参数；太阳能充电控制器的设计；NE555的基本工作原理、管脚排列、引脚功能、主要参数。1.4.2 研究目标（1）控制电路部分。控制效果良好，光源可分为三个档位，即强光、弱光、闪光。（2）锂电池充电部分。市电充电和太阳能充电良好，并且充电档位分为快慢两档。（3）锂电池的保护部分。实现对锂电池的过充、过放、过流、短路等保护。2 光源与电源的选择设计2.1 LED光源的选择2.1.1 LED发光机理用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光源和以荧灯为代表的气体放电光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光又称为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象。半导体发光二极管发光原理：发光二极管是由族化合物，如GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结，因此它具有一般P-N结的I-U特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。2.1.2 LED发光特性此外在一定的条件下，它还具有发光特性。注入的少数载流子与多数载流子复合时把会多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。P-N结加反向电压，少数载流难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极对，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。1960年开发成功发光二极管，在90年代采用气相生长法替代传统而烦杂的液相法，制成多层薄膜的LED简易结构，先后研制成功从红色到橙色的AlInGaP和蓝色系列的InGaN发光材料，在GaN系列的基础上又研制成功蓝色(470nm)、蓝绿色(550nm)和绿色(525nm)的LED。发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管；另外还有多色、变色发光二极管等4。2.1.3 LED的优点（1）功能性1）发光效率不断提高2）光线质量高（2）艺术性1）光色纯：LED是分立的光谱，谱线狭窄，色彩丰富，鲜艳，可以有多样化的色调选择和配光。2）光束集中：LED发光大部分集中会聚于中心，发散角小，发射光角在100，发光均匀性好，可以减少眩光，减化灯具结构，节省遮光设备。3）小型化：LED是用环氧树脂封装固态光源，其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，因此能经得起震动、冲击而不至损坏，而且体积也相对减小，重量也轻，应用灵活，可在狭小空间投光，利于隐藏，美化建筑环境。4）响应快：LED灯响应时间短，可瞬间启动，反复开关，可灵活控制，加上时序控制电路可实现多种动、闪、跳的灯光变幻。LED发光的响应时间为纳秒级，荧光灯一般为毫秒级。（3）绿色环保1）低功耗、节能省电:一般LED灯使用低电压、低电流驱动，功率为0.06-1W，功率因数接近于1，不仅LED灯本身省电，与之配合的供电电源的耗电量也大大降低，用量大的可以通过多种方式组合或集成，以满足不同需要，减少浪费。2）绿色环保，现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害。而LED不含汞、铅等有毒成份，没有玻璃，废弃物可回收，减少了对环境的污染，是一种无污染的光源。相比之下，荧光灯具的灯管中含汞，而且用于封装荧光灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主，玻璃易碎的特性加上汞废料的不易回收，均会严重地造成环境的污染。欧盟已经明令将在2007年开始禁用这些含汞制品。（4）经济性1）寿命长：目前彩色LED的寿命可达510万小时，低功率白光LED的寿命超过3万小时，高功率白光LED的寿命都在2万小时以上，由于寿命长，经久耐用，减少了维护维修费用，降低了成本。相比之下，白炽灯的寿命只有10002000小时，荧光灯可达18000小时。2）光线利用率高：LED色彩丰富，艳丽，需要彩色光线时使用时无须滤光片，光线利用率100%。相比之下，加装滤光片后，其它光源只有少于40%的光线可利用。3）安全可靠：由于LED灯的正向工作电压低，为1.53.0V，工作电流小，为5150mA，耗电量低、寿命长、不易破碎、使用的安全性、可靠性大大提高，可用于易燃、易爆、水下、高塔、桥梁等不易到达的地方。（5）LED光源与其他光源的比较表2-1光源比较白炽灯荧光灯高压汞灯高压钠灯金卤灯LED无极荧光灯额定功率（W）15-10006-12550-100035-100035-35001000次 循环寿命 (100%DOD)200次 其中DOD是放电深度的英文缩写。从表中可见，可充电次数和放电深度有关，10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然如果折合到实际充电的相对总容量：10%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放电还是要比较好一些，在正常情况下，你应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电，但假如你的电池在你预计第2天不可能坚持整个白天的时候，就应该及时开始充电，当然你如果愿意背着充电器到办公室又当别论。 而你需要充电以应付预计即将到来的会导致通讯繁忙的重要事件的时候，即使在电池尚有很多余电时，那么你也只管提前充电，因为你并没有真正损失1次充电循环寿命，也就是0.x次而已，而且往往这个x会很小。 电池剩余电量用完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传甚广的一个说法，就是尽量把机器的电池的电量用完，最好用到自动关机。这种做法其实只是镍电池上的做法，目的是避免记忆效应发生，不幸的是它也在锂电池上流传之今。曾经有人因为机器电池电量过低的警告出现后，仍然不充电继续使用一直用到自动关机的例子。结果这个例子中的机器在后来的充电及开机中均无反应，不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低，以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。 （3）对锂电池的正确做法 1）按照标准的时间和程序充电，即使是前三次也要如此进行； 2）当出现机器电量过低提示时，应该尽量及时开始充电；3）锂电池的激活并不需要特别的方法，在机器正常使用中锂电池会自然激活。如果你执意要用流传的前三次12小时长充电激活方法，实际上也不会有效果。 因此，所有追求12小时超长充电和把锂电池用到自动关机的做法，都是错误的。如果你以前是按照错误的说法做的，请你及时改正，也许为时还不晚。（4）使用锂电池注意防火有许多人或许是从手机才开始熟悉锂电池的。其实，它在许多家电中都有使用。毋庸置疑，锂电池高效、体轻等等优点正使其迅速地推广应用开来。可是，你是否知道，使用不慎，它也会使你惹火上身。锂电池具有体轻、高效、耐低温（40）等优点，0.3mm厚、邮票大小的锂电池可连续使用5年以上，近年来正逐步淘汰现用的碱性干电池和锰电池，广泛应用于许多高档家电和手机中。锂电池不同于现用的锰电池和碱性干电池的氯化锌和氢氧化钾水溶电解液，它使用的是有机溶媒，同一般电池相比，离子化倾向强、正负极电压差大，这样提高了锂电池的工作效能。 但是，锂电池在使用过程中常常会出现发热、燃烧现象，轻者影响主机使用，重者还会烧毁主机引起火灾。据报道，日本近年来已发生多起因锂