LED光源在礦山照明中的應(yīng)用探討

礦山照明光源是礦山機(jī)械行業(yè)中的重要組成部分，老式的礦燈如白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈等，不但耗電量大，而且燈泡壽命短，發(fā)光面積小，光照不均勻。尤其是老式礦燈多為熱光源，使用不當(dāng)會(huì)引起礦井瓦斯爆炸，嚴(yán)重危害礦山安全生產(chǎn)。一種節(jié)能、環(huán)保、無害、長壽命、低熱、抗震、色純度高的第4代新型光源半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,LED）光源應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)在正逐步廣泛應(yīng)用于生活中，如景觀燈、交通燈、汽車燈等，在礦山照明中也將有廣泛的應(yīng)用前景。

　　1.1、LED光源發(fā)光機(jī)理

　　發(fā)光二極管（LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如砷化鎵、磷化鎵和磷砷化鎵等

　　半導(dǎo)體制成，其核心是PN結(jié)。它具有一般PN結(jié)的特性：正向?qū)?，反向截止、擊穿，此外，在一定條件下，它具有發(fā)光特性。PN結(jié)處于平衡時(shí)，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶見圖1.

圖1、LED發(fā)光原理

當(dāng)在PN結(jié)的兩端加正偏壓時(shí)，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，大量非平衡載流子從擴(kuò)散N區(qū)注入到P區(qū)，并與P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散的空穴不斷地產(chǎn)生復(fù)合。復(fù)合的過程是電子從高能級跌落到低能級的過程，以光輻射的形式釋放能量而發(fā)光。由于空穴的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散速度，發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)[1].

　　1.2、LED光源優(yōu)點(diǎn)分析

　　LED燈與老式礦燈比較，具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：

　?。?）高節(jié)能 LED光源屬于一次光源，在發(fā)光的過程中，電能直接變?yōu)榱斯饽埽琇ED燈作為新光源，在與普通白熾燈（二次光源）保持同樣亮度情況下，其耗電量僅為普通白熾燈的1/10,因此能耗小。

　?。?）壽命長、響應(yīng)快 LED光源被稱為長壽燈，使用壽命可達(dá)5~10萬h,比老式光源壽命長10倍以上。LED發(fā)光的響應(yīng)很快，它的響應(yīng)時(shí)間為納秒級，熒光燈為0.1ms,日光燈一般為毫秒級。

　　（3）環(huán)保 LED光源光譜中沒有紫外線，紅外線，熱量低和無頻閃，屬冷光源，可以安全觸摸，不含鉛、汞元素，是一種無污染的光源。

　?。?）發(fā)光效率、發(fā)光亮度高 白熾燈、鹵鎢燈光效為12~24lm/W,熒光燈為50~70lm/W,鈉燈為90~140lm/W,大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達(dá)到達(dá)150~200lm/W,而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。

　?。?）安全照明 LED供電能夠采用24V的低壓線路，驅(qū)動(dòng)簡便，這為礦井提供了一個(gè)安全、穩(wěn)定的供電環(huán)境。由于LED光源抗震性、密封性好，以及熱輻射低，體積小，便于攜帶，可廣泛應(yīng)用于防爆、野外作業(yè)、礦山、軍事行動(dòng)等特殊工作場所或惡劣工作環(huán)境之中，如礦燈、防爆燈、應(yīng)急燈、安全指標(biāo)燈。

　　2、LED光源在礦山照明中的應(yīng)用

　　目前礦山照明主要分為工廠地面照明和礦山井下照明。工廠地面照明與日常生活中的照明光源相同。礦山井下照明可分為巷道照明、工作迎頭面照明及其它工作點(diǎn)照明等。LED光源的選用要根據(jù)不同環(huán)境和使用要求來選擇[2,3].

　　2.1、巷道照明

　　礦山巷道照明主要是為運(yùn)輸或人行通道提供照明。目前國內(nèi)外廣泛使用的巷道防爆燈具大多采用普通直管熒光燈管為光源，具有電能消耗大、燈泡壽命短及維修困難等缺點(diǎn)，而且如供電距離較遠(yuǎn)，電壓損失尤為明顯。采用LED光源不僅能耗低、節(jié)約能源，而且壽命很長，可以有效減少巷道燈具的維修?，F(xiàn)在我國礦山已經(jīng)開始推廣應(yīng)用LED光源的巷道防爆燈具，雖然初始階段還存在一定問題，但隨著LED光源技術(shù)的進(jìn)步，其在巷道照明中的應(yīng)用將越來越廣。

