想不到吧,科学家用这种方式照亮鸟巢

来源:中国科普博览发布时间:2020-10-28

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

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