MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát minh điốt phát quang (Light Emitting Diode - LED), nguồn sáng siêu tiết kiệm điện năng và thân thiện môi trƣờng của thế kỷ 21, đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong công nghệ chiếu sáng. Đèn LED có các ƣu điểm vƣợt trội so với các loại đèn truyền thống nhƣ hiệu suất phát sáng cao, tuổi thọ cao, siêu tiết kiệm điện năng, khả năng tạo màu và tính uyển chuyển trong việc tích hợp với các hệ điều khiển cƣờng độ chiếu sáng, ít phát nhiệt, thân thiện môi trƣờng, đem lại những giá trị độc đáo trong chiếu sáng cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ chiếu sáng nội thất, chiếu sáng giao thông đƣờng phố, chiếu sáng nghệ thuật, chiếu sáng trong công nghiệp, nông lâm ngƣ nghiệp… Rào cản duy nhất của công nghệ chiếu sáng LED là giá thành, nhƣng với tốc độ nâng cao chất lƣợng và giảm giá thành sản phẩm của đèn LED nhƣ hiện nay, rào cản này nhanh chóng sẽ đƣợc dỡ bỏ [1]. Trong những năm gần đây, đèn LED đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng thành công làm nguồn sáng nhân tạo có phổ phát quang phù hợp với phổ quang hợp cây trồng để thay thế các nguồn sáng nhân tạo truyền thống trong kích thích sự sinh trƣởng không những ở điều kiện in vitro, mà còn cả ở điều kiện ex vivo ở nhiều nƣớc trên thế giới.
Chiếu sáng LED so với các nguồn chiếu sáng truyền thống có các ƣu điểm cơ bản nhƣ: Hiệu suất năng lƣợng sinh học cao, cải thiện mật độ cây trồng và tiết kiệm điện năng rất đáng kể. Sử dụng năng lƣợng hiệu quả của các nguồn sáng cũng là một khía cạnh môi trƣờng. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là sử dụng năng lƣợng hiệu quả của các nguồn sáng có quan trọng hơn các khía cạnh môi trƣờng khác của các sản phẩm chiếu sáng hay không, ví nhƣ những tiến bộ trong chế tạo hoặc tái chế và xử lý. Để tính đến các tác động môi trƣờng một cách toàn diện, một phƣơng pháp khoa học đƣợc tiêu chuẩn hóa đã đƣợc phát triển, đó là đánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment - LCA).
LCA đƣợc biết tới vào 1 luan an những năm 1970, và là một phƣơng pháp khoa học đƣợc thiết lập để định lƣợng và so sánh các tác động môi trƣờng. Mục tiêu của LCA là so sánh toàn bộ các hiệu ứng môi trƣờng có thể gán cho sản phẩm bằng cách định lƣợng tất cả các nguồn nguyên liệu đầu vào, các sản phẩm đầu ra và đánh giá ảnh hƣởng của chúng đến môi trƣờng nhƣ thế nào. LCA đƣợc sử dụng để cải tiến quy trình, chính sách hỗ trợ và cung cấp cơ sở pháp lý cho các quyết định có liên quan. Học viên hiện đang công tác tại Trung tâm Phát triển công nghệ cao và đang là thành viên thực hiện một số đề tài, dự án liên quan đến sản phẩm LED, đó là: (i) dự án “Phát triển và thúc đẩy công nghệ LED cho chiếu sáng chung ở Việt Nam” đƣợc tài trợ bởi Quỹ Môi trƣờng toàn cầu (GEF), Chƣơng trình Phát triển Liên hợp quốc (UNDP) và đồng tài trợ bởi các cơ quan/đơn vị liên quan của Việt Nam; (ii) đề tài “Nghiên cứu phát triển và triển khai ứng dụng các mô hình chiếu sáng điều khiển quang chu kỳ bằng đèn LED chuyên dụng nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất hoa Cúc thương mại tại khu vực Tây Nguyên”, mã số TN18/C08; và (iii) đề tài “Nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu sáng LED phục vụ nông nghiệp Tây Nguyên”, mã số TN3/C09.
