1 前言
隨著中國社會開放程度的加深和人權意識的提升，煤礦的安全生產及礦工生命的安全已成為全社會共同關注的問題。
據國家安全生產監(jiān)督管理局的數據顯示：２００１~２００４年期間，我國發(fā)生一次死亡１０人以上的特大煤礦事故１８８起，平均每７．４天發(fā)生一起。２００４年，死亡人數超過３０人的特別重大事故總共１４起，其中礦難６起，占４２．８％。２００４年官方公布的礦難死亡人數是６０２７人。２００５年上半年，國家拿出了３０億元專項資金進行煤礦技術改造，安監(jiān)局升格為安監(jiān)總局，但形勢依然嚴峻，上半年的死亡人數比去年同期上升了３．３％，達到２６７２人。
據不完全統計，這些礦難中的８０％是由礦燈打火直接引起的。ＬＥＤ技術的進步帶來的直接好處就是在礦燈中的應用。ＬＥＤ礦燈的出現，大大降低了因礦燈燈泡爆炸和井下拆換礦燈引爆瓦斯造成的礦難幾率。
2 礦燈發(fā)展簡史
2.1 傳統礦燈概況
１８世紀中期，英國的工業(yè)革命對能源的需求大為提高。英國靠近地面的最佳煤層已經耗盡。采煤工程師必須打豎井以達到開采區(qū)域。深層采煤帶來嚴重的甲烷爆炸的問題，這些都起因于蠟燭和油燈未加防護的火焰。人們嘗試了各種地下照明的替代方法：包括用腐爛的魚發(fā)出的鱗光以及火石剛磨機（１７４０－１７５０），還有從地面用鏡子反光。但是，爆炸仍相當頻繁，直到安全礦燈的發(fā)明。
英國化學家戴維（Ｈ·Ｄａｖｙ，１７７８～１８２９）應霍奇森（Ｈｏｄｇｓｏｎ）牧師的要求在１８１５年發(fā)明了安全礦燈，解決了因火焰引起的瓦斯爆炸問題，對１９世紀歐洲煤礦的安全開采做出了有益的貢獻。
２０世紀初，戴維發(fā)明的安全礦燈開始被蓄電池和燈泡制造的礦燈所取代。這對提高煤礦的安全性又是一次重要推動，井下照明不再依賴于火光。礦工的工作條件有了很大的改善，基本消除了眼球震顫癥的危害。該病是此前煤礦行業(yè)照明條件惡劣引起的一種嚴重的職業(yè)病。
2.2 ＬＥＤ礦燈概況
（1）２００１年，第一代采用ＬＥＤ光源的礦燈在我國產生，該產品電源采用鋰離子蓄電池，光源采用多只紅光、綠光、藍光ＬＥＤ并聯，多色光通過特殊的凸透鏡后產生人眼所見的白光，照度可高達７００Lｘ，基本達到礦燈標準要求的照度，并且產品體積、重量比傳統礦燈減少了許多，且具有一定的免維護功能。但是，ＬＥＤ光源的混色及體積、光效等問題限制了其進一步的發(fā)展。
隨著ＬＥＤ ＹＢ雙色白光技術的發(fā)展及其在照明領域的廣泛應用，眾多企業(yè)開始投入ＬＥＤ白光光源礦燈的開發(fā)研究，制造出用多個Φ５或Φ１０的白光二極管礦燈，也能達到８００ｌｘ以上的照度，并開始在一些礦區(qū)試用。
（2）２００２年開始出現的大功率白光ＬＥＤ技術采用新的芯片技術和封裝結構，提高了發(fā)光效率，改善了散熱性能，提高了ＬＥＤ的壽命。２００５年最新的礦燈產品采用這種額定電流３５０ｍＡ的１Ｗ大功率白光ＬＥＤ作為光源，以聚合物鋰離子蓄電池為電源，照度可達１５００Lｘ以上，而且重量在２００ｇ左右，僅為傳統礦燈的十分之一。可靠性及便利性都達到了實用水平，并在２００５年開始大規(guī)模推廣應用，至今已經形成一個５０億元規(guī)模的大功率ＬＥＤ應用市場。
2.3 礦燈企業(yè)的分布
目前，中國礦燈廠主要分布于產礦省份和電子工業(yè)較發(fā)達的省份。２００５年礦燈換代帶來的產業(yè)調整機會吸引了大批的淘金者，涌現出一批從電子等行業(yè)進入的新興礦燈企業(yè)。另外，老牌鉛酸礦燈廠主要分布在產煤區(qū)附近，多數擁有幾十年的品牌和固定的銷售對象。現在面臨LED礦燈換代的機會，也作出了相應的改革。礦燈廠的分布呈現出明顯的產業(yè)密集型特征。
3 ＬＥＤ礦燈技術
3.1 ＬＥＤ產品技術的性能和選用
ＬＥＤ礦燈中，ＬＥＤ是最主要的元件，選擇的過程必須謹慎，才能保證礦燈的整體性能。從目前ＬＥＤ產品的結構及產業(yè)發(fā)展的角度而言，照明ＬＥＤ產品主要需考慮光學性能、電性能、熱性能、輻射安全和壽命可靠性等幾方面的參數。
選擇適合礦燈使用的ＬＥＤ可以從以下幾個方面進行考察。
（1）光學性能
ＬＥＤ的光學性能主要涉及到光譜、光度和色度等性能方面的要求。根據新制定的行業(yè)標準“半導體發(fā)光二極管測試方法”，主要有發(fā)光峰值波長、光譜輻射帶寬、軸向發(fā)光強度、光束半強度角、光通量、輻射通量、發(fā)光效率、色品坐標、相關色溫、色純度和主波長、顯色指數等參數。礦燈用的ＬＥＤ，主要是光通量指標，一般礦燈要求達到３０Lｍ以上，國內市場上的Pｏｗｅｒ LED一部分能達到這個要求，量子光電等部分企業(yè)的產品能夠達到４０Lｍ、５０Lｍ以上，而且可靠性已經達到國際先進水平。由于井下照明環(huán)境惡劣，對色溫和顯色指數等相關參數也會有一定的要求，而色純度和主波長一般不做考量。
