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。

△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