高光效大功率感应耦合等离子光源(省级、校级)
作者:管理员       发布时间:2010-9-1 9:09:34

 

河海大学大学生创新训练计划项目申请表

项目名称
高光效大功率感应耦合等离子光源
项目编号①
 
项目所属
一级专业门类
工程材料学
项目所属
二级专业类
功率电子学
项目实施时间②
起始时间: 2010 年 5 月   完成时间: 2012 年 5 月
申请人或申请团队③
 
姓名
年级
学校
所在院系、专业
联系电话
E-mail
主持人
罗正亮
2007级
河海大学
机电工程学院机械工程及自动化
18961447806
lzlbreeze@yeah.net
邵晴怡
2008级
河海大学
计算机信息学院通信工程
15151973757
524285728@qq.com
 员
孙晓宇
2008级
河海大学
计算机信息学院电子信息工程
15151975016
372671701@qq.com
王珊
2008级
河海大学
计算机信息学院电子科学与技术
13861173178
Shan8545783@163.com
马济通
2009级
河海大学
计算机信息学院电子信息工程
18961447801
majitong123@qq.com
赵恺
2009级
河海大学
计算机信息学院电子信息工程
15961265133
407391013@qq.com
指导教师
姓名
陈秉岩
年龄
32
单位
河海大学物理实验中心
行政职务/专业技术职务
实验师
指导教师
姓名
朱昌平
年龄
55
单位
河海大学物理实验中心
行政职务/专业技术职务
副院长、教授
一、课题论证
        1、本课题国内外研究现状述评及研究意义
绿色照明和发展低碳经济已经成为国际上最热门的话题,目前世界照明用电量占总用电量的19%,2008年我国的照明用电量占全国用电总量的12%,高达4100亿度。在理论上,超过50%的照明用电可以通过先进的照明发光原理、方法和技术被节省下来,这相当于整个欧洲半年的用电量1300TWh,约合3000亿欧元的能量消耗[1-4]。按照一吨标准煤可发电3000kWh,产生2.62吨CO2计算[5-6],则可减少排放吨CO2
        感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma:ICP)光源是最近几年新兴的光源技术,是一种将感应耦合等离子体、电子节电技术、电光源技术融为一体的高科技新型的光源,它不用灯丝(俗称“无极灯”),采用电磁场能量来激励气体电离、放电和发光。ICP光源由激励电源、功率耦合器和灯泡三部分组成[7-14]。基本工作原理是将电能通过高频变压器耦合到封闭玻璃管内,间接作用在由汞和其它惰性气体构成的混合气体上,使汞原子在高频交变电磁场的作用下产生电离以及汞原子的电子能级跃迁(激发)产生253.7nm紫外光,并作用于内壁荧光粉而发出可见光。ICP光源的理论光效率可达到300lm/W。但是,由于电子镇流器的开关损耗、电感(或变压器)的损耗、玻璃管对可见光的衰减等因素,光效通常只有60~80lm/W。
        目前市场上的照明光源主要有白炽灯、日光灯、冷阴极灯(Cold Cathode Fluorescent Lamps:CCFL)、LED、金属卤素灯(高压钠灯和低压钠灯)、HID(High Intensity Discharge 高压气体放电灯,俗称“氙气灯”)和ICP光源。综合资料[1-4,15-16]可得ICP光源在理论寿命、发光效率、显色指数、启动特性、抗震特性和成本等综合性能上具有显著的优势,且由于LED照明在大功率应用场合存在封装、散热、光衰和高成本等不能有效解决的问题,使得ICP光源在高能效、长寿命、低成本的大功率光源应用领域的发展带来契机,成为是最具潜力和发展前景的大功率光源产品之一。同时ICP光源技术在紫外杀菌[8-9]、等离子微量元素检测[8-9,17-21]、化学转化[8-9,17-21]和污水处理[8,22-23]等领域均有广泛的应用。如何有效结合电力电子、等离子物理和电子技术等学科,进一步提高ICP光源的发光效率具有较为普遍的意义和实际应用价值。
       2、本课题研究的主要内容、基本思路、研究方法、重点难点、基本观点和创新之处
       本课题主要从电磁学、等离子物理和电力电子学交叉学科入手,分析高光效大功率ICP光源灯体和电磁驱动的原理、结构、参数等对等离子气体发光效率的影响关系,探索应用于高光效大功率ICP光源的低能量损耗大功率的电磁耦合驱动技术,预期研制出功率可达200W以上、发光效率可达80~95lm/W,功率因素可达到0.98以上。
