Figura 1: Iluminarea stadioanelor cu dispozitive bazate pe semiconductoare economisește mai mult de 60% din energie, comparativ cu iluminarea convențională (sursa: PRBX / iStock).
Odată cu necesitatea vitală de a economisi energie, industria de putere a inovat permanent numeroase căi de a crește randamentul, inclusiv prin modul în care convertim electron în electron. Rapoartele de conversie de putere se apropie de limitele fizice, asigurând energie cercetărilor și invențiilor, permițând aplicații ce au fost până acum imposibile sau cel puțin neviabile din punct de vedere al costurilor. În domeniul iluminării, noile aplicații necesită ca proiectanții să exploreze noi dimensiuni, conversia eficientă de la electron la proton, care a creat iluminarea viitorului.
Încă din 1860, atunci când inventatorul englez Sir Joseph Wilson Swan a creat primul concept de bec electric, urmat apoi de Thomas Edison și echipa sa în 1879 care au patentat și perfecționat becul cu incandescență cu fir de carbon după multe, multe încercări și ulterior și mai târziu omniprezentul “bec Edison” folosit în întreaga lume, industria dispozitivelor de iluminare a evoluat continuu.
De la becurile cu vapori de sodiu lansate de Philips în 1932 și comercializarea becurilor fluorescente de către General Electrics în 1938, până la introducerea “economiei energetice în iluminare” acest segment a fost foarte inovativ, dar a contribuit deopotrivă la dezvoltarea de tehnologii vitale în sănătate, siguranță și sustenabilitate.
Abundența uimitoare de inovații în domeniul iluminării, a contribuit la îmbunătățirea vieților noastre, reducând în același timp consumul de energie, dar avantajele reale nu sunt întotdeauna evidente când se aplică la scară foarte mare. De la: “cum să economisim trei sferturi din energia consumată pentru iluminarea unor stadioane gigante la cum să se obțină produse alimentare pentru cei 10 miliarde de oameni estimați în 2050”, iluminarea inteligentă și eficientă energetic este o parte din soluție! Cum poate fi posibil acest lucru?
Iluminarea unui stadion cu soluții semiconductoare și multe altele!
Segmentul pieței cu privire la iluminare este foarte diversificat, dar SSL-urile (dispozitivele de iluminare cu semiconductoare) bazate pe LED-uri au spart balonul iluminării convenționale făcând ca becul Edison să fie învechit, învingând acum deopotrivă și iluminarea cu fluorescență. Posibilitățile oferite de SSL aduc, de asemenea, avantaje și în aplicații industriale precum iluminare drumuri, parcări și scene (figura 1), dar și pentru ferme urbane, horticultură, purificare apă, iluminare medicală și terapie cu lumină.
Acolo unde electronii întâlnesc fotonii, este nevoie ca proiectanții de sisteme de alimentare să lucreze îndeaproape cu producătorii de LED-uri.
Figura 2: Iluminare cu SSL pentru creșterea legumelor în ferme interioare (sursa: PRBX / iStock).
Un exemplu este așa numita “Iluminare GaN” utilizând tranzistoare cu nitrură de galiu în etajul de putere și GaN-pe-siliciu în elementul LED. Deși, anecdotic, el reflectă maturitatea industrială a utilizării GaN în industriile sistemelor de alimentare și iluminare. Ca proiectant de putere este foarte interesant de urmărit ambele tehnologii și văd avantaje uriașe în această asociație.
Iluminarea SSL domină curent unele segmente ale pieței de iluminare unde costul înlocuirii unui bec este exagerat de mare și poate costa utilizatorul final mai mult decât lumina în sine. Un exemplu poate fi acela al sistemelor de iluminare cu stâlpi înalți unde doar pentru a ajunge la sistem este nevoie de un camion ridicător. Necesitatea de a opri traficul pe un pod sau într-un tunel poate fi un alt exemplu. Pentru aceste tipuri de aplicații este foarte avantajoasă utilizarea de SSL-uri cu durată mare de funcționare.
