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？
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。
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。
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)。
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。
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）
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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