LED照明光源在礦山機械行業(yè)的應(yīng)用

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，使用不當(dāng)會引起礦井瓦斯爆炸，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代新型光源發(fā)光二極管(Light tting Diode，)光源應(yīng)運而生，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.發(fā)光機理

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。

圖1 LED發(fā)光原理

半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

1.2.LED光源優(yōu)點分析

與老式礦燈比較，具有許多優(yōu)點，主要有以下幾點：

(1)高節(jié)能LED耗電相當(dāng)?shù)?，直流?qū)動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%。一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是0.02-0.03A；這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。

(2)壽命長、響應(yīng)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(yīng)很快，它的響應(yīng)時間為納秒級，熒光燈為0.1ms，日光燈一般為毫秒級。

(3)環(huán)保LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源

(4)發(fā)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，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(yīng)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(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。

2.1.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(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，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。現(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(dǎo)致事故的發(fā)生。近年來，隨著照明光源的迅速發(fā)展，其正逐步應(yīng)用于采礦工作面照明。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)速度快及高等獨特優(yōu)點。隨著LED光源的技術(shù)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(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，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(yīng)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(shù)的不斷進步，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，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(dǎo)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(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)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(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，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)點的。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，容易與匹配。兩者的結(jié)合不需要變頻器將太陽能()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照明系統(tǒng)的效率，同時借助于并網(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，再用裝置將電能轉(zhuǎn)換為光能。

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(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，為礦山照明貢獻自己的力量。