创新点:(1)采用CI、T和E形等特有的无电极感应耦合等离子发光和散热结构,保证了高光效大功率感应耦合等离子光源灯管六万小时以上的长寿命;(2)采用最高工作温度可达240℃的高频磁性残料作为感应耦合装置的重要部件,通过材料的选取和制造工艺的改进,可适应高温环境;(3)采用可自动回收汞蒸气的环保固态汞齐技术,灯管破坏时无汞污染;(4)综合采用电磁学、感应耦合等离子和电力电子等学科和技术,实现独特的高效率电磁驱动电路结构,有效提高能量耦合效率。
        3、前期相关研究成果:
         本课题来源于“校企联盟”合作单位(江苏省科技厅备案号:B050001)常州凯森光电技术有限公司委托给河海大学物理科技创新实验室的光电技术开发和人才培养需求,本课题在基本完成了校区学生科技基金项目(教师命题)“外耦合40W等离子体无极灯开发”的基础上进一步进申报,目的是研制应用更为广泛的大功率ICP光源。
参考文献:
[1]徐殿国.照明技术专辑——特邀主编评述[J].电力电子技术,2007,Vol.41(10):1
[2]徐殿国,张相军,刘晓胜等.照明电子技术的发展现状与未来[J].电力电子技术,2007,Vol.41(10):2-9
[3]陈文成.国际半导体照明前沿技术[R].常州市半导体照明论坛,2009.10
[4]袁峰.常州市半导体照明产业发展战略研究[R].常州市半导体照明产业发展座谈会,2009.7
[5]黄雷,张彩虹,秦琴.环境成本与林木生物质发电[J] .电力需求侧管理, 2007,Vol. 9(10):77-80
[6]国家电力监管委员会.电力市场建设文件选编[M] .北京中国电力出版社,2004.
[7]苏达,王德苗.大功率LED散热封装技术研究的新进展[J],电力电子技术,2007,Vol.41(10):13-15
[8]辛仁轩编著. 等离子体发射光谱分析[M],北京化学工业出版社,2005
[9]刘芳,黄海涛,黄绍松等.电晕放电等离子体杀菌的实验研究[J],工业安全与环保,2009,Vol.35(8):1-3
[10]Lim, Sung-Jo; Kim, Dae-Gwang; Kang, Dong-Joong.A method to detect multiple plane areas by using the Iterative Randomized Hough Transform(IRHT) and the plane detection[J].Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineer,v 57,n 11,p2086-2094,November 2008.
[11]Achara,P.;Viriya,P.; Matsuse, K.Analysis of a half-bridge inverter for a small-size induction cooker using phase-shift control under ZVS and NON-ZVS operation[J]. Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Drive Systems, p 157-163, 2007, 7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS 2007
[12]Lin, Bor-Ren;Tseng, Chao-Hsien.ZVS half-bridge SMPS design for LCD monitor and LCD-TV[J] International Journal of Electronics, v 96, n 2, p 189-204, February 2009
[13]Sanjaya Maniktala. Switching Power Supplies A to Z[M]. Elsevier(Singapore) Pte Ltd. 2008
[14]Keith Billings. Switching Power Supply Handbook(2 Edition)[M] .McGraw-Hill Companies, Inc. 1999
[15]郑有炓.把握机遇,加快发展半导体照明产业[R].常州市半导体照明论坛,2009.10
[16]唐国庆.国内外半导体照明产业技术特点和[19]张杨.电感耦合等离子体发射光谱法检测水、污水、废水底泥和土壤中微量元素[J],岩矿测试,2009,Vol.28(5):I0002-I0004