Trên cơ sở đó, học viên xin chọn đề tài “Đánh giá hiệu quả năng lượng và tác động đến môi trường của đèn LED trong canh tác hoa Cúc” để đánh giá hiệu quả năng lƣợng và các tác động đến môi trƣờng của việc sử dụng các đèn LED so sánh với đèn huỳnh quang compact và đèn huỳnh quang T8 ứng dụng trong canh tác hoa Cúc từ đó đề xuất một số giải pháp chế tạo và sử dụng đèn LED trong nông nghiệp theo hƣớng thân thiện với môi trƣờng. Mục đích của đề tài - Đánh giá hiệu quả năng lƣợng và các tác động đến môi trƣờng của việc sử dụng các đèn LED so sánh với đèn huỳnh quang compact và đèn huỳnh quang T8 ứng dụng trong trong canh tác hoa Cúc. - Đề xuất một số giải pháp chế tạo và sử dụng đèn LED trong nông nghiệp theo hƣớng thân thiện với môi trƣờng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 luan an Đối tƣợng nghiên cứu: Đèn LED, đèn huỳnh quang compact và đèn huỳnh quang T8 (để so sánh) dùng trong canh tác hoa Cúc.
Phạm vi nghiên cứu: Tại một số cơ sở sản xuất giống cây trồng và hoa ở Tây Nguyên. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Cho đến nay, các nghiên cứu ứng dụng công nghệ chiếu sáng LED cho cây hoa Cúc đều mới chỉ tập trung đến hiệu quả nhân giống cây trồng, tỷ lệ cây sống/chết, tốc độ tăng trƣởng, điều khiển ra hoa chứ chƣa có nghiên cứu đánh giá hiệu quả năng lƣợng và tác động đến môi trƣờng của đèn LED. Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần đánh giá hiệu quả năng lƣợng và các tác động đến môi trƣờng của việc sử dụng các đèn LED so sánh với đèn huỳnh quang compact và đèn huỳnh quang T8 ứng dụng trong canh tác hoa Cúc từ đó đề xuất một số giải pháp chế tạo và sử dụng đèn LED trong nông nghiệp theo hƣớng thân thiện với môi trƣờng, làm cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm bảo vệ môi trƣờng hiệu quả ở Việt Nam. 3 luan an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CÁC NGUỒN SÁNG LED 1. Cấu tạo của đèn LED LED là ghép ba chữ đầu của cụm từ tiếng Anh “Light Emiting Diode” nghĩa là điôt phát quang. Các sản phẩm chiếu sáng bằng LED thuộc nhóm các sản phẩm chiếu sáng bán dẫn, là một trong các nhóm sản phẩm chiếu sáng thế hệ thứ 4. Bộ đèn chiếu sáng LED bao gồm 04 bộ phận cơ bản: (a) Điốt phát sáng (LED), (b) Bộ điều khiển điện cho LED (LED driver); (c) Bộ phận quang học (Optics) và (d) Bộ phận quản lý nhiệt (Thermal Management) đƣợc mô tả trong Hình 1.
Các bộ phận cơ bản của một bộ đèn chiếu sáng LED [2] Hình 1. Bộ đèn chiếu sáng LED [2] (LED lamp/Lighting Fixture/Luminaire) = Các điốt phát sáng (LEDs) + Bộ điều khiển điện (Electrical Driver) + Bộ phận quang học (Optics) + Bộ phận quản lý nhiệt (Thermal Management) 4 luan an 1. Nguyên lý hoạt động và công nghệ chế tạo đèn chiếu sáng LED 1. Nguyên lý hoạt động 04 bộ phận cơ bản của bộ đèn LED a) Điốt phát sáng (LED) Phần chủ yếu của LED là một mảnh nhỏ chất bán dẫn có pha tạp chất sao cho trong đó tạo ra đƣợc hai miền: miền p dẫn điện bằng lỗ trống (hạt tải mang điện dƣơng) và miền n dẫn điện bằng điện tử (hạt tải mang điện âm), giữa hai miền là lớp tiếp xúc p – n (Hình 1.