（2）電性能
ＬＥＤ的ＰＮ結電特性，決定了它在照明應用中區(qū)別于傳統光源的電氣性能，即單向非線性導電特性、低電壓驅動以及對靜電敏感等特點。目前，主要的測量參數包括正向驅動電流、正向壓降、反向漏電流、反向擊穿電壓和靜電敏感度等。
（3）熱性能
照明用ＬＥＤ發(fā)光效率和功率的提高是當前ＬＥＤ產業(yè)發(fā)展的關鍵問題之一，與此同時，ＬＥＤ的ＰＮ結溫度及殼體散熱問題就顯得尤為重要，一般用熱阻、殼體溫度、結溫等參數表示。
（4）輻射安全
目前，國際電工委員會ＩＥＣ將ＬＥＤ產品等同于半導體激光器的要求進行輻射安全測試和論證。因ＬＥＤ是窄光束、高亮度的發(fā)光器件，考慮到其輻射可能對人眼視網膜造成的危害，因此，國際標準規(guī)定了不同應用的ＬＥＤ其有效輻射的限值要求和測試方法。目前，在歐盟和美國，照明ＬＥＤ產品的輻射安全已成為一項強制性的安全要求。
（5）可靠性和壽命
可靠性指標是衡量ＬＥＤ在各種環(huán)境中正常工作的能力。壽命是評價ＬＥＤ產品可用周期的質量指標，通常用有效壽命或終了壽命表示。在照明應用中，有效壽命是指ＬＥＤ在額定功率條件下，光通量衰減到初始值的規(guī)定百分比時所持續(xù)的時間。礦燈因為使用條件惡劣，維護成本高，因此可靠性是相當重要的參數。目前用于礦燈的ＬＥＤ應保證半衰壽命為２００００小時以上。
3.2 ＬＥＤ礦燈設計技術
確定了我們需要的ＬＥＤ后，就要根據ＬＥＤ的特性對礦燈結構進行設計，礦燈中與ＬＥＤ相關的主要ＬＥＤ核心系統為：光學系統、散熱系統和驅動系統.
3.2.1 光學設計
這里所講的光學設計主要是指礦燈的二次光學設計，將二極管所發(fā)的光轉化為符合井下所需的照明條件。
（1）主光源
目前根據ＬＥＤ透鏡的不同，礦燈的光學設計也有幾種不同的思路。
第一種是普通的朗柏型透鏡外加聚光作用的凸透礦燈鏡片，這種方式結構簡潔，工藝簡單，也容易達到較高的照度。但因為光斑太小，所照射的范圍相當有限，不符合井下的使用習慣。目前，國內絕大部分大型礦燈生產商均采用這種結構。
第二種是蝙蝠翼型光學透鏡，該透鏡更符合煤礦井下的實際使用要求。它是一種側面發(fā)光，產生雙峰曲線的發(fā)光二極管，配用拋物線反射器可以得到與鹵素礦燈相似的照明效果。但這種結構透鏡有一個很細的頸，在礦燈生產、使用及維護的過程中極易折斷。
第三種是采用朗柏型透鏡，設計較大的發(fā)光角度，產生散光的效果，再通過拋物面的反射器進行反射，可以綜合第一、二兩種的優(yōu)點。目前，已有部分廠家在做這種有益的嘗試。
（2）副光源設計
副光源設置目的是為了在主光源一旦出現問題時，副光源可以提供臨時的應急照明。因此副光源的設計相對主光源而言更加體現了應急和安全的意義。一般的礦燈廠家采取單獨電路安排副光源的方法，副光源處在相對獨立的位置。但是目前市場上也出現了為省去單獨安排副光源的麻煩，而采用了一些新副光源的放置方法，有將副光源集成在主光源旁邊，或邦定芯片在主光源的ＰＣＢ板上，以及直接將貼片焊在主光源的ＰＣＢ板上等做法。這都體現出目前礦燈行業(yè)急功近利的傾向。這種方法雖然省去線路板上的麻煩，但是卻增加了副光源失效的危險，并會導致可能真正需要使用的時候起不到作用。在沒有得到穩(wěn)定性方面可靠保證的情況下，不建議礦燈廠采用。
3.2.2 散熱設計
ＬＥＤ應用中與壽命最為息息相關的就是散熱設計。ＬＥＤ雖然號稱是冷光源，但這是相對高溫的白熾燈和氣體燈而言。ＬＥＤ在發(fā)光過程中本身仍然會產生熱量，這是由于在半導體ｐ－ｎ結合點放射出光子的同時也會產生熱量，這一點的溫度稱作結溫。過高的結溫會導致半導體快速老化，壽命縮短，影響正常的使用。所以，即使是冷光源的ＬＥＤ也要特別注意散熱的設計。
表1是幾種常用散熱材料的導熱系數。銀的導熱系數雖高但因不具備成本性能比而很少被運用于礦用照明。目前市場上ＬＥＤ主要采用的導熱材料是銅和鋁，相比之下，銅的導熱性能更佳，對提高產品壽命作用明顯，成本相對也高一些。鋁因為成本低廉，原材料容易取得，二次散熱多數采用鋁板或鰭狀鋁片。
采用盡量短的散熱通道。散熱通道越長，熱阻就越大，出現“熱瓶頸”的可能性就越大。
熱阻公式：
R?專結合點-環(huán)境=■
其中，△T=T結合點-T環(huán)境（℃）；
Pd=消散的功率（W）；
Pd=正向電流（If）×正向電壓（Vf）.
