體育場(chǎng)照明能否在 2050 年養(yǎng)活 100 億人？

隨著節(jié)能的迫切需求，電力行業(yè)不斷創(chuàng)新了許多提高效率的方法，包括我們將電子轉(zhuǎn)換為電子的方式。功率轉(zhuǎn)換率正在接近物理極限，激發(fā)研究和發(fā)明的活力，并使迄今為止不可能或至少不具有成本效益的應(yīng)用成為可能。在照明領(lǐng)域，新的應(yīng)用要求電源設(shè)計(jì)人員探索一個(gè)新的維度，即從電子到光子的高效轉(zhuǎn)換，這創(chuàng)造了未來(lái)的照明。

自從 1860 年英國(guó)發(fā)明家約瑟夫·威爾遜·斯旺爵士創(chuàng)造了第一個(gè)電燈泡概念，隨后托馬斯·愛(ài)迪生及其團(tuán)隊(duì)在 1879 年經(jīng)過(guò)多次嘗試和隨后而無(wú)處不在的“愛(ài)迪生”申請(qǐng)專利并完善了碳絲白熾燈燈泡”在世界各地使用，照明行業(yè)一直在不斷發(fā)展。從 1932 年飛利浦推出的鈉燈和 1938 年通用電氣將熒光燈商業(yè)化，再到引入“照明節(jié)能”，這一細(xì)分市場(chǎng)一直非常具有創(chuàng)新性，但也為健康領(lǐng)域的重要技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。 、安全性和可持續(xù)性。

照明創(chuàng)新的大量涌入有助于改善我們的生活，同時(shí)減少能源消耗，但在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，真正的好處并不總是顯而易見(jiàn)的。來(lái)自：“如何節(jié)省四分之三的能源用于照亮巨大的體育場(chǎng)館，到如何為 2050 年預(yù)計(jì)的 100 億人種植糧食”，節(jié)能和智能照明正在參與解決！這怎么可能？

體育場(chǎng)上的固態(tài)照明等等！

照明細(xì)分市場(chǎng)非常多樣化，但基于 LED 的固態(tài)照明 (SSL) 已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的燈泡，使愛(ài)迪生燈泡有效地過(guò)時(shí)，現(xiàn)在它們正在侵犯熒光燈。以及。SSL 提供的可能性還為工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了照明優(yōu)勢(shì)，例如道路和停車場(chǎng)、體育場(chǎng)和舞臺(tái)，以及城市農(nóng)業(yè)、園藝、水凈化、醫(yī)療照明和光療。

在電子與光子相遇的地方，電源設(shè)計(jì)人員需要與 LED 制造商密切合作。一個(gè)例子是所謂的“GaN（氮化鎵）照明”，在功率級(jí)使用 GaN 晶體管，在 LED 元件中使用 GaN-on-Silicon。雖然是軼事，但它反映了 GaN 在電源和照明行業(yè)使用的工業(yè)成熟度。作為電源設(shè)計(jì)師，遵循這兩種技術(shù)非常有趣，我預(yù)見(jiàn)到這種關(guān)聯(lián)會(huì)帶來(lái)巨大的好處。

SSL 照明目前在照明市場(chǎng)的某些領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，在這些領(lǐng)域，更換燈泡的成本非常昂貴，最終用戶的成本可能超過(guò)燈本身。需要叉車才能到達(dá)照明設(shè)備的高桿上的燈就是一個(gè)例子。必須在橋上或隧道中停止或重新路由交通是另一個(gè)例子。這些類型的應(yīng)用程序受益于非常持久的 SSL。此外，SSL 比它們正在取代的典型高壓燈效率高得多，因此提供相同級(jí)別光的功耗顯著降低，通常為最終用戶帶來(lái)非常好的投資回報(bào)率，而且對(duì)減少能源消耗。

一個(gè)例子是休斯頓的 NRG 體育場(chǎng)（美國(guó)），它于 2015 年成為首批使用節(jié)能 LED 燈的專業(yè)場(chǎng)館之一。該場(chǎng)地完全由 65.000 顆 LED 燈照亮，全功率時(shí)為 337 千瓦！盡管與之前使用傳統(tǒng)體育場(chǎng)照明的系統(tǒng)相比，它的能源消耗量減少了約 60%，但似乎功率很大，我們預(yù)計(jì)未來(lái)的技術(shù)將節(jié)省更多能源，目標(biāo)是節(jié)省 75%。節(jié)省的能源是顯著的，但這只是結(jié)合 SSL 技術(shù)和高效電源管理的開(kāi)始。越來(lái)越多的大型基礎(chǔ)設(shè)施和城市正在改造他們的照明系統(tǒng)，以支持?jǐn)?shù)字控制的 SSL，并且結(jié)合可再生能源，我們正在接近神話般的零排放照明圈（從發(fā)電到使用）。

照亮所有人的食物！

目前，世界上大約有 76 億人口，每年世界人口增加 8300 萬(wàn)。到 2050 年，將僅剩 100 億。為 100 億人提供食物需要農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)非常高效的生產(chǎn)流程，同時(shí)通過(guò)減少危險(xiǎn)化學(xué)品和優(yōu)化水資源利用來(lái)保護(hù)環(huán)境。

