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基于CPV技术的LED路灯照明系统的研究

作　者: 解莎莎
导　师: 王志斌
学　校: 燕山大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: CPV技术菲涅尔聚光器菲涅耳透镜二次配光设计 TracePro仿真
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

绿色能源和可持续发展是21世纪人类面临的重大课题，以绿色、环保、节能减排为主题的低碳经济已成为今后科技发展的主题。太阳能，一种清洁无污染的可再生能源，已经在全球范围内迅速发展了起来；LED作为新一代绿色光源也已开始被广泛应用于多种照明场合。结合了新型能源和照明光源技术的太阳能LED路灯必将迎来一个巨大的发展空间，引领我们进入绿色节能的新时代。随着新型节能LED灯具的出现，太阳能LED路灯因良好的节能效果受到了广泛的关注，并越来越多地应用于主干道路的照明。因此，对太阳能LED路灯照明系统的效率及光照均匀性的要求也在不断提高。本文主要从提高太阳能电池光电转换效率和LED路灯光照均匀性两方面出发，研究了太阳能LED路灯的照明系统，分别设计了太阳能电池聚光器和LED路灯透镜。根据设计要求，提出两个光学设计方案，完成在Pro/E中的实体建模；并通过光学仿真软件TracePro对聚光器和透镜进行光学仿真，在道路照明仿真软件Dialux中验证了18盏LED路灯在路面上的照度分布，验证方案的可行性。本文以120W大功率LED路灯太阳能电池板为研究对象，利用菲涅尔透镜聚焦作用增大太阳光照密度，通过折射让太阳光尽可能多地照射到太阳能电池板上，来提高太阳能电池的光电转换效率，有效地减少太阳能电池的光照面积，大幅降低了太阳能电池板的使用成本，从而提高了能源利用率和降低了整个系统的成本。在LED路灯照明系统中，LED光源发出光的角度大且极不均匀，通过二次光学设计可以很好的解决这个问题，得到较均匀的照射路面。本文提出一种非轴对称的自由曲面的LED路灯透镜设计，使用该透镜可实现在单个透镜模组上的高效率、长方形光斑和蝙蝠翼形的远场角度分布，即可实现LED路灯在道路上形成较为理想的矩形光斑，避免了光损和浪费。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 太阳能 LED 路灯系统简介  10-11
  1.2 太阳能 LED 照明系统概述  11-14
    1.2.1 CPV 技术概述  11-12
    1.2.2 LED 照明及光伏发电  12-14
  1.3 本文研究目的及意义  14-15
  1.4 本文国内外研究现状  15-17
    1.4.1 国际 CPV 技术研究现状  15-16
    1.4.2 国内 CPV 技术现状  16-17
  1.5 本文研究内容及结构安排  17-18
第2章太阳能 LED 照明系统的理论基础  18-30
  2.1 引言  18
  2.2 聚光光伏理论基础  18-21
    2.2.1 聚光器基本类型  18-19
    2.2.2 CPV 聚光基本原理  19-20
    2.2.3 太阳能 LED 路灯工作原理  20-21
  2.3 LED 基本结构、发光机理及光学特性  21-26
    2.3.1 LED 芯片基本结构  21-22
    2.3.2 LED 发光机理  22-24
    2.3.3 LED 光学特性  24-25
    2.3.4 LED 照明应用  25-26
  2.4 LED 二次光学设计  26-29
    2.4.1 二次光学设计简介  26-28
    2.4.2 TracePro 软件介绍  28
    2.4.3 Dialux 软件介绍  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章太阳能 LED 路灯 CPV 聚光器的设计  30-44
  3.1 引言  30
  3.2 太阳高度角和方位角计算  30-32
  3.3 太阳能电池能量计算  32
  3.4 菲涅耳聚光器的设计  32-39
    3.4.1 菲涅耳聚光器原理  32-33
    3.4.2 菲涅耳透镜光路计算  33-35
    3.4.3 工作侧面角计算  35-36
    3.4.4 最大光线偏角计算  36-37
    3.4.5 菲涅耳透镜实体建模  37-39
  3.5 仿真分析  39-43
    3.5.1 菲涅耳透镜在 TracePro 中的仿真  40-41
    3.5.2 仿真结果分析  41-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章 LED 透镜二次光学设计  44-58
  4.1 引言  44
  4.2 照明系统光强设计要求  44-46
    4.2.1 单颗 LED 光强空间分布  44-46
    4.2.2 路灯整体光强要求  46
  4.3 LED 路灯光学设计  46-52
    4.3.1 边缘光线的扩展守恒原理  47-49
    4.3.2 透镜配光原理  49-50
    4.3.3 透镜控制网络  50-51
    4.3.4 二次光学透镜实体建模  51-52
  4.4 二次光学透镜的仿真分析  52-57
    4.4.1 二次光学透镜在 TracePro 中的仿真  52-53
    4.4.2 仿真结果与分析  53-54
    4.4.3 LED 路灯的整灯模拟  54-56
    4.4.4 18 盏 LED 路灯在 Dialux 中的道路仿真分析  56-57
  4.5 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-64
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  64-65
致谢  65-66
作者简介  66

基于CPV技术的LED路灯照明系统的研究

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