Tổng quan nghiên cứu

Nông nghiệp công nghệ cao đang trở thành xu thế tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng trong bối cảnh diện tích canh tác hạn chế và biến đổi khí hậu phức tạp. Ánh sáng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đặc biệt là sự ra hoa của các loại cây ngày dài như cây thanh long. Tại Việt Nam, diện tích trồng thanh long đã tăng từ hơn 2.200 ha năm 1995 lên gần 54.000 ha năm 2018, với sản lượng hơn 1 triệu tấn, tập trung chủ yếu tại Bình Thuận, Long An và Tiền Giang. Việc chiếu sáng nhân tạo để kích thích ra hoa trái vụ đã được áp dụng rộng rãi, tuy nhiên các nguồn sáng truyền thống như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang compact (CFL) có hiệu suất thấp, tuổi thọ ngắn và khó điều chỉnh quang phổ phù hợp.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng LED phát xạ ánh sáng tím (410 nm), đỏ (660 nm) và đỏ xa (730 nm) để điều khiển ra hoa ở cây thanh long, nhằm nâng cao hiệu quả chiếu sáng, tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất trái vụ. Mục tiêu cụ thể gồm hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo LED phosphor có hiệu suất chuyển đổi phosphor trên 50%, hiệu suất quang điện trên 80% so với LED trắng thương mại; chế tạo đèn LED chuyên dụng công suất dưới 9W phát xạ đồng thời các vùng bước sóng tím, đỏ và đỏ xa; đánh giá hiệu quả qua thử nghiệm sinh học tại vườn thanh long ở Long An trong các mùa nghịch 2021-2022. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao, góp phần giảm tiêu thụ điện năng và nâng cao giá trị kinh tế cho cây thanh long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về ảnh hưởng của ánh sáng đến sinh trưởng và ra hoa của cây trồng, đặc biệt là vai trò của sắc tố phytochrome. Phytochrome tồn tại ở hai dạng Pr và Pfr, hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau: Pr hấp thụ mạnh vùng đỏ (660 nm) và UV gần (380 nm), Pfr hấp thụ mạnh vùng đỏ xa (730 nm) và tím (410 nm). Tỷ lệ cường độ ánh sáng đỏ và đỏ xa (R/Fr) được xem là chỉ số quan trọng điều khiển ra hoa, với ngưỡng hiệu quả trong khoảng 0.6-1 theo các nghiên cứu sinh học. Ngoài ra, ánh sáng tím (410 nm) được xem xét bổ sung do có hiệu suất hấp thụ cao ở dạng Pfr, nhưng ít được nghiên cứu trước đây.

Các khái niệm chính bao gồm: quang chu kỳ (thời gian chiếu sáng ban ngày), cường độ ánh sáng, bước sóng ánh sáng, hiệu suất chuyển đổi phosphor, tỷ lệ thông lượng bức xạ vùng tím/đỏ/đỏ xa (V/R/Fr), và hiệu suất quang điện của LED.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp nghiên cứu tài liệu. Quy trình chế tạo LED bao gồm các công đoạn: hàn đế chip LED tím 410 nm, hàn dây dẫn, khuấy trộn hỗn hợp phosphor đỏ (R660) với silicon OE-7662, phun phủ hỗn hợp lên chip LED, sấy đóng rắn lớp phủ. Máy khuấy trộn chân không Kurabo KK-V300SS được sử dụng để phân tán đồng đều phosphor và loại bỏ bọt khí, đảm bảo hiệu suất phát quang.

Ba loại đèn LED chuyên dụng được chế tạo dựa trên tổ hợp các gói LED với tỷ lệ dòng điện khác nhau để đạt tỷ lệ V/R/Fr mong muốn, công suất dưới 9W, thiết kế kiểu compact 3U với phân bố quang 360° theo phương ngang và 280° theo phương thẳng đứng. Các thông số quang điện được đo trên hệ cầu tích phân Gamma Scientific LightTouch LED, kết hợp phần mềm Osram Color Calculator, Excel, Origin và SPSS để xử lý dữ liệu.