[17]谭雪英,张小毅.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定锰矿中15种主次成分[J],冶金分析,2009,Vol.29(10):36-29
[18]赵庆令,李清彩.电感耦合等离子体发射光谱法测定钼矿石中钴铬铜钼镍铅锡钨钇锌[J],岩矿测试,2009,Vol.28(5):488-490
[19]高孝礼,黄光明,张培新.电感耦合等离子体质谱法测定磷矿石中的碘[J],岩矿测试,2009,Vol.28(5):423-426
[20]时晓露,刘洪青,孙月婷.电感耦合等离子体质谱法测定岩石样品中的锆铌铪钽两种预处理方法的比较[J],岩矿测试,2009,Vol.28(5):427-430
[21]陈波,冯永明,刘洪青.空气滤膜采集大气浮尘样品中多元素的测定[J],岩矿测试,2009,Vol.28(5):435-438
[22]贺启环,叶招莲.超声波—紫外光氧化处理有机废水技术综述[J],兵工学报,2002, Vol.23(3):388-391
[23]朱昌平.“超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理与参数优化研究”自然科学基金(10974044)     
 二、项目方案(包括项目的训练目标、前期准备、组织实施、过程管理、实践环节、教师指导、项目结题等)
训练目标:对高光效大功率ICP光源进行研究,学习并实践课题所涉及的功率电子学、功率磁材学和等离子物理等交叉学科,同时设计高效电磁驱动模块,开发出功率为200W,光效为85lm/W的高光效大功率ICP光源。
前期准备:(1)知识上的准备:对项目所涉及到等离子物理、电子技术、电磁学、MCU技术、电力电子学和电磁兼容技术等知识进行学习;
(2)组织分工上准备:该项目分为文档资料准备和硬件设计两个部分。要求项目组的每个成员充分理解整个项目所涉及的理论和技术环节,在此基础上,项目组分为两组,以罗正亮为负责人的小组负责高光效大功率ICP光源相关实验电路的设计调试,以邵晴怡为负责人的小组负责收集、整理和书写各类文字资料。项目组人员保证每周集中2次互相交流,负责各个部分的成员讲解近期的工作,讨论所取得进展,使所有成员对项目进程有全面的了解。
组织实施过程安排及实践环节:
1)2010年5月-2010年10月所有成员完成项目所涉及到等离子物理、电磁学、电力电子学等知识的学习,完成部分的单元电路的设计以及参加江苏省物理设计大赛作品的制作;
2)2010年11月-2011年4月,结合所学知识并在老师的指导下试制高光效大功率ICP光源,分别完成各部分电路的设计,并进行实验等工作;
3)2011年5月-2011年10月,对高光效大功率ICP光源,进行光电参数、EMI和高温等特性测试,并优化参数,进一步完善。
4)2011年11月-2012年4月结合理论分析书写科技论文,并进行修改完善。同时着手书写设计报告,准备项目结题验收。
教师指导: 陈秉岩,男,1978年5月22日出生,苗族,云南普洱人,硕士,实验师。2002年6月毕业于华中师范大学物理科学与技术学院获物理学学士学位,2010年1月毕业于南京大学获硕士学位。主要研究方向为电力电子与电力传动、物理电子学和自动化仪器仪表技术。河海大学教师,中国电子学会、中国仪器仪表学会和中国物理学会会员;江苏省科技服务社会“校企联盟”物理电子学学科带头人(江苏省科技厅登记备案号:B050001),河海大学“高频电子电路精品课程”教学团队成员,常州市凯森光电有限公司、常州市良久机械制造有限公司等“校企联盟”合作单位的物理电子和电力电子技术顾问。于2004-2008年先后3次主持河海大学自制仪器设备项目(XZX/04A001-06,XZX/06A001-04,XZX/07A001-01);2006-2008年,主持常州市无线
电元件六厂和常州市良久机械制造有限公司委托河海大学的课题(A11/HA0117和A11/HA0172);