Suplimentar, SSL-urile sunt mult mai eficiente față de dispozitivele de iluminare cu înaltă presiune pe care le înlocuiesc, deoarece consumul energetic pentru același nivel de lumină este notabil mai redus, adesea conducând la un ROI (amortizarea investiției) foarte bun pentru utilizatorul final, dar și la o contribuție ridicată la reducerea consumului energetic.Un exemplu este stadionul NRG din Houston (S.U.A.), care în 2015 a devenit unul dintre primele locuri profesionale ce utilizau iluminare cu LED-uri eficientă energetic.
Terenul era iluminat exclusiv cu ajutorul a 65,000 de LED-uri, cu un consum total de 337 kilowatt!
Pare a fi vorba despre multă energie, deși este cu aproximativ 60% mai puțină energie față de sistemele convenționale utilizate la iluminarea stadioanelor. Se estimează că tehnologiile viitoare vor economisi chiar și mai mult de 75%.
Figura 3: Densitatea de flux fotonic fotosintetic necesară pentru creșterea plantelor și gumelor începe tipic la 450 nm (lumină albastră) și merge până la 730 nm (roșu extrem) (sursa: PRBX).
Energia economisită este remarcabilă, dar este numai începutul a ceea ce poate fi posibil prin combinarea tehnologiei SSL cu un management energetic eficient. Infrastructuri mai mari și orașe își reînnoiesc sistemele de iluminare în favoarea unor SSL-uri controlate digital și, prin combinație cu energia regenerabilă, ne apropiem de miticul cerc al iluminării cu zero emisii (de la generare la utilizare).
Lumină pentru hrană!
Chiar acum, pe glob există aproximativ 7.6 miliarde de oameni, iar în fiecare an populația crește cu 83 de milioane de oameni. Până în 2050, populația va fi de 10 miliarde. Hrănirea populației va necesita ca agricultura să dezvolte procese de producție foarte eficiente, protejând însă mediul prin reducerea substanțelor chimice periculoase și optimizarea utilizării apei. Într-un comunicat recent, Banca Mondială a prezentat foarte bine situația actuală și care este viitorul așteptat pentru furnizarea de alimente pe glob.
“În lume va fi necesară o producție de alimente cu cel puțin 50% mai mare pentru a asigura hrana celor 10 miliarde de oameni din 2050. Dar schimbările climatice ar putea genera pierderi ale recoltelor de cereale de mai mult de 25%. Terenurile, biodiversitatea, oceanele, pădurile și alte forme de capital natural sunt epuizate într-un ritm fără precedent. Până când ne schimbăm modul în care ne creștem alimentele și ne gestionăm capitalul nostru natural, securitatea alimentară – în special pentru cei mai săraci din lume – va fi în pericol.”
Figura 4: Energia pentru iluminare necesită de la 50 µmol pentru ciuperci, până la 2.000 µmol pentru plante care necesită lumină puternică (sursa: PRBX).
Luând în considerare toți parametri și cerințele de a produce hrană cu cel mai mare respect pentru mediu, în 1999, Dr. Dickson Despommier, împreună cu studenții săi, a dezvoltat ideea unei ferme moderne de interior, revitalizând termenul lansat în 1915 de geologul american Gilbert Ellis Bailey: “Agricultură pe verticală.” Cu toții am auzit de ea, am citit o mulțime de articole legate de convertirea unor clădiri industriale în ferme verticale, iar încă de la începuturi prin iluminare cu sisteme fluorescente sau cu halogen și până la SSL, există un număr uimitor de tehnologii inovative ce contribuie la optimizarea energiei livrate plantelor pentru o creștere optimă. Fermele de interior sunt foarte atractive, existând numeroase avantaje, de la utilizarea spațiului, de 100 de ori mai multă hrană produsă pe metru pătrat prin comparație cu agricultura tradițională, până la reducerea consumului de apă cu 90% și eliminarea utilizării substanțelor chimice. Totuși, pentru a fi cu adevărat eficientă, o astfel de agricultură necesită un sistem de iluminare foarte eficient (figura 2).