Thử nghiệm sinh học được thực hiện tại vườn thanh long ruột trắng, xã An Lục Long, Long An trong hai mùa nghịch 2021-2022, với thời gian chiếu sáng 20 đêm mỗi đêm từ 19h đến 5h sáng. Các loại đèn LED chế tạo được so sánh với đèn LED thị trường, đèn halogen và đèn CFL cải tiến về hiệu quả kích thích ra hoa qua số lượng nhánh ra nụ và tổng số nụ trên trụ cây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo LED phosphor tím đỏ: LED phát xạ đồng thời ánh sáng vùng tím (410 nm), đỏ (660 nm) và đỏ xa (730 nm) với tỷ lệ V/R/Fr = 0,8/2,9/1, hiệu suất chuyển đổi phosphor đạt 51,7%, công suất điện 0,3W, công suất quang 0,11W. Nồng độ phosphor đỏ tối ưu là 12%, cao hơn làm giảm hiệu suất do tái hấp thụ photon.

  2. Chế tạo đèn LED chuyên dụng: Ba loại đèn LED được chế tạo với công suất tiêu thụ từ 7,61W đến 7,96W, phân bố quang 360° ngang và 280° đứng, tỷ lệ V/R/Fr lần lượt là:

    • LED1: 0,8/3,2/1
    • LED2: 0,3/1,3/1
    • LED3: 3,1/5,9/1

  3. Hiệu suất quang điện: Đèn LED3 có hiệu suất quang điện cao nhất 34,2%, LED2 đạt 28,9%, LED1 đạt 26,3%, đều vượt trội so với đèn halogen (5,6%) và đèn CFL (8,3%). Công suất tiêu thụ đèn LED thấp hơn 16% so với đèn LED thị trường và thấp hơn 82% so với đèn halogen.

  4. Thử nghiệm sinh học kích thích ra hoa:

    • Thử nghiệm 1: Đèn LED2 cho số nhánh ra nụ trung bình 43,6, tổng số nụ trung bình 73,3, cao hơn đèn LED thị trường (39,4 nhánh, 69,8 nụ) và đèn halogen (30,8 nhánh, 55,3 nụ).
    • Thử nghiệm 2: Đèn LED1 với tỷ lệ V/R/Fr 0,8/3,2/1 kích thích ra hoa tốt nhất, số nhánh ra nụ trung bình 27,6, tổng số nụ 43,1, vượt trội so với LED2, LED3 và đèn LED thị trường. Ánh sáng tím 410 nm có vai trò quan trọng trong kích thích ra hoa, khi có thành phần ánh sáng tím thì tỷ lệ V/R/Fr là chỉ số đánh giá hiệu quả phù hợp hơn so với chỉ R/Fr truyền thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc bổ sung ánh sáng tím (410 nm) trong quang phổ LED giúp tăng hiệu quả kích thích ra hoa trái vụ ở cây thanh long, mở rộng hiểu biết về vai trò của các bước sóng ngắn trong quá trình sinh học của cây ngày dài. Hiệu suất chuyển đổi phosphor và tỷ lệ V/R/Fr được tối ưu giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể so với các nguồn sáng truyền thống, đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tập trung chủ yếu vào vùng đỏ và đỏ xa, luận văn đã mở rộng phạm vi nghiên cứu và ứng dụng LED phát xạ đồng thời ba vùng bước sóng, đồng thời phát triển quy trình công nghệ chế tạo LED và đèn LED chuyên dụng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Dữ liệu thử nghiệm sinh học được trình bày qua bảng số liệu và biểu đồ phân bố quang, minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu quả ra hoa giữa các loại đèn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi đèn LED tím đỏ trong sản xuất thanh long trái vụ: Khuyến khích các nhà vườn và doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao sử dụng đèn LED phát xạ đồng thời ánh sáng tím, đỏ và đỏ xa với tỷ lệ V/R/Fr khoảng 0,8/3,2/1 để tối ưu hóa hiệu quả ra hoa và tiết kiệm điện năng. Thời gian áp dụng: ngay trong các vụ nghịch tiếp theo.