　　2.2、工作迎頭面照明

　　現(xiàn)在采礦工作迎頭面照明常采用的光源是小功率雙管芯高壓鈉燈，雖然其壽命較長，但其光色性不是很好，使得整個(gè)工作面比較昏暗，容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。近年來，隨著大功率LED照明光源的迅速發(fā)展，其正逐步應(yīng)用于采礦工作面照明。大功率LED路燈有別與常規(guī)高壓鈉燈光源，它采用低壓直流供電，由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快及顯色指數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著LED光源的技術(shù)進(jìn)步，不久大功率LED光源在工作迎頭面中照明將得到普遍應(yīng)用。

　　2.3、在礦燈中的應(yīng)用

　　老式礦燈多為白熾燈，其電能消耗大、燈泡壽命短，礦井下拆換燈泡極易引起瓦斯事故。LED光源照明技術(shù)用在礦燈上，優(yōu)勢明顯，既得到了與老式礦燈相同的照度，而且消耗電量不足白熾燈的1/3,有打不爛、不漏氣、不漏電的特性，而且壽命長。因此，LED礦燈現(xiàn)正在廣泛推廣使用，逐步取代老式的礦燈。

　　此外，由于LED光源具有抗震性和抗沖擊性，隔爆型LED光源燈具也在掘進(jìn)機(jī)等機(jī)車上得到了應(yīng)用，并取得了很好的效果，正逐步替代非LED光源的防爆機(jī)車燈具。隨著LED光源技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在礦山照明中的應(yīng)用前景將更加廣泛。

　　3、改善LED光源輸出功率的方法

　　發(fā)光效率是照明光源最重要的參數(shù)，LED的發(fā)光效率為發(fā)射光通量與輸入的電能之比（單位為lm/W）。要提高LED的發(fā)光效率，可以提高發(fā)射的光通量，即LED輸出功率。而對于單個(gè)LED而言，輸出功率很小，常采用LED點(diǎn)陣或者環(huán)狀排列的方法取得大的功率輸出，這樣又造成體積過大、散熱困難等缺點(diǎn)。為取得輸出功率和LED數(shù)量之間取最優(yōu)化的分配方案[4],可采取以下措施。

　　3.1、提高散熱效率

　　LED光源是冷光源，單個(gè)的LED發(fā)熱很小，但對于LED點(diǎn)陣，由于LED數(shù)量多，排列密集，發(fā)熱量不可忽視，如果沒有良好的散熱控制，LED將不能正常工作，輸出功率將大大降低。提高散熱效率的方法有選用高熱導(dǎo)率材料、提高散熱面積及改進(jìn)散熱方式等[5].

　　3.2、增加反光（傘）罩

　　LED發(fā)光角度很小，方向性強(qiáng)，但發(fā)散角較大，如面發(fā)光LED,水平垂直發(fā)散角均為120°。采用增加反光（傘）罩的方法，盡可能地收集LED的后向、邊緣等雜散光，減小光的損失，使輸出功率得到最大限度的利用。

　　3.3、LED準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　LED陣列是一個(gè)發(fā)散的光源，為了減少光的損失，除增加反光（傘）罩外，可以利用一種新型照明系統(tǒng)LED準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2、LED陣列準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)采用非成像光學(xué)方法，使LED陣列的光通量得到有效的匯聚，把光通量轉(zhuǎn)換成一個(gè)高亮度匯聚光束，從而得到較小的發(fā)散面積，增加LED輸出功率。

　　4、LED光源與太陽能

　　LED是第4代新型太陽能照明光源，太陽能是一種不可枯竭、絕對干凈、不受資源分布地域限制且可在用電處就近發(fā)電、能源質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)的新能源。太陽能LED光源是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合，其完美結(jié)合的關(guān)鍵在于兩者同為直流電，LED光源照明的工作電壓非常低，容易與太陽能電池匹配。兩者的結(jié)合不需要變頻器將太陽能（PV）電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，因此大大提高了整個(gè)照明系統(tǒng)的效率，同時(shí)借助于并網(wǎng)技術(shù)或可充放蓄電池。其工作過程是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再用LED照明裝置將電能轉(zhuǎn)換為光能[1].

　　以太陽能電池為能源的LED光源在21世紀(jì)必將高速發(fā)展起來，LED光源與太陽能匹配也將為礦山照明提供新的發(fā)展方向。

　　5、結(jié)語

　　近年來我國LED光源快速進(jìn)入主流照明體系，在礦山中也逐步得到應(yīng)用。雖然在礦山照明中普及應(yīng)用仍存在一些技術(shù)性問題，如光通量有待提高，LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距；產(chǎn)品的一致性、可靠性有待提高；大功率LED散熱問題有待進(jìn)一步解決。但是LED光源技術(shù)必將日趨成熟，一些技術(shù)難點(diǎn)也會(huì)逐步解決，特別是在全球能源短缺的背景下，以LED光源與太陽能結(jié)合的市場前景非常巨大。LED光源在照明市場的應(yīng)用前景將是海量的，必將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)光源，為礦山照明貢獻(xiàn)自己的力量。