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  要想照亮鳥(niǎo)巢，需要多少個(gè)LED燈?

  當(dāng)然，這里的鳥(niǎo)巢不是說(shuō)小鳥(niǎo)自己筑的巢，而是中國(guó)國(guó)家體育場(chǎng)。為了保證觀眾觀看比賽的視覺(jué)體驗(yàn)，同時(shí)還要滿足能夠記錄下比賽精彩瞬間的要求，體育場(chǎng)館對(duì)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(chǎng)館，會(huì)不會(huì)很費(fèi)電?是否有更節(jié)能的照明方式呢?

△圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)

△圖片來(lái)源：國(guó)家體育館-鳥(niǎo)巢官網(wǎng)

  亮的數(shù)據(jù)初體驗(yàn)

  要想體會(huì)體育場(chǎng)館照明的特殊之處，首先需要我們對(duì)“亮”有一個(gè)量化的認(rèn)識(shí)。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們對(duì)“亮”的需求十分多樣化。從最常見(jiàn)的日光燈到手術(shù)臺(tái)上齊哇哇的聚光燈，從上演愛(ài)恨情仇的大銀幕到夜幕降臨五顏六色的閃爍霓虹，我們?cè)缫蚜?xí)慣了各式各樣的光源，習(xí)慣了這個(gè)世界的流光溢彩。那我們?nèi)绾蝸?lái)衡量“亮”呢?準(zhǔn)確來(lái)講，“亮”其實(shí)是一種感受，不能用于計(jì)量，因此需要引入光通量和光照強(qiáng)度的概念來(lái)理解亮。

  光通量代表光源發(fā)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(gè)例子，家里客廳地面上的照度為100-200lux。而轉(zhuǎn)播體育比賽時(shí)，為了讓場(chǎng)邊或電視機(jī)前的觀眾能看清快速移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員和足球，場(chǎng)地上平均照度要求在2000lux以上。

△圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)

  據(jù)調(diào)查顯示，目前體育場(chǎng)館多采用傳統(tǒng)高強(qiáng)度氣體放電燈——金鹵燈進(jìn)行照明，功率高達(dá)1000-2000W，雖然能夠達(dá)到照亮場(chǎng)館的要求，但如此高的功率必然意味著極高的耗電量。以鳥(niǎo)巢為例，其體育場(chǎng)照明采用了594盞2000W金鹵燈，每小時(shí)耗電1188度。

  除了耗電量大，金鹵燈還有個(gè)致命的弱點(diǎn)——點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)。一旦比賽中途斷電，其再次點(diǎn)亮所需冷卻時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘。這在分秒都不能出錯(cuò)的電視轉(zhuǎn)播中是完全不允許的。

△圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)

  隆重請(qǐng)出：LED燈

  那有沒(méi)有一種燈在實(shí)現(xiàn)高照度的情況下，同時(shí)節(jié)能又能瞬時(shí)點(diǎn)亮呢?確實(shí)有，它的名字叫發(fā)光二極管，也就是常說(shuō)的LED燈。LED是一種利用半導(dǎo)體PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，PN結(jié)是其發(fā)光的核心區(qū)域，由P型層和N型層構(gòu)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(xué)中共價(jià)鍵上流失一個(gè)電子，最后在共價(jià)鍵上留下空位的現(xiàn)象。即共價(jià)鍵中的一些價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得一些能量，從而擺脫共價(jià)鍵的約束成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴。

△圖片來(lái)源：百度百科

△LED燈發(fā)光原理示意圖
圖片來(lái)源: 百度百科

  在外加電場(chǎng)的作用下，空穴和電子被注入到PN結(jié)發(fā)生復(fù)合，多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而就能觀察到PN結(jié)發(fā)光。總的來(lái)說(shuō)，LED燈就是依靠電子和空穴碰撞產(chǎn)生光子來(lái)發(fā)光的。因?yàn)殡娔苻D(zhuǎn)化為光能的效率較高，且燈管的使用壽命較長(zhǎng)，所以LED燈既能提供高亮度，相比于金鹵燈還有省電節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。是不是有那么一點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)秀?

