為了節約能源,電源產業不斷提出許多創新方法來提高效率,包括電子到電子的轉換。能量轉換比正在接近物理極限,同時也在鼓勵研究和發明,並實現了以前無法做到或至少是在成本上行不通的應用。在照明領域,新的應用需要電源設計人員探索新的方向,而電子到光子的有效轉換開闢了未來的照明。

1860年,英國發明家Joseph Wilson Swan爵士創造了首個電燈泡概念。接著,1879年,Thomas Edison和他的團隊在經過無數次的嘗試後,改善了碳絲白熾燈並獲得專利,這就是後來被世界各地普遍使用的「愛迪生燈泡」。自那以後,照明產業一直在不斷的發展,從1932年飛利浦(Philips)引進鈉燈,1938年通用電氣(General Electric Company,GE)將螢光燈商業化,到「照明節能」概念的引入,這個領域變得極具創新,也為健康、安全和可持續發展方面的關鍵技術做出了貢獻。

照明領域這一系列驚異的創新,不僅能減少能源的消耗,還使我們的生活變得更加美好,但在大規模應用時,真正的好處並不總是顯而易見。從「如何節省大型體育場照明消耗的3/4的能源,到如何為2050年預計達到100億的人口種植糧食」,能源效率和智慧照明是解決方案的一部分!那麼這又怎麼實現呢?

體育場等場所的固態照明(SSL)

照明市場非常多樣化,但是基於LED的SSL已經追過傳統的燈泡,使得愛迪生燈泡變得過時,SSL同樣也在侵蝕螢光燈市場。SSL提供的可能性不僅為道路、停車場、體育場和舞台等工業應用帶來了照明優勢(圖1),也為城市農業、園藝、水淨化、醫療照明和光療法帶來了這類優勢。

20190606NT31P1 圖1 體育場SSL比傳統照明節能60%以上。(圖片來源:PRBX/iStock)

在電子與光子相遇處,電源設計人員與LED製造商需要密切合作。所謂的「氮化鎵(GaN)照明」就是一個例子,即在電源級使用氮化鎵電晶體,在LED元件內使用矽基氮化鎵製程。雖然這是一件趣事,但它反映了氮化鎵在電源和照明產業中使用的成熟度。作為一名電源設計工程師,關注這兩種技術非常有必要,且可預知這兩種技術結合將帶來巨大的好處。

SSL照明目前在照明市場的某些領域佔據優勢——在這些領域,更換一個燈泡會產生非常高昂的費用,而可能使最終用戶花費的成本超過燈泡本身。例如,燈桿太高可能需要使用升降機才能夠碰到燈具;又例如,在橋上或在隧道中更換燈泡必須要暫停或者改變交通路線,SSL的持久特性可使這些類型的應用受益。此外,SSL比起它們將要替代的典型高壓燈來說,效率會高很多,因此在提供相同亮度時,功耗可以顯著降低,這通常會為最終用戶帶來非常好的投資回報率,同時也會對降低能耗做出很大貢獻。

另一個例子是美國休斯頓的NRG體育場,它在2015年成為第一個使用LED節能燈的專業場館之一。現場照明完全由65,000個LED燈提供,滿載功率情況下消耗337kW。儘管這看上去是個很大的能耗,但它比以前使用傳統體育場照明的系統節省了約60%的電量,預計未來將達到節省75%能耗的目標。儘管節能非常顯著,但這只是SSL技術和高效電源管理相結合實現無限可能的開始。越來越多的大型基礎建設和城市正在用數位控制的SSL替換老舊的照明系統,再加上可再生能源的使用,我們正在接近零排放照明過程(從發電到用電)的神話。

為所有人的食物提供「陽光」

現在世界上大約有76億人口,每年世界人口又以8,300萬的數量增加。到2050年,這個數字將接近100億。為100億人口提供糧食要求農業擁有非常高效的生產模式,同時透過減少有害化學物質生成和最佳化水資源來保護環境。