Giống nhƣ điôt (đèn hai cực chỉnh lƣu bán dẫn) dòng điện dễ dàng đi từ miền p sang miền n (đi theo chiều thuận) chứ không đi đƣợc theo chiều ngƣợc lại. Khi nối điện đi theo chiều thuận lỗ trống và điện tử bị đẩy theo hai chiều ngƣợc nhau, chúng gặp nhau ở lớp tiếp xúc p - n, tổ hợp lại và phát ra ánh sáng. Giản đồ mô tả nguyên lý hoạt động của điốt bán dẫn [2] Các lại LED ánh sáng đơn sắc: Nhiều vật liệu đã đƣợc phát triển cho các đèn LED thƣơng mại dựa trên các phốt-pho và nitrua. Sự phát xạ ánh sáng từ đèn LED phụ thuộc vào tiếp giáp p-n và các tạp chất (ví dụ, gallium, arsenic) đƣợc pha tạp vào các lớp của đèn LED và đƣợc sử dụng để xây dựng lớp hoạt động.
Những vật liệu khác nhau này phát ra ánh sáng ở bƣớc sóng 5 luan an rời rạc trong phổ điện từ, trải rộng từ hồng ngoại tới tia tử ngoại, và bao gồm cả ánh sáng khả kiến. Sự lựa chọn chính xác của vật liệu bán dẫn đƣợc sử dụng trong LED giúp xác định màu sắc của phát xạ ánh sáng.1 trình bày một số vật liệu phổ biến đƣợc sử dụng ngày nay trong sản xuất các đèn LED màu đƣợc liệt kê trong cột đầu tiên. Tóm tắt các màu của LED và các vật liệu thông dụng [2] Bước sóng Điện áp Màu sắc Vật liệu [nm] [ΔV] GaAs Hồng ngoại λ > 760 ΔV < 1,63 AlGaAs AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, Đỏ 610 < λ < 760 1,63 < ΔV < 2,03 GaP, Ga (III) GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga Cam 590 < λ < 610 2,03 < ΔV < 2,10 (III) GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga Vàng 570 < λ < 590 2,10 < ΔV < 2,18 (III InGaN /GaN, Ga (III) Xanh lục 500 < λ < 570 1,9 < ΔV < 4,0 GaP, Ga(III ), AlGaInP, AlGaP ZnSe, InGaN, SiC (phiến Xanh lam 450 < λ < 500 2,48 < ΔV < 3,7 đế) Si (phiến đế đang phát triển) Indium gallium nitride Tím 400 < λ < 450 2,76 < ΔV < 4,0 (InGaN) LEDs hai mầu xanh lam/đỏ (blue/red), Đỏ tía Nhiều loại 2,48 < ΔV < 3,7 LED xanh lam phủ phốt pho đỏ, hoặc LED trắng với nhựa màu đỏ (purple) Kim cƣơng (235 nm), BN(215 nm) Tia cực tím λ < 400 3,1 < ΔV < 4,4 AlN) (210 nm), AlGaN, AlGaInN – xuống đến 210 nm 6 luan an Bước sóng Điện áp Màu sắc Vật liệu [nm] [ΔV] Màu xanh với một hoặc hai lớp phốt pho: màu vàng với màu đỏ, cam hoặc hồng phốt Hồng Nhiều loại ΔV ~ 3,3 pho đƣợc thêm vào sau đó, hoặc màu trắng với sắc tố màu hồng hoặc thuốc nhuộm. điốt xanh da trời/UV kết Trắng Phổ rộng ΔV = 3,5 hợp với lớp phủ cho màu vàng LED ánh sáng trắng: Trong bốn khâu công nghệ nền tạo nên các bộ đèn LED chiếu sáng, công nghệ sản xuất LED trắng mang các yếu tố quyết định tạo ra các tính năng vƣợt trội của LED trắng so với các sản phẩm chiếu sáng truyền thống khác.
Vì vậy, các yếu tố trong công nghệ sản xuất LED trắng sẽ quyết định các đặc điểm của LED. Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED trắng: Do mỗi LED chỉ phát xạ ra một phổ ánh sáng hẹp, nên trên thực tế không có các LED phát xạ ánh sáng trắng. Các LED trắng hiện nay đƣợc cấu tạo và hoạt động theo hai nguyên lý sau: Trộn ba mầu đỏ (Red), xanh lục (Green) và xanh lam (Blue) bằng cách sử dụng 3 LED có ba mầu (R-G-B) nêu trên.