摘要：介紹了一種太陽能光伏電池和LED燈結合的照明系統的原理與設計。該裝置可在煤礦電網斷電情況下，作為備用照明系統使用。最后給出了仿真與實驗結果，證明了該裝置具有較好的性能與實用性。
關鍵詞：光伏發電；煤礦安全；LED照明
0引言
隨著科學技術與經濟的進步和發展，煤礦對電力的依賴程度越來越高，一旦中斷供電，往往會導致非常嚴重的甚至災難性的后果。同時，光伏發電技術與LED照明技術越來越成熟，兩者結合作為煤礦備用照明系統使用，具有環保、安全、無外接電源等優點。
作為獨立式照明系統，一方面太陽能極板將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中；另一方面LED除具有使用壽命長、發光效率高、體積小、重量輕、可靠等優點以外，還有一個顯著優點就是可以完全避免因普通照明燈引發的瓦斯爆炸事故。
太陽能光伏發電技術能與LED照明完美結合的關鍵在于兩者同為直流電、電壓低且能互相匹配。因此兩者的結合不需要將太陽能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的效率。同時，借助于蓄電池充放能量，使其優勢更加明顯。隨著相關技術的深入研究，LED的發光效率正在不斷提高，超高亮度的LED將要問世，必將得到大量應用。
1太陽能LED照明系統設計
1.1太陽能LED照明系統的基本結構
在本系統中，太陽能LED照明系統主要利用太陽能電池的能源來進行工作，當白天太陽光照射在太陽能電池上，把光能轉變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為LED提供電源。可自動或手動對充電和放電行為進行切換。自動模式：當白天光照達到一定程度時,自動切換到關閉燈光進入充電狀態,當夜色降臨光照不足時,自動切換到進入電池放電狀態開啟燈光。手動模式：通過開關按鈕控制充電或開啟燈光。
太陽能LED照明系統的結構如圖1所示。
由圖1可見，通過模式選擇進行充電/照明切換。照明工作時，蓄電池的電壓經過BOOST電路升壓后，接入LED燈組的輸入端，開啟LED燈。
1.2太陽能LED照明系統的原理分析（1）充放電選擇
照明系統可以通過手動/自動模式進行充電/照明切換。自動模式時，主要通過光照來進行判斷。具體切換如圖2所示。
如圖2所示，當開關按鈕K1處于位置2、K2處于位置4時，系統處于自動模式。當有光照時，光敏電阻為低阻態，Q1的B極為低電平，Q1、Q2均截止，系統處于充電狀態。當夜間光照不足時，光敏電阻為高阻態，Q1的B極為高電平，Q1導通，使Q2的B極也為低電平，故Q1、Q2均導通，通過BOOST升壓電路進行升壓，進而為LED供電。
手動模式時，選擇K1于位置1、K2于位置4或者K1于位置2、K2于位置3時，系統處于充電狀態；選擇K1于位置1、K2于位置3時，系統處于亮燈狀態。
（2）BOOST升壓電路
如圖3所示，假設MOSFET于t0時刻開通，并保持通態直到T1時刻，在這一階段，電感L兩端的電壓為U1，電感電流不斷增加，二極管VD關閉。開關S在T1時刻時關閉，二極管VD導通，電感L兩端的電壓為U2，電感通過VD向電容釋放能量，直到T2時刻S再次開通，下一個開關周期開始。
一個周期中，L充電過程與放電過程中的電流變化量相同，得到
U1（T1－T0）＝-U2（T2－T1）
可以推導出
U0=Ui11-D
式中Uo———輸出電壓；
Ui———
電池電壓；D———
占空比，D＝T1－T0T2－T1。
通過電壓反饋，調節占空比D，控制MOSFET的開通，得到需要的直流輸出電壓。
（3）蓄電池防過放電措施
當蓄電池供電能力不足時，要防止發生過放電現象，這樣將大大縮短蓄電池的使用壽命。可以通過電阻分壓接入Q1的B級，當單個蓄電池電壓低于2V時，電阻的分壓導致Q1的B極電位不夠，使Q1、Q2關閉，進而保護電池，防止過放電。
1.3太陽能LED照明系統在煤礦中的應用
由于LED燈具有功耗小，使用壽命長，安全環保等優點，可將本照明系統應用于指示間距、安全通道、撤離路線等路標標識。
本照明系統在煤礦中的應用就是定位在安全通道線路指示，使用效果理想
2實驗結果分析
在上述理論分析的基礎上，設計了一臺太陽能LED照明系統。系統采用24V太陽能極板、12V蓄電池組（6只）、BOOST升壓電路、并串結合LED燈組。相關實驗波形如圖4。
圖4所示為充電過程中，太陽能極板電壓波形。普通光照下，極板電壓約18V。12V蓄電池經升壓電路后，變為24V直流電壓。圖5為BOOST升壓電路中MOSFET的驅動波形。
24V的直流電壓對LED燈組進行供電，經過測試證明，由于LED沒有熒光燈那樣的電極材料濺射效應，光衰非常緩慢，使得使用壽命得到保證。另一方面LED燈光的光譜中，可見光比例非常高，使得亮度比較大。其安全、長壽、高亮度的優點使LED燈可以完全代替熒光燈。
3結語
本系統是光伏太陽能技術與LED電光源技術的最佳結合，真正達到了高效節能、超長壽命、超高亮度、超長點亮時間，在一般天氣情況下能做到從不斷電。尤其是其安全可靠的特點，使之成為煤礦備用照明系統的理想選擇。