Figura 1: Implementare rapidă a iluminării LED pentru scene şi stadioane.
Odată cu necesitatea vitală de a economisi energie, industria de putere a inovat permanent numeroase căi de a creşte eficienţa, inclusiv prin modul de convertire electron la electron. Rapoartele de conversie de putere se apropie de limitele fizice, dând energie cercetătorilor şi inventatorilor, permiţând dezvoltarea de aplicaţii până în prezent imposibile sau cel puţin ineficiente economic. În iluminare, noile aplicaţii solicită proiectanţilor de alimentare de putere să exploreze o nouă dimensiune, conversie eficientă de la electron la foton, ceea ce creează iluminarea viitorului.
Din 1860, când inventatorul englez Sir Joseph Wilson Swan a creat primul concept de bec, urmat de Thomas Edison şi echipa sa în 1879 care a patentat şi perfecţionat becul cu incandescenţă şi după multe, multe încercări “Becul Edison” devenind omniprezent, industria iluminării a evoluat continuu. Din fericire şi aceia dintre noi care lucrează în proiectare în industria electronică am evoluat de la metodele de proiectare brute ale lui Edison, despre care chiar el glumea: “Nu am eşuat de 10,000 de ori. Nu am eşuat odată. Am reuşit să demonstrez că cele 10,000 de căi nu vor funcţiona. Când am eliminat aceste căi, care nu vor funcţiona, voi găsi calea ce va funcţiona.”
În 1932, becurile cu descărcare în vapori de sodiu au fost pentru prima dată produse comercial de Philips în Olanda. Deşi foarte eficiente, datorită calităţii relativ reduse a luminii lor, aceste becuri sunt cel mai adesea utilizate la iluminare stradală, precum şi pentru aplicaţii de iluminare pentru zone cu suprafaţă mare.
În 1938, General Electric anunţă lansarea becurilor fluorescente ca linie de produse şi au fost plasate spre vânzare publică. Un articol din Magazine of Light din acea vreme arăta că “Iluminarea se va schimba pentru totdeauna, şi în mai bine!” În vreme ce iluminarea cu becuri cu incandescenţă domină iluminarea casnică, iluminarea cu becuri fluorescente domină încă pieţele de iluminare a clădirilor comerciale şi de birouri.
Introducerea “economiei energetice în iluminare” şi electronica de putere din aceste segmente cu “balast electronic” şi SLL, au condus la schimbarea în bine a iluminării. S-a ajuns astfel la un val de inovaţii în iluminare, contribuind la creşterea calităţii vieţii, reducând însă consumul de energie.
Figura 2: Spectrul de lumină pentru creşterea plantelor şi legumelor începe tipic la 450 nm (lumină albastră) şi merge până la 730 nm (roşu)
Figura 3: Energia luminii necesare acoperă plaja de la 50 µmol pentru ciuperci, până la 2000 µmol pentru plante ce solicită multă lumină.
O industrie diversă
Segmentul pieţei de iluminare este foarte diversificat, dar iluminarea cu semiconductoare (SSL) bazată pe LED-uri a spart balonul iluminării convenţionale, conducând efectiv la scoaterea din uz a becului Edison, iar acum făcând acelaşi lucru cu iluminarea cu fluorescenţă. Posibilităţile oferite de SSL aduce de asemenea avantaje de iluminare în aplicaţii industriale precum: iluminare drumuri şi spaţii de parcare, iluminare stadioane şi scene (Figura 1), ferme urbane, horticultură, purificarea apei, iluminare medicală şi terapie cu lumină.
Acolo unde electronii întâlnesc fotonii, este nevoie ca proiectanţii de sisteme de alimentare să lucreze îndeaproape cu producătorii de LED-uri.
Un exemplu este aşa numita “iluminare GaN (Gallium Nitride),” ce utilizează tranzistoare cu GaN în nivelul de alimentare şi GaN-pe-siliciu în elementul LED. Deşi anecdotică, ea reflectă maturitatea industrială a utilizării GaN în industriile de putere şi de iluminare.
Ca proiectant în industria de putere este foarte interesant de urmărit ambele tehnologii şi văd avantaje uriaşe din această asociere.