Nu toate legumele pot crește în pământ limitat și să fie hrănite prin impregnare, dar pentru cele ce se pretează la această metodă de a face agricultură, rezultatele sunt impresionante și devin și mai impresionante atunci când se utilizează tehnologii moderne de iluminare controlate de calculator, ceea ce, pentru proiectanții de sisteme de alimentare, reprezintă o zonă foarte interesantă de explorat, combinând electronica de putere avansată și agricultura modernă, cu ajutorul software-ului.
Încă de la începuturile acestui tip de agricultură, inginerii din fermele de interior a realizat cercetări pentru a valida spectrul și energia necesară pentru ca diferite plante să crească eficient.
De la becuri fluorescente cu spectru larg sau becuri cu halogen, la spectre mult mai înguste, industria iluminării convenționale a avut o mulțime de tehnologii inovatoare, dar care nu au avut flexibilitatea necesară de a răspunde cerințelor. Prin cercetările experimentale din Japonia în perioada 2005-2008, cercetătorii din agronomie au investigat diferite metode de iluminare pentru a regla spectrul și energia pentru anumite plante. Cercetătorii au concluzionat că spectrul de lumină specific pentru creșterea plantelor și a legumelor începe tipic la 450 nm (lumină albastră) și ajunge până la 730 nm (roșu extrem) (figura 3). Densitatea de flux fotonic fotosintetic PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) a necesitat plaje de la 50 µmoli pentru ciuperci, până la 2000 µmoli pentru plante ca roșii și unele flori care cresc la lumina soarelui de vară (figura 4). Experții în agricultură ne spun că, pentru rezultate optime, diferitele tipuri de plante pot necesita spectre diferite de lumină, precum și diferite nivele și intensități de lumină între etapa de însămânțare și cea de recoltare. Acest lucru conduce adesea la necesitatea de a solicita ca lumina artificială să aibă un număr de canale spectrale diferite, individual ajustabile ca intensitate.
Fermele urbane trec din ce în ce mai mult către iluminarea modernă SSL, în special pentru faptul că a crescut raportul dintre cantitatea de energie luminoasă și energia electrică consumată. Această creștere a condus, de asemenea, la diminuarea costurilor de răcire, ținând cont și de faptul că o temperatură prea ridicată a aerului și a solului are un impact negativ asupra recoltei. Iluminarea cu LED-uri permite fermierilor să utilizeze sisteme de iluminare ce consumă energie doar în spectrul necesar plantei, în general roșu și albastru, economisind astfel energia necesară iluminării în spectrul complet, pentru care majoritatea luminii nu este utilizată de plante. Aceasta vă conduce înapoi pe băncile școlii, atunci când îl întrebați pe profesor: “De ce sunt plantele verzi?” (În caz că nu ați întrebat niciodată, acest lucru se datorează faptului că majoritatea plantelor nu absorb (utilizează) lumina verde și, de aceea, ea este reflectată către ochi, făcând ca planta să arate verde.).
Astăzi, numeroase becuri cu LED-uri sunt utilizate pentru creșterea eficientă a legumelor, cu toate că se poate obține un progres mai important prin integrarea de surse de putere inteligente în modulele cu LED-uri. Una dintre ariile de cercetare este de a crea un panou micro-LED cu monitorizarea indexului de creștere, capabil de a modula local lumina (suprafață de 1/2 metri pătrați). Acesta va necesita o soluție foarte eficientă de distribuție energetică capabilă de a regla toți parametri la “creșterea legumelor.” Aici electronii și fotonii întâlnesc noi dimensiuni, “hrănind populația cu sustenabilitate pentru generațiile viitoare.”
În ciuda numeroaselor articole prezentate la conferințe, fermele de interior se află, încă, într-un stadiu incipient, deși există cerințe în agricultură de a produce mai mult cu un impact de mediu mai mic, ceea ce reprezintă un factor important în dezvoltarea de “ferme urbane”. Combinarea dintre cele mai recente tehnologii în SSL cu managementul energetic și cu controlul software al mediului va îmbunătăți productivitatea și uneltele fermierilor moderni pentru a putea asigura hrana populației de 10 miliarde de oameni în 2050.
Este un moment minunat pentru toți proiectanții de putere de a lua parte la această călătorie incitantă!
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox | www.prbx.com
Powerbox | www.prbx.com