led大功率|想不到吧，科学家用这种方式照亮鸟巢
出品：科普中国
制作：陈劲涛、陈琳
监制：中国科学院计算机网络信息中心
要想照亮鸟巢 ， 需要多少个LED灯？
当然 ， 这里的鸟巢不是说小鸟自己筑的巢 ， 而是中国国家体育场 。 为了保证观众观看比赛的视觉体验 ， 同时还要满足能够记录下比赛精彩瞬间的要求 ， 体育场馆对亮度的要求很高 。
目前的体育馆使用什么灯照明？要照亮如此巨大的体育场馆 ， 会不会很费电？是否有更节能的照明方式呢？
△图片来源：Veer图库
△图片来源：国家体育馆-鸟巢官网
亮的数据初体验
要想体会体育场馆照明的特殊之处 ， 首先需要我们对“亮”有一个量化的认识 。 在现实生活中 ， 我们对“亮”的需求十分多样化 。 从最常见的日光灯到手术台上齐哇哇的聚光灯 ， 从上演爱恨情仇的大银幕到夜幕降临五颜六色的闪烁霓虹 ， 我们早已习惯了各式各样的光源 ， 习惯了这个世界的流光溢彩 。 那我们如何来衡量“亮”呢？准确来讲 ， “亮”其实是一种感受 ， 不能用于计量 ， 因此需要引入光通量和光照强度的概念来理解亮 。
光通量代表光源发光的总量 ， 单位是流明（lm） 。 光通量除以面积就是照度 ， 照度反映出被照表面的照明程度 ， 单位是勒克斯（lux） 。 举个例子 ， 家里客厅地面上的照度为100-200lux 。 而转播体育比赛时 ， 为了让场边或电视机前的观众能看清快速移动的运动员和足球 ， 场地上平均照度要求在2000lux以上 。
△图片来源：Veer图库
据调查显示 ， 目前体育场馆多采用传统高强度气体放电灯——金卤灯进行照明 ， 功率高达1000-2000W ， 虽然能够达到照亮场馆的要求 ， 但如此高的功率必然意味着极高的耗电量 。 以鸟巢为例 ， 其体育场照明采用了594盏2000W金卤灯 ， 每小时耗电1188度 。
除了耗电量大 ， 金卤灯还有个致命的弱点——点亮时间长 。 一旦比赛中途断电 ， 其再次点亮所需冷却时间可能长达十几分钟 。 这在分秒都不能出错的电视转播中是完全不允许的 。
△图片来源：Veer图库
隆重请出：LED灯
那有没有一种灯在实现高照度的情况下 ， 同时节能又能瞬时点亮呢？确实有 ， 它的名字叫发光二极管 ， 也就是常说的LED灯 。 LED是一种利用半导体PN结把电能转换为光能的半导体器件 ， PN结是其发光的核心区域 ， 由P型层和N型层构成 ， P型层提供空穴 ， N型层提供电子 。
而这里的P型层的空穴 ， 是指固体物理学中共价键上流失一个电子 ， 最后在共价键上留下空位的现象 。 即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量 ， 从而摆脱共价键的约束成为自由电子 ， 同时在共价键上留下空位 ， 我们称这些空位为空穴 。
△图片来源：百度百科
△LED灯发光原理示意图
图片来源: 百度百科
在外加电场的作用下 ， 空穴和电子被注入到PN结发生复合 ， 多余的能量以光的形式释放出来 ， 从而就能观察到PN结发光 。 总的来说 ， LED灯就是依靠电子和空穴碰撞产生光子来发光的 。 因为电能转化为光能的效率较高 ， 且灯管的使用寿命较长 ， 所以LED灯既能提供高亮度 ， 相比于金卤灯还有省电节能的优点 。 是不是有那么一点点优秀？
光有LED灯还不够 ， 再来点贴装
虽然LED灯既节能又能提供高亮度 ， 但是单颗LED芯片尺寸非常小 ， 只有1mm见方 ， 尺寸和一粒小米相当 ， 且功率也只有1W左右 。 为了使得LED芯片实现500W甚至1000W的超大功率 ， 我们需要对其进行封装 。 目前大功率照明的封装结构 ， 主要有表面贴装SMD和板上芯片COB两种 。
SMD是对单颗LED芯片进行独立封装 ， 然后再将多颗SMD灯珠集成到PCB板上形成大功率LED模组的封装方式 。 其优点是可以根据灯具外形设计PCB板形状 ， 并按要求组合成所需功率 。
不过 ， 这种方式也存在一个缺点 ， 那就是每颗灯珠都是一个发光点 ， 多点照明会产生重影 。 而且灯珠之间都有相当大的间距 ， 这就导致如果体育场馆使用SMD集成式的大功率LED灯 ， 灯的体积和重量就会非常大 。 NO,NO,NO ， 我们还是选择场地大一点吧 。
