体育场照明能否在 2050 年养活 100 亿人？

随着节能的迫切需求，电力行业不断创新了许多提高效率的方法，包括我们将电子转换为电子的方式。功率转换率正在接近物理极限，激发研究和发明的活力，并使迄今为止不可能或至少不具有成本效益的应用成为可能。在照明领域，新的应用要求电源设计人员探索一个新的维度，即从电子到光子的高效转换，这创造了未来的照明。

自从 1860 年英国发明家约瑟夫·威尔逊·斯旺爵士创造了第一个电灯泡概念，随后托马斯·爱迪生及其团队在 1879 年经过多次尝试和随后而无处不在的“爱迪生”申请专利并完善了碳丝白炽灯灯泡”在世界各地使用，照明行业一直在不断发展。从 1932 年飞利浦推出的钠灯和 1938 年通用电气将荧光灯商业化，再到引入“照明节能”，这一细分市场一直非常具有创新性，但也为健康领域的重要技术的发展做出了贡献。 、安全性和可持续性。

照明创新的大量涌入有助于改善我们的生活，同时减少能源消耗，但在大规模应用时，真正的好处并不总是显而易见的。来自：“如何节省四分之三的能源用于照亮巨大的体育场馆，到如何为 2050 年预计的 100 亿人种植粮食”，节能和智能照明正在参与解决！这怎么可能？

体育场上的固态照明等等！

照明细分市场非常多样化，但基于 LED 的固态照明 (SSL) 已经打破了传统的灯泡，使爱迪生灯泡有效地过时，现在它们正在侵犯荧光灯。以及。SSL 提供的可能性还为工业应用带来了照明优势，例如道路和停车场、体育场和舞台，以及城市农业、园艺、水净化、医疗照明和光疗。

在电子与光子相遇的地方，电源设计人员需要与 LED 制造商密切合作。一个例子是所谓的“GaN（氮化镓）照明”，在功率级使用 GaN 晶体管，在 LED 元件中使用 GaN-on-Silicon。虽然是轶事，但它反映了 GaN 在电源和照明行业使用的工业成熟度。作为电源设计师，遵循这两种技术非常有趣，我预见到这种关联会带来巨大的好处。

SSL 照明目前在照明市场的某些领域占据主导地位，在这些领域，更换灯泡的成本非常昂贵，最终用户的成本可能超过灯本身。需要叉车才能到达照明设备的高杆上的灯就是一个例子。必须在桥上或隧道中停止或重新路由交通是另一个例子。这些类型的应用程序受益于非常持久的 SSL。此外，SSL 比它们正在取代的典型高压灯效率高得多，因此提供相同级别光的功耗显着降低，通常为最终用户带来非常好的投资回报率，而且对减少能源消耗。

一个例子是休斯顿的 NRG 体育场（美国），它于 2015 年成为首批使用节能 LED 灯的专业场馆之一。该场地完全由 65.000 颗 LED 灯照亮，全功率时为 337 千瓦！尽管与之前使用传统体育场照明的系统相比，它的能源消耗量减少了约 60%，但似乎功率很大，我们预计未来的技术将节省更多能源，目标是节省 75%。节省的能源是显着的，但这只是结合 SSL 技术和高效电源管理的开始。越来越多的大型基础设施和城市正在改造他们的照明系统，以支持数字控制的 SSL，并且结合可再生能源，我们正在接近神话般的零排放照明圈（从发电到使用）。

照亮所有人的食物！

目前，世界上大约有 76 亿人口，每年世界人口增加 8300 万。到 2050 年，将仅剩 100 亿。为 100 亿人提供食物需要农业开发非常高效的生产流程，同时通过减少危险化学品和优化水资源利用来保护环境。

在最近的一次通讯中，世界银行很好地描绘了世界各地粮食供应的情况以及预期的未来。“到 2050 年，世界需要生产至少 50% 的粮食来养活 100 亿人。但气候变化可能会使作物产量减少 25% 以上。土地、生物多样性、海洋、森林和其他形式的自然资本正以前所未有的速度枯竭。除非我们改变我们种植粮食和管理自然资本的方式，否则粮食安全——尤其是对世界上最贫困的人——将面临风险。”

考虑到生产最尊重环境的食物的所有参数和要求，1999 年，Dickson Despommier 博士和他的学生提出了现代室内农业的想法，重振了美国地质学家 Gilbert Ellis Bailey 于 1915 年创造的术语： “垂直农业。” 我们都听说过，阅读了很多关于将工业建筑改造成垂直农场的文章，但是从早期使用荧光灯或卤素灯照明到 SSL，有大量的技术创新有助于优化输送到工厂的能源室内养殖倍数的最佳生长和效益。从空间利用率，平方米生产的粮食比普通农业多 100 倍，减少 90% 的水资源利用率和无危险化学品，

并非所有蔬菜都可以通过浸渍法在有限的土壤和营养条件下生长，但对于适用这种耕作方法的蔬菜，结果令人印象深刻，并且在使用计算机控制的现代照明技术时效果更佳，这对电力设计师来说是一个非常有趣的领域探索，结合先进的电力电子和现代农业，同时考虑软件。

自推出以来，室内农业工程师进行了研究，以验证不同植物有效生长所需的光谱和能量。从宽光谱荧光灯或卤素灯到更窄光谱，传统照明行业进行了大量创新，但这些技术不够灵活，效率也不足以应对需求。

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

继 2005-2008 年在日本进行的实验之后，农艺研究人员研究了不同的照明方法，以调整特定植物的光谱和能量。研究人员得出结论，种植植物和蔬菜的特定光谱通常从 450 nm（蓝光）开始，经过 730 nm（远红光）（图 3）。所需的光合光子通量密度 (PPFD) 范围从蘑菇的 50 微摩尔 (μmol) 到番茄等植物和一些在夏季充足光照下茁壮成长的花朵的 2,000 微摩尔 (图 4)。农业专家告诉我们，为了获得最佳结果，不同的植物类型可能需要不同的光谱以及从幼苗到收获阶段之间不同的光平衡和强度。

图 4：所需的光能范围从蘑菇的 50 微摩尔 (µmol) 到光密集型植物的 2.000 微摩尔

城市农场越来越多地转向现代 SSL 照明，特别是随着每瓦功率的光能数量稳步增加。由于空气或土壤温度过高会对农产品产量产生负面影响，因此这种提高的功效还降低了冷却成本。LED 照明允许种植者使用仅消耗植物所需光谱能量的灯，通常是红色和蓝色，从而节省能源，而不必提供大部分光不被植物使用的全光谱照明。这可以追溯到你在小学时问老师“为什么植物是绿色的？” （如果您从未问过，答案是因为大多数植物不吸收（使用）绿光，因此它会反射回您的眼睛，使植物看起来是绿色的。）。

如今，多个 LED 灯通常用于高效节能的蔬菜种植，但通过在 LED 模块中集成智能电源可以取得更多进展。研究领域之一是创建具有生长指数监测功能的微型 LED 面板，能够局部调节光线（1/2 平方米面积）。这将需要一种非常高效的分布式电源解决方案，能够将所有参数调整为“蔬菜生长”。在这里，电子和光子达到了一个新的维度，“为子孙后代提供可持续的食物。”

尽管会议上发表了大量文章和论文，但室内农业仍处于起步阶段，尽管要求农业生产更多、对环境影响更小的需求是“城市农业”发展的重要因素。结合 SSL、电源管理、软件控制环境中的最新技术，将有助于提高现代农民的生产力和工具，为 2050 年 100 亿人种植粮食。

审核编辑 黄昊宇