想不到吧，科學家用這種方式照亮鳥巢
2020-10-23

　　要想照亮鳥巢，需要多少個LED燈？

　　當然，這里的鳥巢不是說小鳥自己筑的巢，而是中國國家體育場。為了保證觀眾觀看比賽的視覺體驗，同時還要滿足能夠記錄下比賽精彩瞬間的要求，體育場館對亮度的要求很高。

　　目前的體育館使用什么燈照明？要照亮如此巨大的體育場館，會不會很費電？是否有更節能的照明方式呢？

　　圖片來源：Veer圖庫

　　圖片來源：國家體育館-鳥巢官網

　　亮的數據初體驗

　　要想體會體育場館照明的特殊之處，首先需要我們對“亮”有一個量化的認識。在現實生活中，我們對“亮”的需求十分多樣化。從最常見的日光燈到手術臺上齊哇哇的聚光燈，從上演愛恨情仇的大銀幕到夜幕降臨五顏六色的閃爍霓虹，我們早已習慣了各式各樣的光源，習慣了這個世界的流光溢彩。那我們如何來衡量“亮”呢？準確來講，“亮”其實是一種感受，不能用于計量，因此需要引入光通量和光照強度的概念來理解亮。

　　光通量代表光源發光的總量，單位是流明（lm）。光通量除以面積就是照度，照度反映出被照表面的照明程度，單位是勒克斯（lux）。舉個例子，家里客廳地面上的照度為100-200lux。而轉播體育比賽時，為了讓場邊或電視機前的觀眾能看清快速移動的運動員和足球，場地上平均照度要求在2000lux以上。

　　圖片來源：Veer圖庫

　　據調查顯示，目前體育場館多采用傳統高強度氣體放電燈——金鹵燈進行照明，功率高達1000-2000W，雖然能夠達到照亮場館的要求，但如此高的功率必然意味著極高的耗電量。以鳥巢為例，其體育場照明采用了594盞2000W金鹵燈，每小時耗電1188度。

　　除了耗電量大，金鹵燈還有個致命的弱點——點亮時間長。一旦比賽中途斷電，其再次點亮所需冷卻時間可能長達十幾分鐘。這在分秒都不能出錯的電視轉播中是完全不允許的。

　　圖片來源：Veer圖庫

　　隆重請出：LED燈

　　那有沒有一種燈在實現高照度的情況下，同時節能又能瞬時點亮呢？確實有，它的名字叫發光二極管，也就是常說的LED燈。LED是一種利用半導體PN結把電能轉換為光能的半導體器件，PN結是其發光的核心區域，由P型層和N型層構成，P型層提供空穴，N型層提供電子。

　　而這里的P型層的空穴，是指固體物理學中共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位的現象。即共價鍵中的一些價電子由于熱運動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴。

　　圖片來源：百度百科

　　LED燈發光原理示意圖

　　圖片來源: 百度百科

　　在外加電場的作用下，空穴和電子被注入到PN結發生復合，多余的能量以光的形式釋放出來，從而就能觀察到PN結發光?？?/span>的來說，LED燈就是依靠電子和空穴碰撞產生光子來發光的。因為電能轉化為光能的效率較高，且燈管的使用壽命較長，所以LED燈既能提供高亮度，相比于金鹵燈還有省電節能的優點。是不是有那么一點點優秀？

　　光有LED燈還不夠，再來點貼裝

　　雖然LED燈既節能又能提供高亮度，但是單顆LED芯片尺寸非常小，只有1mm見方，尺寸和一粒小米相當，且功率也只有1W左右。為了使得LED芯片實現500W甚至1000W的超大功率，我們需要對其進行封裝。目前大功率照明的封裝結構，主要有表面貼裝SMD和板上芯片COB兩種。

　　SMD是對單顆LED芯片進行獨立封裝，然后再將多顆SMD燈珠集成到PCB板上形成大功率LED模組的封裝方式。其優點是可以根據燈具外形設計PCB板形狀，并按要求組合成所需功率。

