摘要：介绍了一种太阳能光伏电池和LED灯结合的照明系统的原理与设计。该装置可在煤矿电网断电情况下，作为备用照明系统使用。最后给出了仿真与实验结果，证明了该装置具有较好的性能与实用性。
关键词：光伏发电；煤矿安全；LED照明
0引言
随着科学技术与经济的进步和发展，煤矿对电力的依赖程度越来越高，一旦中断供电，往往会导致非常严重的甚至灾难性的后果。同时，光伏发电技术与LED照明技术越来越成熟，两者结合作为煤矿备用照明系统使用，具有环保、安全、无外接电源等优点。
作为独立式照明系统，一方面太阳能极板将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中；另一方面LED除具有使用寿命长、发光效率高、体积小、重量轻、可靠等优点以外，还有一个显著优点就是可以完全避免因普通照明灯引发的瓦斯爆炸事故。
太阳能光伏发电技术能与LED照明完美结合的关键在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。同时，借助于蓄电池充放能量，使其优势更加明显。随着相关技术的深入研究，LED的发光效率正在不断提高，超高亮度的LED将要问世，必将得到大量应用。
1太阳能LED照明系统设计
1.1太阳能LED照明系统的基本结构
在本系统中，太阳能LED照明系统主要利用太阳能电池的能源来进行工作，当白天太阳光照射在太阳能电池上，把光能转变成电能存贮在蓄电池中，再由蓄电池在晚间为LED提供电源。可自动或手动对充电和放电行为进行切换。自动模式：当白天光照达到一定程度时,自动切换到关闭灯光进入充电状态,当夜色降临光照不足时,自动切换到进入电池放电状态开启灯光。手动模式：通过开关按钮控制充电或开启灯光。
太阳能LED照明系统的结构如图1所示。
由图1可见，通过模式选择进行充电/照明切换。照明工作时，蓄电池的电压经过BOOST电路升压后，接入LED灯组的输入端，开启LED灯。
1.2太阳能LED照明系统的原理分析（1）充放电选择
照明系统可以通过手动/自动模式进行充电/照明切换。自动模式时，主要通过光照来进行判断。具体切换如图2所示。
如图2所示，当开关按钮K1处于位置2、K2处于位置4时，系统处于自动模式。当有光照时，光敏电阻为低阻态，Q1的B极为低电平，Q1、Q2均截止，系统处于充电状态。当夜间光照不足时，光敏电阻为高阻态，Q1的B极为高电平，Q1导通，使Q2的B极也为低电平，故Q1、Q2均导通，通过BOOST升压电路进行升压，进而为LED供电。
手动模式时，选择K1于位置1、K2于位置4或者K1于位置2、K2于位置3时，系统处于充电状态；选择K1于位置1、K2于位置3时，系统处于亮灯状态。
（2）BOOST升压电路
如图3所示，假设MOSFET于t0时刻开通，并保持通态直到T1时刻，在这一阶段，电感L两端的电压为U1，电感电流不断增加，二极管VD关闭。开关S在T1时刻时关闭，二极管VD导通，电感L两端的电压为U2，电感通过VD向电容释放能量，直到T2时刻S再次开通，下一个开关周期开始。
一个周期中，L充电过程与放电过程中的电流变化量相同，得到
U1（T1－T0）＝-U2（T2－T1）
可以推导出
U0=Ui11-D
式中Uo———输出电压；
Ui———
电池电压；D———
占空比，D＝T1－T0T2－T1。
通过电压反馈，调节占空比D，控制MOSFET的开通，得到需要的直流输出电压。
（3）蓄电池防过放电措施
当蓄电池供电能力不足时，要防止发生过放电现象，这样将大大缩短蓄电池的使用寿命。可以通过电阻分压接入Q1的B级，当单个蓄电池电压低于2V时，电阻的分压导致Q1的B极电位不够，使Q1、Q2关闭，进而保护电池，防止过放电。
1.3太阳能LED照明系统在煤矿中的应用
由于LED灯具有功耗小，使用寿命长，安全环保等优点，可将本照明系统应用于指示间距、安全通道、撤离路线等路标标识。
本照明系统在煤矿中的应用就是定位在安全通道线路指示，使用效果理想
2实验结果分析
在上述理论分析的基础上，设计了一台太阳能LED照明系统。系统采用24V太阳能极板、12V蓄电池组（6只）、BOOST升压电路、并串结合LED灯组。相关实验波形如图4。
图4所示为充电过程中，太阳能极板电压波形。普通光照下，极板电压约18V。12V蓄电池经升压电路后，变为24V直流电压。图5为BOOST升压电路中MOSFET的驱动波形。
24V的直流电压对LED灯组进行供电，经过测试证明，由于LED没有荧光灯那样的电极材料溅射效应，光衰非常缓慢，使得使用寿命得到保证。另一方面LED灯光的光谱中，可见光比例非常高，使得亮度比较大。其安全、长寿、高亮度的优点使LED灯可以完全代替荧光灯。
3结语
本系统是光伏太阳能技术与LED电光源技术的最佳结合，真正达到了高效节能、超长寿命、超高亮度、超长点亮时间，在一般天气情况下能做到从不断电。尤其是其安全可靠的特点，使之成为煤矿备用照明系统的理想选择。