介绍鸟巢新照明方式：LED灯照亮体育殿堂
出品科普中国
作者：陈劲涛、陈琳
监制：中国科学院计算机信息中心
你曾思考过如何照亮一个庞大的鸟巢中国国家体育场吗？为了保证观众能享受到绝佳的观赛体验，同时满足比赛精彩瞬间的记录需求，体育场馆的照明系统必须具备高亮度及高效能。让我们一同这一领域的革新。
当谈及鸟巢的照明，很多人首先会想到庞大的LED灯。我们所指的鸟巢并非真正意义上的鸟类巢穴，而是指如诗如画的国家体育场。为了满足体育比赛的高亮度要求，照明系统至关重要。那么，是如何实现的呢？
让我们从理解“亮”的概念开始。在现实生活中，“亮”是一种主观感受，需要引入光通量和光照强度来量化。光通量代表光源发光的总量，单位是流明（lm）。而照度则是光通量除以面积得到的，反映被照表面的照明程度，单位是勒克斯（lux）。体育比赛要求场地上平均照度达到2000lux以上，以确保运动员和足球清晰可见。
传统的体育场馆多采用金卤灯进行照明，功率高达1000-2000W。虽然满足了照明需求，但其高耗电量成为了一大问题。以鸟巢为例，其照明系统使用了594盏2000W的金卤灯，每小时耗电高达1188度。除此之外，金卤灯的点亮时间长，一旦断电，可能需要长达十几分钟的冷却时间，这在电视转播中是绝对不允许的。
那么，有没有一种灯具能够既节能又实现高照度，且能瞬时点亮呢？答案就是LED灯。LED灯是一种利用半导体PN结将电能转化为光能的高效器件。在外加电场的作用下，空穴和电子在PN结发生复合，多余的能量以光的形式释放，从而发光。因其高效的能量转化和较长的使用寿命，LED灯成为了体育场馆照明的理想选择。
单颗LED芯片尺寸微小，仅有1mm见方，功率也仅有1W左右。为了使其达到500W甚至1000W的超大功率，需要进行封装。目前主要有两种封装方式：表面贴装（D）和板上芯片（COB）。D方式是对单颗LED芯片进行独立封装，再集成到PCB板上。而COB封装则是将多颗LED芯片直接固定在小尺寸光源基板上，形成大功率LED灯。
尽管D方式可以根据灯具外形进行灵活设计，但其存在多个发光点，可能会产生重影。相比之下，COB封装方式得到的大功率LED光源具有高功率密度，更适合大型体育场馆的照明需求。未来，随着科技的进步，我们期待更高效的照明方式照亮体育殿堂，也照亮我们的生活。以西铁城光源为例，其500W的光源尺寸仅达到小巧的38mm×38mm，堪称微型光源中的佼佼者。相较于传统的D光源模组，COB光源犹如一颗璀璨的点星，其照明无重影，光能更为集中，同时灯的具体积和重量也得到了显著减轻。
正如我们常说的“一个好汉三个帮”，LED光源虽然核心，但无法独自点亮。完整的LED灯还需要其他部件的配合。LED芯片作为半导体材料，不能直接使用普通的220V交流电。这就需要一个直流电源，如同电流的桥梁，将交流电转化为LED芯片能接受的直流电。
LED芯片的工作温度有着严格的要求，必须在特定的温度范围内运行，一般要求PN结温度低于140摄氏度。温度过高可能会导致灯具寿命大幅缩短或直接烧坏LED光源。散热器成为了关键，它负责将LED光源产生的热量迅速散发出去。目前市场上的散热器主要有两种：型材散热器和相变散热器。
型材散热器结构简单，价格亲民。它主要依靠材料自身的热传导来散热，适合小功率和低功率密度的LED光源。而相变散热器则具有更出色的散热性能。其内部工质会发生相变，通过液体汽化吸热带走热量，具有快速取热、低热阻以及良好的整体均温性，更适合大功率密度的LED光源。
有了光源、电源和散热器，便可以组装成一盏能够点亮的LED灯。但这只是半成品，因为对于工业产品而言，外观同样至关重要。在体育场馆中，LED灯的安装高度往往达到50-60米。LED光源的光线四周散发，若直接使用可能导致光能浪费严重，地面照度不足。需要借助光学器件对光束进行整形，使其能够集中照射到场地，提高地面照度。
对于体育场馆的照明，我们追求更高、更亮、更节能的目标。在我国，已有超过200万个体育场馆，相应的照明灯具需求巨大。随着LED灯技术的发展，越来越多的LED灯具被应用于体育场馆照明领域。一些新建和改建的体育场馆已经采用了LED灯具，它们在保证高照度、高均匀度和高光源显色性的也实现了更高的节能效果。
在体育场馆照明改造项目中，尽管灯具的安装位置、空间和建筑承重已经固定，但科学家们依然在努力研发体积更小、重量更轻的LED体育场馆灯。以中科院工程热物理研究所为例，他们采用高功率COB光源和微槽群相变散热器技术，成功研发出高效可靠、小体积的千瓦级LED体育场馆灯，解决了高功率密度LED光源的散热难题，打破了国外技术的垄断。这一技术在北京冬奥会场馆灯具的国产化中发挥了重要作用，展现了中国制造的民族品牌实力，满足了绿色奥运、科技奥运的国家发展战略需求。
我们期待更多的体育场馆采用LED照明技术，为观众带来更好的观赏体验。“鸟巢”这一灵感来源于自然的神奇构造的建筑物也让我们想到了科学家的另一伟大发明鸟巢的灵感来源。五月天的演唱会彩虹照亮北京鸟巢的景象更是科技与艺术的完美结合。让我们共同期待更多的科技创新与艺术的融合，点亮我们的世界！
