體育場照明能否在 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，包括我們將電子轉換為電子的方式。功率轉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用成為可能。在照明領域，新的應用要求電源設計人員探索一個新的維度，即從電子到光子的高效轉換，這創(chuàng)造了未來的照明。

自從 1860 年英國發(fā)明家約瑟夫·威爾遜·斯旺爵士創(chuàng)造了第一個電燈泡概念，隨后托馬斯·愛迪生及其團隊在 1879 年經過多次嘗試和隨后而無處不在的“愛迪生”申請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”，這一細分市場一直非常具有創(chuàng)新性，但也為健康領域的重要技術的發(fā)展做出了貢獻。 、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，同時減少能源消耗，但在大規(guī)模應用時，真正的好處并不總是顯而易見的。來自：“如何節(jié)省四分之三的能源用于照亮巨大的體育場館，到如何為 2050 年預計的 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？

體育場上的固態(tài)照明等等！

照明細分市場非常多樣化，但基于 LED 的固態(tài)照明 (SSL) 已經打破了傳統(tǒng)的燈泡，使愛迪生燈泡有效地過時，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)應用帶來了照明優(yōu)勢，例如道路和停車場、體育場和舞臺，以及城市農業(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，電源設計人員需要與 LED 制造商密切合作。一個例子是所謂的“GaN（氮化鎵）照明”，在功率級使用 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。作為電源設計師，遵循這兩種技術非常有趣，我預見到這種關聯(lián)會帶來巨大的好處。

SSL 照明目前在照明市場的某些領域占據(jù)主導地位，在這些領域，更換燈泡的成本非常昂貴，最終用戶的成本可能超過燈本身。需要叉車才能到達照明設備的高桿上的燈就是一個例子。必須在橋上或隧道中停止或重新路由交通是另一個例子。這些類型的應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，因此提供相同級別光的功耗顯著降低，通常為最終用戶帶來非常好的投資回報率，而且對減少能源消耗。

一個例子是休斯頓的 NRG 體育場（美國），它于 2015 年成為首批使用節(jié)能 LED 燈的專業(yè)場館之一。該場地完全由 65.000 顆 LED 燈照亮，全功率時為 337 千瓦！盡管與之前使用傳統(tǒng)體育場照明的系統(tǒng)相比，它的能源消耗量減少了約 60%，但似乎功率很大，我們預計未來的技術將節(jié)省更多能源，目標是節(jié)省 75%。節(jié)省的能源是顯著的，但這只是結合 SSL 技術和高效電源管理的開始。越來越多的大型基礎設施和城市正在改造他們的照明系統(tǒng)，以支持數(shù)字控制的 SSL，并且結合可再生能源，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。到 2050 年，將僅剩 100 億。為 100 億人提供食物需要農業(yè)開發(fā)非常高效的生產流程，同時通過減少危險化學品和優(yōu)化水資源利用來保護環(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的情況以及預期的未來。“到 2050 年，世界需要生產至少 50% 的糧食來養(yǎng)活 100 億人。但氣候變化可能會使作物產量減少 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——尤其是對世界上最貧困的人——將面臨風險?！?/p>

考慮到生產最尊重環(huán)境的食物的所有參數(shù)和要求，1999 年，Dickson Despommier 博士和他的學生提出了現(xiàn)代室內農業(yè)的想法，重振了美國地質學家 Gilbert Ellis Bailey 于 1915 年創(chuàng)造的術語： “垂直農業(yè)。” 我們都聽說過，閱讀了很多關于將工業(yè)建筑改造成垂直農場的文章，但是從早期使用熒光燈或鹵素燈照明到 SSL，有大量的技術創(chuàng)新有助于優(yōu)化輸送到工廠的能源室內養(yǎng)殖倍數(shù)的最佳生長和效益。從空間利用率，平方米生產的糧食比普通農業(yè)多 100 倍，減少 90% 的水資源利用率和無危險化學品，

并非所有蔬菜都可以通過浸漬法在有限的土壤和營養(yǎng)條件下生長，但對于適用這種耕作方法的蔬菜，結果令人印象深刻，并且在使用計算機控制的現(xiàn)代照明技術時效果更佳，這對電力設計師來說是一個非常有趣的領域探索，結合先進的電力電子和現(xiàn)代農業(yè)，同時考慮軟件。

自推出以來，室內農業(yè)工程師進行了研究，以驗證不同植物有效生長所需的光譜和能量。從寬光譜熒光燈或鹵素燈到更窄光譜，傳統(tǒng)照明行業(yè)進行了大量創(chuàng)新，但這些技術不夠靈活，效率也不足以應對需求。

圖 3：種植植物和蔬菜的光譜通常從 450 nm（藍光）開始，經過 730 nm（遠紅光）

繼 2005-2008 年在日本進行的實驗之后，農藝研究人員研究了不同的照明方法，以調整特定植物的光譜和能量。研究人員得出結論，種植植物和蔬菜的特定光譜通常從 450 nm（藍光）開始，經過 730 nm（遠紅光）（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的花朵的 2,000 微摩爾 (圖 4)。農業(yè)專家告訴我們，為了獲得最佳結果，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

城市農場越來越多地轉向現(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高會對農產品產量產生負面影響，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時問老師“為什么植物是綠色的？” （如果您從未問過，答案是因為大多數(shù)植物不吸收（使用）綠光，因此它會反射回您的眼睛，使植物看起來是綠色的。）。

如今，多個 LED 燈通常用于高效節(jié)能的蔬菜種植，但通過在 LED 模塊中集成智能電源可以取得更多進展。研究領域之一是創(chuàng)建具有生長指數(shù)監(jiān)測功能的微型 LED 面板，能夠局部調節(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，能夠將所有參數(shù)調整為“蔬菜生長”。在這里，電子和光子達到了一個新的維度，“為子孫后代提供可持續(xù)的食物。”

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

審核編輯 黃昊宇