  2. Phát triển sản phẩm LED chuyên dụng đa dạng: Nghiên cứu và sản xuất thêm các loại đèn LED với tỷ lệ V/R/Fr khác nhau phù hợp với các loại cây trồng ngày dài khác nhau, mở rộng ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ chiếu sáng trong 1-2 năm tới.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho nông dân và kỹ sư nông nghiệp về sử dụng và bảo trì hệ thống chiếu sáng LED chuyên dụng, nâng cao nhận thức về lợi ích kinh tế và môi trường. Thời gian: 6-12 tháng.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn chiếu sáng nông nghiệp: Phối hợp với các cơ quan quản lý nhà nước để xây dựng tiêu chuẩn về quang phổ, công suất và hiệu suất đèn LED dùng trong chiếu sáng kích thích ra hoa, đảm bảo chất lượng và an toàn. Thời gian: 1-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật, Công nghệ chiếu sáng: Nghiên cứu quy trình chế tạo LED phosphor phát xạ đa bước sóng, công nghệ đóng gói LED và ứng dụng trong nông nghiệp.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh thiết bị chiếu sáng LED: Tham khảo công nghệ chế tạo đèn LED chuyên dụng, thiết kế mạch điện và phân bố quang phù hợp với mục đích kích thích ra hoa.

  3. Nông dân và kỹ sư nông nghiệp công nghệ cao: Áp dụng các giải pháp chiếu sáng LED tiết kiệm năng lượng, nâng cao năng suất và chất lượng cây thanh long trái vụ.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức phát triển nông nghiệp: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển nông nghiệp công nghệ cao, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng nguồn sáng LED trong sản xuất nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng ánh sáng tím trong chiếu sáng kích thích ra hoa?
    Ánh sáng tím (410 nm) có vai trò kích thích dạng Pfr của sắc tố phytochrome, giúp điều chỉnh quá trình ra hoa hiệu quả hơn. Thử nghiệm sinh học cho thấy đèn LED có thành phần ánh sáng tím kích thích ra hoa tốt hơn so với chỉ sử dụng ánh sáng đỏ và đỏ xa.

  2. Tỷ lệ V/R/Fr là gì và tại sao quan trọng?
    Tỷ lệ V/R/Fr là tỷ lệ thông lượng bức xạ của vùng tím (V), đỏ (R) và đỏ xa (Fr). Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả quang phổ của nguồn sáng trong việc kích thích ra hoa cây ngày dài. Tỷ lệ phù hợp giúp tối ưu hóa quá trình sinh học và tiết kiệm năng lượng.

  3. LED có ưu điểm gì so với các nguồn sáng truyền thống?
    LED có hiệu suất quang điện cao hơn, tuổi thọ dài hơn, khả năng điều chỉnh quang phổ linh hoạt, tiết kiệm điện năng và thân thiện với môi trường do không chứa thủy ngân hay các chất độc hại.

  4. Quy trình chế tạo LED phosphor gồm những bước nào?
    Quy trình gồm hàn đế chip LED, hàn dây dẫn, khuấy trộn hỗn hợp phosphor đỏ với silicon, phun phủ hỗn hợp lên chip LED, sấy đóng rắn lớp phủ và đo kiểm các thông số quang điện.

  5. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng đèn LED chuyên dụng trong chiếu sáng thanh long là gì?
    Sử dụng đèn LED chuyên dụng giúp tiết kiệm điện năng tới 70% so với đèn truyền thống, tăng năng suất ra hoa trái vụ, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì do tuổi thọ đèn cao.

Kết luận

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo LED phosphor phát xạ đồng thời ánh sáng tím, đỏ và đỏ xa với hiệu suất chuyển đổi phosphor đạt 51,7%.
  • Chế tạo thành công ba loại đèn LED chuyên dụng công suất dưới 9W, phân bố quang 360° ngang và 280° đứng, với tỷ lệ V/R/Fr khác nhau phù hợp cho chiếu sáng kích thích ra hoa cây thanh long.
  • Thử nghiệm sinh học chứng minh ánh sáng tím 410 nm có vai trò quan trọng trong kích thích ra hoa trái vụ, cải thiện hiệu quả so với các nguồn sáng truyền thống và đèn LED thị trường.
  • Đèn LED chuyên dụng tiết kiệm điện năng đáng kể, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm thanh long.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng LED đa bước sóng trong nông nghiệp công nghệ cao, đồng thời phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích áp dụng đèn LED chuyên dụng trong sản xuất thanh long trái vụ, đồng thời tiếp tục nghiên cứu tối ưu quang phổ và công nghệ chế tạo LED để nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng.