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        科普與教育

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        想不到吧,科學家用這種方式照亮鳥巢

        發布日前: 2020-10-21 瀏覽次數:4419

        出品:科普中國

        制作:陳勁濤、陳琳

        監制:中國科學院計算機網絡信息中心

         

        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?

         

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        圖片來源:Veer圖庫

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        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。

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        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。

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        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。

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        圖片來源:百度百科

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        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??偟膩碚f,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。

         

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        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。

         

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        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。

         

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        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。

         

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        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。

         

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        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。

        中國科學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。

         

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        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

         

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