Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.4.1.Khái niệm cơ bản về đèn LED
2.4. Đèn led và tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ đèn LED trong
2.4.1.Khái niệm cơ bản về đèn LED
Đèn LED (Light Emitting Diode) là thuật ngữ dùng để chỉ chất bán dẫn diode được hình thành bằng sự tiếp xúc vật liệu loại p và loại n. Áp dụng điện áp chuyển tiếp trong phạm vi thích hợp của diode để di chuyển các điện tích dương ở phía vật liệu loại p và các điện tích âm ở phía vật liệu n loại sang phía bên kia cho phép hai điện tích này kết hợp lại với nhau. Việc tái kết hợp có thể tạo ra một photon, có năng lượng tương đương với (hoặc trong một số trường hợp ít hơn) lượng mà một electron phát ra (Hình 2.4). Bước sóng của các photon được tạo ra bởi quá trình tái kết hợp phụ thuộc vào năng lượng được giải phóng bằng cách chuyển đổi (International Electrotechnical Commission (IEC) 62504, 2014).
Hình 2.4. Sự phát photon/ánh sáng đèn LED từ đường giao nhau của chất bán dẫn loại p và n khi điện được cung cấp.
Chú thích: Các vịng trịn trắng và đen tương ứng biểu thịđiện tích dương và điện tích âm LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ, do Nick Holonyak phát hiện vào năm 1962 vì vậy Holonyak được xem là cha đẻ của LED (dẫn theo Thomas M. Okon; James R. Biard, 2015). Hiện nay, có thể chế tạo ra các đèn LED phát ra các tia sáng đơn sắc với các phổ ánh sáng riêng biệt, nên
hoàn tồn có thể sử dụng các đèn LED vào các mục đích khác nhau trong điều khiển cây trồng.
Dựa vào kết cấu, người ta chia ra làm 4 loại đèn LED: loại đèn xe (lamp) (còn được gọi đèn báo hiệu hoặc đèn tròn), loại thiết bị gắn bề mặt (surface mount device - SMD), loại năng lượng cao (high-power) và loại thơng lượng (flux) có hai cực dương và hai cực âm hình như bốn chân của một bảng (Hình 2.5).
Hình 2.5 Bốn loại cấu hình đèn LED Chú thích: Các thanh trắng thể hiện quy mô khoảng 5 mm
Nguồn: Kazuhiro Fujiwara (2015)
2.4.1.1. Ưu điểm của đèn LED trong nông nghiệp
Đèn LED đã được khai thác cho nhiều ứng dụng, từ các nghiên cứu thực vật cơ bản đến các canh tác thương mại trong các nhà kính hoặc nhà máy trồng cây với ánh sáng nhân tạo (PFAL). Một lợi ích nổi bật của đèn LED là khả năng phát ra ánh sáng đơn sắc. Lợi ích này cho phép người trồng thiết kế các công thức chiếu sáng riêng cho việc trồng trọt. Ánh sáng quang phổ rộng có thể được tổng hợp nếu một số loại đèn LED có bước sóng khác nhau được kết hợp (Schubert and Kim, 2005; Fujiwara and Sawada, 2006; Fujiwara and Yano, 2011). Bên cạnh đó chúng cịn có khả năng tiết kiệm năng lượng bằng cách không cung cấp các bước sóng ánh sáng ít hoặc khơng cần thiết cho cây trồng (Mitchell et al., 2012).
Theo Massa et al. (2008) đèn LED có tiềm năng bổ sung lợi ích từ việc
nhắm mục tiêu bước sóng cụ thể để giảm và phòng dịch hại, tăng nồng độ vitamin, khoáng chất, tinh bột hoặc các hợp chất phenolic trong mô thực vật.
Đèn LED không phát ra bức xạ hồng ngoại cho phép chiếu xạ mà khơng làm nóng cây trồng. Nên có thể bố trí đèn LED gần với cây trồng (Massa et al., 2006; Stutte, 2009; Poulet et al., 2014; Zhang et al., 2015). Tính năng khơng có nhiệt của đèn LED trở nên đặc biệt có ích trong các chiến lược trồng trọt đa tầng trong PFAL (Watanabe, 2011; Goto, 2012; Zhang et al., 2015). Nếu bức xạ hồng
ngoại rất cần thiết để kiểm sốt hình thái sinh lý của cây trồng (Higuchi et al.,
2012; Kubota et al., 2012), thì việc chiếu đồng thời các đèn LED màu đỏ xa và các đèn LED xác định khác có thể là một giải pháp.
Đèn LED có tuổi thọ cao: 35.000-50.000 giờ, độ an tồn của đèn LED cho phép chúng được sử dụng thân thiện trong môi trường lao động, trong khi các hệ thống chiếu sáng khác có thể gây nguy hiểm với người lao động (Bourget, 2008). Ngồi ra, đèn LED có thể dễ dàng di chuyển vì độ tin cậy cơ học của nó
(Yang et al., 2012; Li et al., 2014). Hơn nữa, hướng chiếu xạ của đèn LED
không giới hạn ở tỉ lệ đi xuống (Massa et al., 2008; Trouwborst et al., 2010).
Việc chiếu xạ hướng lên hoặc sang bên có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng đèn LED nằm gần các cây trồng (Massa et al. 2006; Zhang et al., 2015).
Những chiếu xạ này có thể bổ sung liều lượng nhẹ cho lá bên dưới của cây mật độ cao (Massa et al., 2008).
2.4.1.2. Nhược điểm của việc sử dụng đèn LED
Một bất lợi dễ thấy và bất lợi quan trọng nhất liên quan đến việc sử dụng đèn LED trong trồng trọt là chi phí ban đầu cao hơn của hệ thống chiếu sáng vào thời điểm này. Tuy nhiên, hiệu suất chi phí của đèn LED đã được cải thiện một cách chính xác mỗi năm, bất lợi này có thể được giải quyết trong vài năm tới (Kazuhiro Fujiwara, 2015).
Okada (2012) trình bày dự tốn chi phí điện chiếu sáng hàng năm cho nhà máy. Có thể giảm được bằng cách trao đổi 3000 bóng đèn huỳnh quang (Fls) 40W với mỗi đèn chiếu tiêu thụ 4W trên cùng một số nguồn ánh sáng LED, loại 22,5W với đèn LED xanh dương và đỏ, có thể cung cấp cùng một mức PPFD trên dàn như FLs. Đối với ước tính, giả sử là điều kiện của 1 kWh ¼ 20 yen (=
0,19 USD) và thời gian chiếu sáng 16 h d-1. Theo ước tính của ơng, chi phí điện
chiếu sáng hàng năm có thể giảm khoảng 10 triệu yen (= 95,000 USD) cho một nhà máy trồng cây. Ơng cịn chỉ ra rằng việc sử dụng các nguồn ánh sáng LED thay vì đèn FLs cịn làm giảm chi phí điện để làm mát.