2009年,主持江苏省输配电装备重点实验室开放课题(CS0906)、河海大学中央高校基本科研业务经费项目和河海大学青年基金项目(XZX/09B001-04),河海大学教育教改课题(物理电子创新人才培养模式研究与探索09A004-21);先后参与朱昌平教授的国家自然科学基金(10574038,10974044)、江苏高校高新技术产业发展项目(JHB05-08)和常州市科技攻关(CE2005026)等项目。从2005年与校外多家企业合作开始,先后从事电机驱动与控制、感应耦合等离子光源、LED照明等电力电子、物理电子和自动化方面的交叉学科的研究和技术开发工作。申请专利6项(发明专利4项)、软件著作权2项,发表科研论文16篇(EI/ISTP检索2篇次,中信所检索8篇),参与完成教育部技术鉴定1项。获得河海大学教学成果奖4项(一等奖2项),2008年11月获高等学校自制教学仪器设备成果奖,2010年1月28日获中国电子学会电子信息科学技术三等奖(第四完成人);负责2007-2009年度江苏省物理及试验科技作品创新竞赛工作,指导多项大学生创新训练计划项目(国家级3项)。所指导的学生在省级及以上学科竞赛中累计获得24个奖项(其中一等奖8项),两次被评为优秀组织单位和优秀指导教师。
三、完成项目研究的条件和保障1申请人或团队情况,包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等;2.学校提供条件,包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等。)
1、申请人已完成校级大学生创新训练计划项目一项,在第六届江苏省科技实验作品竞赛中获得一等奖,自2008年进入物理科技创新实验室以来,主要学习电力电子相关知识,知识储备和硬件设计均有提高。团队成员也已在指导老师的带领下了解相关知识,均为相关专业学生
2、该课题来源于“校企联盟”合作单位常州凯森光电技术有限公司委托给河海大学物理科技创
新实验室的光电技术开发和人才培养需求,项目在基本完成了校区学生科技基金项目(教师命题)“外耦合40W等离子体无极灯开发”的基础上进一步申报。项目在研究过程中可以充分利用常州凯森光电技术公司的高温测试设备、光电测试设备和实验室进行相关参数的检测。
3、项目所在实验室经过进几年的发展,在学校和企业的帮助下,已经添置了数字示波器、防静电焊台、电参数测试仪、LCR数字电桥等必备设备。
4、节能减排、发展低碳经济是目前世界经济发展的主流,国家大力提倡培养创新型人才,本课题的研究对节能减排具有积极的作用。课题有利于学生了解新技术的发展趋势和前景,掌握相关技能,开拓思路,提高创新能力。
四、预期成果
1.制作感应耦合等离子光源系统一个(主要技术指标为:功率P≥200W;功率因数PF≥0.98;光源光效≥85lm/W;使用5600K荧光粉的显色指数Ra≥90;输入电压AC220±20﹪V;符合CISPR(国际无线电干扰委员会)的B类EMI传导干扰要求;工作环境温度-40~+50℃);
2.公开发表科研论文1-2篇;
3.参加省级及以上学科竞赛获奖1项。
五、经费预算
资料收集费:1200元(购买图书资料费用)
实验材料费:8000元(电子元件4000,印刷电路板2000,测试费2000)
 旅 费:1000元(外出购买元器件,测试,参加各类比赛费用)
加工制作费:6000元(ICP灯管加工3000,电磁耦合装置加工3000)
上机上网费:600元(网络流量费)
 面 费:2000元(科研论文版面费)
文具用品费:1200元(硒鼓纸张,打印费用)
      计:20,000元
六、导师推荐意见
        感应耦合等离子光源是最近这两年发展起来的第四代光源技术,具有光效率高、寿命长、成本低、应用广泛等特点,特别适合于大功率应用场合。目前,在如何进一步提高发光效率、提高工作可靠性、降低EMI、拓展应用空间等方面还存在诸多需要深入研究的问题。课题来源于“校企联盟”合作单位凯森光电技术有限公司,该课题要求学生在导师的指导下独立完成,对培养物理电子学、电力电子、光电子等交叉学科技术人才有积极作用。
同意立项
 
 
                                                 签名:
                                                        
七、申报单位推荐意见
 
 
 
 
 
 
 
 
 
单位负责人签名:         学院盖章:
                                                         
八、教务部意见:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                            负责人签名:        教务部公章
                      

注:①“项目编号”一栏由教务部统一填写;
②“项目实施时间”一栏原则上为一年;
③“申请人或申请团队”一栏表格人数不得增加。

 

附件1:    高光效大功率感应耦合等离子光源.doc    点击浏览文件