　　不過，這種方式也存在一個缺點，那就是每顆燈珠都是一個發光點，多點照明會產生重影。而且燈珠之間都有相當大的間距，這就導致如果體育場館使用SMD集成式的大功率LED燈，燈的體積和重量就會非常大。NO,NO,NO，我們還是選擇場地大一點吧。

　　SMD封裝示意圖

　　圖片來源：參考資料1

　　COB封裝是將多顆LED芯片固定在一塊小尺寸光源基板上，從而直接形成大功率LED燈，如此一來就可以得到高功率密度的大功率LED光源。以西鐵城光源為例，其500W光源尺寸僅為38mm*38mm，用“小巧玲瓏”來形容也不為過。與SMD光源模組相比，COB光源可以看作點光源，照明不會產生重影，光能也更集中，燈具體積和重量也相對更小。

　　COB封裝示意圖

　　圖片來源：參考資料1

　　俗話說，一個好漢三個幫。有了LED光源還不能直接點亮，一盞完整的LED燈還需要其他部件。前面提到LED芯片是一種半導體材料，和手機電腦里的CPU以及各種處理器一樣，半導體器件不能直接用220V交流電直接供電，需要一臺直流電源將交流電轉換為直流電。

　　圖片來源：參考資料1

　　此外，LED芯片還必須在一定的溫度下工作，通常要求PN結溫度低于140攝氏度。如果溫度過高，會嚴重降低燈具的整體壽命，甚至直接燒壞LED光源，也就是滅燈。因此，我們還需要一個散熱器，將LED光源發出的熱量散出去。目前市面上的散熱器主要有兩種，一種是型材散熱器，一種是相變散熱器。

　　兩種散熱器各有各的優點。型材散熱器結構簡單，價格便宜，通過材料自身進行熱傳導，熱阻高且適合小功率和低功率密度的LED光源。

　　圖片來源：參考資料1

　　相變散熱器內部工質會發生相變，通過液體汽化變成氣體從而吸熱帶走熱量，進行熱量輸運，具有取熱快、熱阻低且散熱器整體均溫性好的優點，適合大功率密度的LED光源。

　　圖片來源：參考資料1

　　有了光源、電源和散熱器，就可以組裝成一盞可以點亮的LED燈了。當然，LED燈作為一種工業產品，賣相也還是很重要的，這就需要對其進行外觀造型以提升顏值。因為體育場館燈安裝高度可達50-60m，而LED光源發光時屬于四周散發型，如果直接使用會導致光能浪費嚴重，地面照度低，所以還需要采用光學器件對光束進行整形，使其集中照射到場地上，以提高地面照度。

　　更高，更亮，更節能

　　目前，我國已有200多萬個體育場館，相應的照明燈具也有數千萬盞。對于它們除了高照度、高均勻度和高光源顯色性的要求外，還要求燈具能夠更節能。隨著LED燈技術的發展，LED燈具在體育場館照明領域的應用越來越多。到目前為止，國內外已有相當一批新建和改建的體育場館采用了LED燈具。

　　新建場館在設計之初便可對照明有整體考慮，但在體育場館照明改造項目中，就沒那么自由了，燈具安裝位置、空間和建筑承重已固定，必須采用體積和重量與金鹵燈相當的LED體育場館燈。在大功率LED體育照明領域，高端市場被國外幾個大品牌壟斷，國內LED體育照明企業主要還是采用SMD集成式光源方案，導致燈具體積和重量都很大，難以以1：1替換1000W-2000W的金鹵燈。

　　中科院工程熱物理研究所光電系統熱管理團隊采用高功率COB光源，利用微槽群相變散熱器研發了高效可靠、小體積輕量化的千瓦級LED體育場館燈，解決了高功率密度LED光源散熱難題，打破國外的技術壟斷。這項技術對于實現北京冬奧會場館燈具國產化，打造中國制造民族品牌，助力綠色奧運、科技奧運，滿足國家發展戰略需求具有重要意義。

　　PS自制

　　我們期待2022年冬奧會有更多的體育場館采用LED照明，給觀眾帶來更好的觀賞體驗。

　　參考資料：

　　1、高效高可靠高功率密度LED體育場館燈

　　https://v.qq.com/x/cover/mzc00200xvx5kos/m09691ylxas.html