3.2.3 驅動設計
ＬＥＤ是電流元器件，其驅動電路最好能夠提供恒定電流�！�
4 ＬＥＤ礦燈的優(yōu)點
（1）ＬＥＤ礦燈由于低壓供電，因此無電弧產生，也就不可能引起瓦斯爆炸，安全性非常好。
（2）ＬＥＤ節(jié)能的優(yōu)勢在礦燈使用中表現更為明顯。用于礦用帽燈的１Ｗ半導體照明燈的工作電流僅為３５０ｍＡ，只有目前白熾燈的１/２。按礦工每天照明１０h計算，每只礦燈一天節(jié)約能量為３５０ｍＡ×１０ｈ＝３５００ｍＡｈ。帽燈工作電壓為４Ｖ，因此每只帽燈每天節(jié)約的電能為：４Ｖ×３５００ｍＡｈ＝１４Ｗｈ。以全國１０００萬礦工來計算每天節(jié)約的電能將達到１４Ｗｈ×１０００００００＝１４００００ｋＷｈ。僅這一項所節(jié)省的電能就相當驚人。
（3）目前，ＬＥＤ的發(fā)光效率可達４０～６０Lｍ/Ｗ，使用壽命很長，一旦安裝無需更換，因此不僅大大節(jié)省能源，還可節(jié)省維修費用。這種新型光源無玻璃外殼，無燈絲，內部不含有害物質—汞，因此不會像日光燈那樣因破損、裂縫、粉碎而污染環(huán)境，同時，這種新型光源的色彩非常柔和，不含紫外線和紅外輻射。
ＬＥＤ礦燈與傳統礦燈之比。
5 鋰電源ＬＥＤ礦燈目前存在的問題
（1）照射距離不如原礦燈遠，穿透力差。
（2）３Ｍ以外亮度衰減嚴重，擴散性差，而在近處看對方的燈則非常刺眼，甚至產生光暈。
（3）價格偏高。配上５Ａｈ的鋰電，價格至少在２００元以上，是傳統礦燈的３倍。
（4）鋰離子電池的安全性較差，盡管加入了保護電路，但是仍會出現電池組燃燒和爆炸的嚴重事故。加強鋰電廠家進入礦用領域的審查，防止不合格產品流入市場。
（5）部分廠家生產的ＬＥＤ可靠性較差，失效幾率很大，光衰嚴重。常常是十幾個充放電使用周期就光衰超過３０％，嚴重挫傷礦區(qū)采用ＬＥＤ礦燈的熱情。
6 ＬＥＤ礦燈的發(fā)展展望
ＬＥＤ是２１世紀的新光源，將徹底改變人類的照明歷史。而這一新的技術首先就為勞動階層的千萬煤礦工人帶來福音。ＬＥＤ礦燈的出現，是繼戴維礦燈的發(fā)明和蓄電池礦燈發(fā)明之后的第三次礦燈改革，這是對普通勞動者的人權與生存權最為直接的改善。
隨著ＬＥＤ技術的進步，ＬＥＤ礦燈也會隨之進步。
（1）小型化。ＬＥＤ發(fā)光效率的提高，不但能夠達到原來的照明效果且需要的電能更少，可以進一步縮小電池容量。礦燈可以直接集成在安全帽上，而不會像現在一樣沉重。進一步減輕煤礦工人的負擔。
（2）多功能化。伴隨技術進步和安全意識的提高，ＬＥＤ礦燈多功能化可能變?yōu)楝F實。ＬＥＤ礦燈不僅可以用作井下照明，還可以附加瓦斯檢測、人員定位、語音通訊甚至人員考勤等功能。 |