Iluminarea SSL domină la ora actuală unele segmente ale pieţei de iluminare, acolo unde costul schimbării unui bec este exagerat de mare, putându-l costa pe utilizatorul final mai mult decât lumina în sine. Un exemplu pot fi luminile de pe stâlpii înalţi, în care sunt necesare sisteme speciale de ridicare pentru a ajunge la suport.
Un alt exemplu este acela în care este nevoie de redirecţionarea traficului în cazul unui pod sau al unui tunel.
Aceste tipuri de aplicaţii beneficiază din plin de durata mare de viaţă a SSL-urilor. Suplimentar, SSL-urile sunt mult mai eficiente decât soluţiile alternative, astfel încât consumul energetic pentru a oferi acelaşi nivel de lumină este redus notabil, adesea conducând la un ROI (n.t. – randament investiţie) foarte bun pentru utilizatorul final.
În America, ultimul “Super Bowl” a avut loc într-un stadion iluminat cu SSL-uri. SSL-urile individuale de pe o şosea sunt tipic în plaja de putere de la 100-150W. Pentru stadion plaja de putere este tipic de 500-1000W.
Un proiectant de sisteme de alimentare trebuie să fie foarte creativ pentru a aduce soluţii de putere în aplicaţii de care societatea noastră ar putea depinde în viitor. De exemplu, fermele urbane necesită soluţii de iluminare foarte specializate. Spectrul de iluminare specific pentru creşterea plantelor şi legumelor începe uzual de la 450nm (lumină albastră) şi merge până la 730nm (roşu) (Figura 2). Energia luminii necesită o gamă de la 50 µmol pentru ciuperci, până la 2000 µmol pentru plante ce solicită lumină, precum roşii şi unele flori ce cresc în plină vară (Figura 3).
Experţii în horticultură ne spun că, pentru rezultate optime, diferite tipuri de plante pot necesita diferite spectre de lumină, precum şi un echilibru diferit de iluminare şi intensităţi între însămânţare şi recoltare. Acest lucru conduce la o cerinţă ca, pentru iluminarea artificială, să avem un număr de canale spectrale diferite, individual ajustabile pentru intensitate.
Fermele urbane trec din ce în ce mai mult pe iluminare SSL, în special datorită creşterii cantităţii de energie pe Watt. Această eficacitate crescută scade costurile de răcire, deoarece randamentul produsului este afectat negativ de temperaturi prea mari ale aerului şi solului. Iluminarea cu LED permite crescătorilor să utilizeze iluminare care numai consumă energie doar în spectrul pe care-l solicită planta, în general roşu sau albastru, economisind astfel energie faţă de a avea o iluminare pe întreg spectrul, din care majoritatea luminii nu este utilizată de plantă. Aceasta vă readuce aminte de zilele din şcoala elementară, când îl întrebaţi pe profesor: “De ce sunt plantele verzi?” (În caz că nu aţi întrebat, răspunsul este dat de faptul că majoritatea plantelor nu absorb (utilizează) lumina verde şi de aceea ea este reflectată înapoi către ochi, făcând planta să arate verde.).
Astăzi, numeroase becuri cu LED sunt utilizate pentru creşterea eficientă energetic a legumelor, iar un progres şi mai mare poate fi obţinut prin integrarea de surse de putere inteligente în modulele LED. Una dintre zonele de cercetare este aceea de a crea un panou cu micro-LED-uri, cu monitorizarea indexului de creştere, capabil de a modula local lumina (o jumătate de metru pătrat). Acest lucru va necesita o soluţie de putere distribuită foarte eficientă, capabilă să regleze toţi parametrii de “creştere a legumelor”. Aici electronii şi fotonii întâlnesc o nouă dimensiune, “hrănirea populaţiei, soluţii durabile pentru generaţiile viitoare”.
Cine a zis că industria soluţiilor de iluminare era urâtă şi industria de putere plictisitoare?
Ambele conlucrează pentru căi noi şi mai bune de iluminare în viitor.
de Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Powerbox
Powerbox
www.prbx.com
Bibliografie:
LED lighting advances in horticultural applications, boosts productivity
www.ledsmagazine.com/articles/2014/07/led-lighting-advances-in-horticultural-applications-boosts-productivity.html
GaN on silicon: A breakthrough technology for LED lighting
www.ledsmagazine.com/articles/print/volume-11/issue-2/features/last-word/gan-on-silicon-a-breakthrough-technology-for-led-lighting-magazine.html