在最近的一次通訊中，世界銀行很好地描繪了世界各地糧食供應(yīng)的情況以及預(yù)期的未來(lái)?！暗?2050 年，世界需要生產(chǎn)至少 50% 的糧食來(lái)養(yǎng)活 100 億人。但氣候變化可能會(huì)使作物產(chǎn)量減少 25% 以上。土地、生物多樣性、海洋、森林和其他形式的自然資本正以前所未有的速度枯竭。除非我們改變我們種植糧食和管理自然資本的方式，否則糧食安全——尤其是對(duì)世界上最貧困的人——將面臨風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

考慮到生產(chǎn)最尊重環(huán)境的食物的所有參數(shù)和要求，1999 年，Dickson Despommier 博士和他的學(xué)生提出了現(xiàn)代室內(nèi)農(nóng)業(yè)的想法，重振了美國(guó)地質(zhì)學(xué)家 Gilbert Ellis Bailey 于 1915 年創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)： “垂直農(nóng)業(yè)?！?我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，閱讀了很多關(guān)于將工業(yè)建筑改造成垂直農(nóng)場(chǎng)的文章，但是從早期使用熒光燈或鹵素?zé)粽彰鞯?SSL，有大量的技術(shù)創(chuàng)新有助于優(yōu)化輸送到工廠的能源室內(nèi)養(yǎng)殖倍數(shù)的最佳生長(zhǎng)和效益。從空間利用率，平方米生產(chǎn)的糧食比普通農(nóng)業(yè)多 100 倍，減少 90% 的水資源利用率和無(wú)危險(xiǎn)化學(xué)品，

并非所有蔬菜都可以通過(guò)浸漬法在有限的土壤和營(yíng)養(yǎng)條件下生長(zhǎng)，但對(duì)于適用這種耕作方法的蔬菜，結(jié)果令人印象深刻，并且在使用計(jì)算機(jī)控制的現(xiàn)代照明技術(shù)時(shí)效果更佳，這對(duì)電力設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有趣的領(lǐng)域探索，結(jié)合先進(jìn)的電力電子和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，同時(shí)考慮軟件。

自推出以來(lái)，室內(nèi)農(nóng)業(yè)工程師進(jìn)行了研究，以驗(yàn)證不同植物有效生長(zhǎng)所需的光譜和能量。從寬光譜熒光燈或鹵素?zé)舻礁庾V，傳統(tǒng)照明行業(yè)進(jìn)行了大量創(chuàng)新，但這些技術(shù)不夠靈活，效率也不足以應(yīng)對(duì)需求。

圖 3：種植植物和蔬菜的光譜通常從 450 nm（藍(lán)光）開(kāi)始，經(jīng)過(guò) 730 nm（遠(yuǎn)紅光）

繼 2005-2008 年在日本進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)之后，農(nóng)藝研究人員研究了不同的照明方法，以調(diào)整特定植物的光譜和能量。研究人員得出結(jié)論，種植植物和蔬菜的特定光譜通常從 450 nm（藍(lán)光）開(kāi)始，經(jīng)過(guò) 730 nm（遠(yuǎn)紅光）（圖 3）。所需的光合光子通量密度 (PPFD) 范圍從蘑菇的 50 微摩爾 (μmol) 到番茄等植物和一些在夏季充足光照下茁壯成長(zhǎng)的花朵的 2,000 微摩爾 (圖 4)。農(nóng)業(yè)專家告訴我們，為了獲得最佳結(jié)果，不同的植物類型可能需要不同的光譜以及從幼苗到收獲階段之間不同的光平衡和強(qiáng)度。

圖 4：所需的光能范圍從蘑菇的 50 微摩爾 (μmol) 到光密集型植物的 2.000 微摩爾

城市農(nóng)場(chǎng)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向現(xiàn)代 SSL 照明，特別是隨著每瓦功率的光能數(shù)量穩(wěn)步增加。由于空氣或土壤溫度過(guò)高會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響，因此這種提高的功效還降低了冷卻成本。LED 照明允許種植者使用僅消耗植物所需光譜能量的燈，通常是紅色和藍(lán)色，從而節(jié)省能源，而不必提供大部分光不被植物使用的全光譜照明。這可以追溯到你在小學(xué)時(shí)問(wèn)老師“為什么植物是綠色的？” （如果您從未問(wèn)過(guò)，答案是因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物不吸收（使用）綠光，因此它會(huì)反射回您的眼睛，使植物看起來(lái)是綠色的。）。

如今，多個(gè) LED 燈通常用于高效節(jié)能的蔬菜種植，但通過(guò)在 LED 模塊中集成智能電源可以取得更多進(jìn)展。研究領(lǐng)域之一是創(chuàng)建具有生長(zhǎng)指數(shù)監(jiān)測(cè)功能的微型 LED 面板，能夠局部調(diào)節(jié)光線（1/2 平方米面積）。這將需要一種非常高效的分布式電源解決方案，能夠?qū)⑺袇?shù)調(diào)整為“蔬菜生長(zhǎng)”。在這里，電子和光子達(dá)到了一個(gè)新的維度，“為子孫后代提供可持續(xù)的食物。”

盡管會(huì)議上發(fā)表了大量文章和論文，但室內(nèi)農(nóng)業(yè)仍處于起步階段，盡管要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更多、對(duì)環(huán)境影響更小的需求是“城市農(nóng)業(yè)”發(fā)展的重要因素。結(jié)合 SSL、電源管理、軟件控制環(huán)境中的最新技術(shù)，將有助于提高現(xiàn)代農(nóng)民的生產(chǎn)力和工具，為 2050 年 100 億人種植糧食。

審核編輯 黃昊宇