【led大功率|想不到吧，科学家用这种方式照亮鸟巢】△SMD封装示意图
图片来源：参考资料1
COB封装是将多颗LED芯片固定在一块小尺寸光源基板上 ， 从而直接形成大功率LED灯 ， 如此一来就可以得到高功率密度的大功率LED光源 。 以西铁城光源为例 ， 其500W光源尺寸仅为38mm*38mm ， 用“小巧玲珑”来形容也不为过 。 与SMD光源模组相比 ， COB光源可以看作点光源 ， 照明不会产生重影 ， 光能也更集中 ， 灯具体积和重量也相对更小 。
△COB封装示意图
图片来源：参考资料1
俗话说 ， 一个好汉三个帮 。 有了LED光源还不能直接点亮 ， 一盏完整的LED灯还需要其他部件 。 前面提到LED芯片是一种半导体材料 ， 和手机电脑里的CPU以及各种处理器一样 ， 半导体器件不能直接用220V交流电直接供电 ， 需要一台直流电源将交流电转换为直流电 。
△图片来源：参考资料1
此外 ， LED芯片还必须在一定的温度下工作 ， 通常要求PN结温度低于140摄氏度 。 如果温度过高 ， 会严重降低灯具的整体寿命 ， 甚至直接烧坏LED光源 ， 也就是灭灯 。 因此 ， 我们还需要一个散热器 ， 将LED光源发出的热量散出去 。 目前市面上的散热器主要有两种 ， 一种是型材散热器 ， 一种是相变散热器 。
两种散热器各有各的优点 。 型材散热器结构简单 ， 价格便宜 ， 通过材料自身进行热传导 ， 热阻高且适合小功率和低功率密度的LED光源 。
△图片来源：参考资料1
相变散热器内部工质会发生相变 ， 通过液体汽化变成气体从而吸热带走热量 ， 进行热量输运 ， 具有取热快、热阻低且散热器整体均温性好的优点 ， 适合大功率密度的LED光源 。
△图片来源：参考资料1
有了光源、电源和散热器 ， 就可以组装成一盏可以点亮的LED灯了 。 当然 ， LED灯作为一种工业产品 ， 卖相也还是很重要的 ， 这就需要对其进行外观造型以提升颜值 。 因为体育场馆灯安装高度可达50-60m ， 而LED光源发光时属于四周散发型 ， 如果直接使用会导致光能浪费严重 ， 地面照度低 ， 所以还需要采用光学器件对光束进行整形 ， 使其集中照射到场地上 ， 以提高地面照度 。
更高 ， 更亮 ， 更节能
目前 ， 我国已有200多万个体育场馆 ， 相应的照明灯具也有数千万盏 。 对于它们除了高照度、高均匀度和高光源显色性的要求外 ， 还要求灯具能够更节能 。 随着LED灯技术的发展 ， LED灯具在体育场馆照明领域的应用越来越多 。 到目前为止 ， 国内外已有相当一批新建和改建的体育场馆采用了LED灯具 。
新建场馆在设计之初便可对照明有整体考虑 ， 但在体育场馆照明改造项目中 ， 就没那么自由了 ， 灯具安装位置、空间和建筑承重已固定 ， 必须采用体积和重量与金卤灯相当的LED体育场馆灯 。 在大功率LED体育照明领域 ， 高端市场被国外几个大品牌垄断 ， 国内LED体育照明企业主要还是采用SMD集成式光源方案 ， 导致灯具体积和重量都很大 ， 难以以1：1替换1000W-2000W的金卤灯 。
中科院工程热物理研究所光电系统热管理团队采用高功率COB光源 ， 利用微槽群相变散热器研发了高效可靠、小体积轻量化的千瓦级LED体育场馆灯 ， 解决了高功率密度LED光源散热难题 ， 打破国外的技术垄断 。 这项技术对于实现北京冬奥会场馆灯具国产化 ， 打造中国制造民族品牌 ， 助力绿色奥运、科技奥运 ， 满足国家发展战略需求具有重要意义 。
△PS自制
我们期待2022年冬奥会有更多的体育场馆采用LED照明 ， 给观众带来更好的观赏体验 。
参考资料：
1、高效高可靠高功率密度LED体育场馆灯
https://v.qq.com/x/cover/mzc00200xvx5kos/m09691ylxas.html
【led大功率|想不到吧，科学家用这种方式照亮鸟巢】
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