在最近的一份資料中,世界銀行很好地描繪了世界各地糧食供應的情況和對未來的預期。「到2050年,至少需要多生產50%的糧食才能養活100億人,但是氣候變化會使農作物減產25%以上。土地、生物多樣性、海洋、森林和其他形式的自然資源正以前所未有的速度枯竭,除非改變種植糧食和管理自然資源的方式,否則糧食安全——尤其是對世界上最貧窮的國家而言——將面臨風險。」

考慮到食物生產中的參數和要求對環境的影響,1999年,Dickson Despommier博士和他的學生們提出了現代室內農業的概念,振興了1915年美國地質學家Gilbert Ellis Bailey創造的術語「立體農業」。我們都聽說過它,讀過很多關於將工業建築轉變為立體農場的文章,但是從早期使用螢光燈或鹵素燈到SSL,大量的技術創新有助於最佳化為植物提供的能量,以便實現最佳生長並實現室內農業效益的倍增。從空間利用率來看,與常規農業相比,室內農業每平方公尺生產的食物增加了100倍,而水的使用降低了90%,有害化學物質減少到零,因此非常有吸引力,但要做到真正高效,這種農業需要有非常高效的照明系統(圖2)。

20190606NT31P2 圖2 室內農業使用SSL種植蔬菜。(圖片來源:PRBX/iStock)

不是所有的蔬菜都能在有限的土壤和營養條件下生長,但是對於適用於這種耕作方法的蔬菜來說,效果令人震驚,而當使用電腦控制的現代照明技術(這對電源設計人員來說是一個非常有趣的探索領域),並結合高階電力電子技術和現代農業,以及軟體時,效果則更令人驚嘆。

自此概念引進以來,室內農業工程師進行研究,驗證了不同植物高效生長所需的光譜和能量。從廣光譜螢光燈或鹵素燈到窄光譜燈,傳統照明產業進行了大量的創新,但這些技術的靈活性和效率都不足以滿足需求。

繼2005~2008年在日本進行的實驗後,農藝學研究人員研究了不同的照明方法,調節光譜和能量來適應特定的植物。研究人員得出結論,種植植物和蔬菜的特定光譜通常從450nm(藍光)開始,直到730nm(遠紅外光),如圖3所示。光合光子通量密度(PPFD)要求的範圍從蘑菇的50微摩爾(μmol),到番茄等植物的2,000μmol,以及一些花可以在全日光下茁壯生長(圖4)。農業專家告訴我們,為了達到最佳效果,從幼苗到成熟階段,不同的植物種類可能需要不同的光譜,以及不同的光平衡和強度,而這通常要求人造光源具有許多不同的光譜通道,並且可以單獨調節強度。

20190606NT31P3 圖 3 種植植物和蔬菜的光譜通常從450nm(藍光)開始,直到730nm(遠紅外光)。(資料來源:PRBX)

城市農場正漸漸轉向現代SSL照明,特別是在光源能效穩步增加的時候。這種增效還可降低冷卻成本,因為過高的空氣或土壤溫度會對產量產生負面影響。LED照明使種植者可以僅使用植物所需光譜能量的光(通常為紅色和藍色),而不必提供全光譜照明而浪費掉植物無法利用的大多數光,從而節省能源。這可能使你回想到在小學的時候,曾問老師「為什麼植物是綠色的?」,答案是因為大多數植物不吸收(使用)綠光,因此它反射到眼睛,就使植物看起來是綠色。

20190606NT31P4圖4 不同植物所需光能範圍,從蘑菇的50μmol到強光植物的2,000μmol。(圖片來源:PRBX)

如今,多種LED燈被廣泛應用於蔬菜的高效生長,而將智慧電源整合到LED模組中則可以取得更大的進步。其中一個研究領域是創造具有生長指數監測的微型LED面板,而能夠局部調節光線(1/2m2面積)。這需要提供非常有效的分散式電源解決方案,能夠針對「蔬菜生長」調整所有參數,這裡,電子和光子有了新方向:「為我們及後代提供可持續的食物」。

儘管各會議上發表了大量的文章和論文,但室內農業仍處於起步階段;要求農業生產更多,對環境影響要更小,是發展「城市農業」的重要因素。結合SSL、電源管理和軟體控制的環境等最新技術,將有助於改進現代農民的生產力和工具,為2050年100億人口種植並提供糧食。

這將是所有電源研發工程師的好機會!