LED光源在礦山照明中的應用探討

礦山照明光源是礦山機械行業(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，使用不當會引起礦井瓦斯爆炸，嚴重危害礦山安全生產。一種節(jié)能、環(huán)保、無害、長壽命、低熱、抗震、色純度高的第4代新型光源半導體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,LED）光源應運而生，現(xiàn)在正逐步廣泛應用于生活中，如景觀燈、交通燈、汽車燈等，在礦山照明中也將有廣泛的應用前景。

　　1.1、LED光源發(fā)光機理

　　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

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

圖1、LED發(fā)光原理

當在PN結的兩端加正偏壓時，PN結區(qū)勢壘降低，大量非平衡載流子從擴散N區(qū)注入到P區(qū)，并與P區(qū)向N區(qū)擴散的空穴不斷地產生復合。復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。由于空穴的擴散速度遠小于電子的擴散速度，發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)[1].

　　1.2、LED光源優(yōu)點分析

　　LED燈與老式礦燈比較，具有許多優(yōu)點，主要有以下幾點：

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

　?。?）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光效經改良后將達到達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。

　　（5）安全照明 LED供電能夠采用24V的低壓線路，驅動簡便，這為礦井提供了一個安全、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，可廣泛應用于防爆、野外作業(yè)、礦山、軍事行動等特殊工作場所或惡劣工作環(huán)境之中，如礦燈、防爆燈、應急燈、安全指標燈。

　　2、LED光源在礦山照明中的應用

　　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輸或人行通道提供照明。目前國內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，而且如供電距離較遠，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)在我國礦山已經開始推廣應用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光源技術的進步，其在巷道照明中的應用將越來越廣。

　　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，使得整個工作面比較昏暗，容易導致事故的發(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、響應速度快及顯色指數(shù)高等獨特優(yōu)點。隨著LED光源的技術進步，不久大功率LED光源在工作迎頭面中照明將得到普遍應用。

　　2.3、在礦燈中的應用

　　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光源燈具也在掘進機等機車上得到了應用，并取得了很好的效果，正逐步替代非LED光源的防爆機車燈具。隨著LED光源技術的不斷進步，其在礦山照明中的應用前景將更加廣泛。

　　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LED而言，輸出功率很小，常采用LED點陣或者環(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。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，單個的LED發(fā)熱很小，但對于LED點陣，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率材料、提高散熱面積及改進散熱方式等[5].

　　3.2、增加反光（傘）罩

　　LED發(fā)光角度很小，方向性強，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準直光學系統(tǒng)設計

　　LED陣列是一個發(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準直光學系統(tǒng)設計，如圖2所示。

圖2、LED陣列準直光學系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)采用非成像光學方法，使LED陣列的光通量得到有效的匯聚，把光通量轉換成一個高亮度匯聚光束，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、能源質量高等優(yōu)點的新能源。太陽能LED光源是新一代能源和新一代光源的完美結合，其完美結合的關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。兩者的結合不需要變頻器將太陽能（PV）電池產生的直流電轉化為交流電，因此大大提高了整個照明系統(tǒng)的效率，同時借助于并網技術或可充放蓄電池。其工作過程是利用太陽能電池將太陽能轉換成電能，再用LED照明裝置將電能轉換為光能[1].

　　以太陽能電池為能源的LED光源在21世紀必將高速發(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、結語

　　近年來我國LED光源快速進入主流照明體系，在礦山中也逐步得到應用。雖然在礦山照明中普及應用仍存在一些技術性問題，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；產品的一致性、可靠性有待提高；大功率LED散熱問題有待進一步解決。但是LED光源技術必將日趨成熟，一些技術難點也會逐步解決，特別是在全球能源短缺的背景下，以LED光源與太陽能結合的市場前景非常巨大。LED光源在照明市場的應用前景將是海量的，必將成為21世紀的主導光源，為礦山照明貢獻自己的力量。