  光有LED燈還不夠，再來(lái)點(diǎn)貼裝

  雖然LED燈既節(jié)能又能提供高亮度，但是單顆LED芯片尺寸非常小，只有1mm見(jiàn)方，尺寸和一粒小米相當(dāng)，且功率也只有1W左右。為了使得LED芯片實(shí)現(xiàn)500W甚至1000W的超大功率，我們需要對(duì)其進(jìn)行封裝。目前大功率照明的封裝結(jié)構(gòu)，主要有表面貼裝SMD和板上芯片COB兩種。

  SMD是對(duì)單顆LED芯片進(jìn)行獨(dú)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(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)燈具外形設(shè)計(jì)PCB板形狀，并按要求組合成所需功率。

  不過(guò)，這種方式也存在一個(gè)缺點(diǎn)，那就是每顆燈珠都是一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，多點(diǎn)照明會(huì)產(chǎn)生重影。而且燈珠之間都有相當(dāng)大的間距，這就導(dǎo)致如果體育場(chǎng)館使用SMD集成式的大功率LED燈，燈的體積和重量就會(huì)非常大。NO,NO,NO，我們還是選擇場(chǎng)地大一點(diǎn)吧。

△SMD封裝示意圖
圖片來(lái)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(lái)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(lái)形容也不為過(guò)。與SMD光源模組相比，COB光源可以看作點(diǎn)光源，照明不會(huì)產(chǎn)生重影，光能也更集中，燈具體積和重量也相對(duì)更小。

△COB封裝示意圖
圖片來(lái)源：參考資料1

  俗話說(shuō)，一個(gè)好漢三個(gè)幫。有了LED光源還不能直接點(diǎn)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(dǎo)體材料，和手機(jī)電腦里的CPU以及各種處理器一樣，半導(dǎo)體器件不能直接用220V交流電直接供電，需要一臺(tái)直流電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

△圖片來(lái)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(jié)溫度低于140攝氏度。如果溫度過(guò)高，會(huì)嚴(yán)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(gè)散熱器，將LED光源發(fā)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(yōu)點(diǎn)。型材散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，通過(guò)材料自身進(jìn)行熱傳導(dǎo)，熱阻高且適合小功率和低功率密度的LED光源。

△圖片來(lái)源：參考資料1

  相變散熱器內(nèi)部工質(zhì)會(huì)發(fā)生相變，通過(guò)液體汽化變成氣體從而吸熱帶走熱量，進(jìn)行熱量輸運(yùn)，具有取熱快、熱阻低且散熱器整體均溫性好的優(yōu)點(diǎn)，適合大功率密度的LED光源。

△圖片來(lái)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(diǎn)亮的LED燈了。當(dāng)然，LED燈作為一種工業(yè)產(chǎn)品，賣相也還是很重要的，這就需要對(duì)其進(jìn)行外觀造型以提升顏值。因?yàn)轶w育場(chǎng)館燈安裝高度可達(dá)50-60m，而LED光源發(fā)光時(shí)屬于四周散發(fā)型，如果直接使用會(huì)導(dǎo)致光能浪費(fèi)嚴(yán)重，地面照度低，所以還需要采用光學(xué)器件對(duì)光束進(jìn)行整形，使其集中照射到場(chǎng)地上，以提高地面照度。

  更高，更亮，更節(jié)能

  目前，我國(guó)已有200多萬(wàn)個(gè)體育場(chǎng)館，相應(yīng)的照明燈具也有數(shù)千萬(wàn)盞。對(duì)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(jié)能。隨著LED燈技術(shù)的發(fā)展，LED燈具在體育場(chǎng)館照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。到目前為止，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)一批新建和改建的體育場(chǎng)館采用了LED燈具。

  新建場(chǎng)館在設(shè)計(jì)之初便可對(duì)照明有整體考慮，但在體育場(chǎng)館照明改造項(xiàng)目中，就沒(méi)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(dāng)?shù)腖ED體育場(chǎng)館燈。在大功率LED體育照明領(lǐng)域，高端市場(chǎng)被國(guó)外幾個(gè)大品牌壟斷，國(guó)內(nèi)LED體育照明企業(yè)主要還是采用SMD集成式光源方案，導(dǎo)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(tǒng)熱管理團(tuán)隊(duì)采用高功率COB光源，利用微槽群相變散熱器研發(fā)了高效可靠、小體積輕量化的千瓦級(jí)LED體育場(chǎng)館燈，解決了高功率密度LED光源散熱難題，打破國(guó)外的技術(shù)壟斷。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)北京冬奧會(huì)場(chǎng)館燈具國(guó)產(chǎn)化，打造中國(guó)制造民族品牌，助力綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)，滿足國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略需求具有重要意義。

  我們期待2022年冬奧會(huì)有更多的體育場(chǎng)館采用LED照明，給觀眾帶來(lái)更好的觀賞體驗(yàn)。