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2050年体育场照明有助于养活100亿人吗?

时间:2019-05-29 作者:Patrick Le Fèvre,Powerbox公司首席市场营销和通讯部专员 阅读:
照明领域这一系列惊异的创新,不仅能减少能源的消耗,还使我们的生活变得更加美好,但在大规模应用时,真正的好处并不总是显而易见。从“如何节省大型体育场照明消耗的3/4的能源,到如何为2050年预计达到100亿的人口种植粮食”,能源效率和智能照明是解决方案的一部分!那么这又怎么实现呢?

为了节约能源,电源行业不断提出许多创新方法来提高效率,包括电子到电子的转换。能量转换比正在接近物理极限,同时也在鼓励研究和发明,并实现了以前无法做到或至少是在成本上行不通的应用。在照明领域,新的应用需要电源设计人员探索新的方向,而电子到光子的有效转换开辟了未来的照明。

1860年,英国发明家Joseph Wilson Swan爵士创造了首个电灯泡概念。继而,1879年,Thomas Edison和他的团队在经过无数次的尝试后,完善了碳丝白炽灯并获得专利,这就是后来被世界各地普遍使用的“爱迪生灯泡”。自那以后,照明行业一直在不断的发展。从1932年飞利浦引进钠灯,1938年通用电气公司将荧光灯商业化,到“照明节能”概念的引入,这个领域变得极具创新,也为健康、安全和可持续发展方面的关键技术做出了贡献。

照明领域这一系列惊异的创新,不仅能减少能源的消耗,还使我们的生活变得更加美好,但在大规模应用时,真正的好处并不总是显而易见。从“如何节省大型体育场照明消耗的3/4的能源,到如何为2050年预计达到100亿的人口种植粮食”,能源效率和智能照明是解决方案的一部分!那么这又怎么实现呢?

体育场等场所的固态照明!

照明市场非常多样化,但是基于LED的固态照明(SSL)已经突破了传统的灯泡,使得爱迪生灯泡变得过时,SSL同样也在侵占荧光灯市场。SSL提供的可能性不仅为道路、停车场、体育场和舞台等工业应用带来了照明优势(图1),也为城市农业、园艺、水净化、医疗照明和光疗法带来了这类优势。

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图1:体育场固态照明比传统照明节能60%以上。(来源:PRBX/iStock)

在电子与光子相遇处,电源设计人员与LED制造商需要密切合作。所谓的“氮化镓(GaN)照明”就是一个例子,即在电源级使用氮化镓晶体管,在LED元件内使用硅基氮化镓工艺。虽然这是一件趣事,但它反映了GaN在电源和照明行业中使用的行业成熟度。作为一名电源设计工程师,关注这两种技术非常有必要,而且可以预知这两种技术结合将会带来巨大的好处。

SSL照明目前在照明市场的某些领域占据优势——在这些领域,更换一个灯泡会产生非常高昂的费用,而可能使最终用户花费的成本超过灯泡本身。例如,灯杆太高可能需要使用升降机才能够到灯具。又例如,在桥上或在隧道中更换灯泡必须要暂停或者改变交通路线。SSL的持久特性可使这些类型的应用受益。此外,SSL比起它们将要替代的典型高压灯来说,效率会高很多,因此在提供相同亮度时,功耗可以显著降低,这通常会为最终用户带来非常好的投资回报率,同时也会对降低能耗做出很大贡献。

另一个例子是美国休斯顿的NRG体育场,它在2015年成为第一个使用LED节能灯的专业场馆之一。现场照明由65000个LED灯全部提供,满功率情况下消耗337kW!尽管这看上去是个很大的能耗,但它比以前使用传统体育场照明的系统节省了约60%的电量,预计未来将达到节省75%能耗的目标。尽管节能非常显著,但这只是SSL技术和高效电源管理相结合实现无限可能的开始。越来越多的大型基础设施和城市正在用数字控制的SSL替换老旧的照明系统,再加上可再生能源的使用,我们正在接近零排放照明过程(从发电到用电)的神话。

为所有人的食物提供照明!

现在世界上大约有76亿人口,每年世界人口又以8300万的数量增加。到2050年,这个数字将接近100亿。为100亿人口提供粮食要求农业拥有非常高效的生产模式,同时通过减少有害化学物质生成和优化水资源来保护环境。

在最近的一份资料中,世界银行很好地描绘了世界各地粮食供应的情况和对未来的预期。“到2050年,至少需要多生产50%的粮食才能养活100亿人。但是气候变化会使农作物减产25%以上。土地、生物多样性、海洋、森林和其他形式的自然资源正以前所未有的速度枯竭。除非我们改变种植粮食和管理自然资源的方式,否则粮食安全——尤其是对世界上最贫穷的国家而言——将面临风险。”

考虑到食物生产中的参数和要求对环境的影响,1999年,Dickson Despommier博士和他的学生们提出了现代室内农业的概念,振兴了1915年美国地质学家Gilbert Ellis Bailey创造的术语“立体农业”。我们都听说过它, 读过很多关于将工业建筑转变为立体农场的文章, 但是从早期使用荧光灯或卤素灯到SSL,大量的技术创新有助于优化为植物提供的能量,以便实现最优生长并实现室内农业效益的倍增。从空间利用率来看,与常规农业相比,室内农业每平方米生产的食物增加了100倍,而水的使用降低了90%,有害化学物质减少到零,因此非常有吸引力,但要做到真正高效,这种农业需要有非常高效的照明系统(图2)。

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图2:室内农业使用固态照明种植蔬菜。(来源:PRBX/iStock)

不是所有的蔬菜都能在有限的土壤和营养条件下生长,但是对于适用于这种耕作方法的蔬菜来说,效果令人震惊,而当使用计算机控制的现代照明技术(这对电源设计人员来说是一个非常有趣的探索领域),并结合高级电力电子技术和现代农业以及软件时,效果则更令人震惊。

自此概念引进以来,室内农业工程师进行研究,验证了不同植物高效生长所需的光谱和能量。从广谱荧光灯或卤素灯到窄谱灯,传统照明行业进行了大量的创新,但这些技术的灵活性和效率都不足以满足需求。

继2005-2008年在日本进行的实验后,农艺学研究人员研究了不同的照明方法,调节光谱和能量来适应特定的植物。研究人员得出结论,种植植物和蔬菜的特定光谱通常从450nm(蓝光)开始,直到730nm(远红光)(图3)。光合光子通量密度(PPFD)要求的范围从蘑菇的50微摩尔(μmol),到番茄等植物的2000μmol,以及一些花可以在全日光下茁壮生长(图4)。农业专家告诉我们,为了达到最佳效果,从幼苗到成熟阶段,不同的植物种类可能需要不同的光谱,以及不同的光平衡和强度。这通常要求人造光具有许多不同的光谱通道,并且可以单独调节强度。

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图 3:种植植物和蔬菜的光谱通常从450nm(蓝光)开始,直到730nm(远红光)。(来源:PRBX)

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图4:不同植物所需光能范围,从蘑菇的50微摩尔(μmol)到强光植物的2000μmol。(来源:PRBX)

城市农场正渐渐转向现代SSL照明,特别是在光源能效稳步增加的时候。这种增效还可降低冷却成本,因为过高的空气或土壤温度会对产量产生负面影响。LED照明使种植者可以仅使用植物所需光谱能量的光(通常为红色和蓝色),而不必提供全光谱照明而浪费掉植物无法利用的大多数光,从而节省能源。这可能使你回想到你在小学的时候,问老师“为什么植物是绿色的?”(如果你从未问过这个问题,那告诉你答案是因为大多数植物不吸收(使用)绿光,因此它反射到你的眼睛,就使植物看起来是绿色。)

如今,多种LED灯被广泛应用于蔬菜的高效生长,而将智能电源集成到LED模块中则可以取得更大的进步。其中一个研究领域是创造具有生长指数监测的微型LED面板,而能够局部调节光线(1/2m2面积)。这需要提供非常有效的分布式电源解决方案,能够针对“蔬菜生长”调整所有参数。这里,电子和光子有了新方向:“为我们及后代提供可持续的食物”。

尽管各会议上发表了大量的文章和论文,但室内农业仍处于起步阶段;要求农业生产更多,对环境影响又更小,是发展“城市农业”的重要因素。结合SSL、电源管理和软件控制的环境等最新技术,将有助于改进现代农民的生产力和工具,为2050年100亿人口种植粮食。

这是所有电源研发工程师的好机遇!

本文为《电子技术设计》2019年6月刊杂志文章。

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