CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Cỏc đặc trưng của LED cụng suất cao
4.1.1. Đặc trưng cụng suất phụ thuộc vào dũng bơm P-I của LED 630nm
Đốn LED khỏc với LASER là sẽ ko cú ngưỡng phỏt. Khi tăng dũng điện cường độ quang ra cũng sẽ thay đổi theo. Sau đõy là kết quả đo cụng suất phụ thuộc vào dũng bơm của LED 630nm được sử dụng trong thớ nghiệm.
0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 P (mW ) I(mA) P(mW)
Hỡnh 4.1 Đồ thị P-I của LED 630nm
LED 630nm cụng suất quang tại 1000mA là 600 mW khi đú thế trờn led đạt 2.32V. Hiệu suất quang là 30,6%. Cụng suất nhiệt khoảng 1700mW.
4.1.2. Đặc trưng dũng thế I-V của LED 630nm
Đặc trưng dũng thế cho ta biết sự phụ thuộc của điện thế đặt trờn lớp chuyển tiếp LED vào dũng bơm chạy qua nú. Hỡnh dưới thể hiện đặc trưng I-V của cỏc chất bỏn dẫn khỏc nhau. Đặc trưng I-V của bất kỡ chất bỏn dẫn nào cũng cú dạng như vậy. thụng qua đú ta xỏc định được tương đối ỏp phõn cực thuận đặt trờn chuyển tiếp p-n
0 200 400 600 800 1000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 U (V ) I(mA) U(V)
Hỡnh 4.2 Đồ thị đặc trưng I-V của LED 630nm
Từ đồ thị về đặc trưng I-V ta thấy rằng với một dũng bơm rất nhỏ thỡ thế trờn LED tăng rất nhanh đến khi đạt điện thế phõn cực thuận trờn lớp tiếp giỏp p-n thỡ tốc độ tăng của nú theo dũng bơm giảm đi. Điều này chứng tỏ điện trở của LED là phi tuyến và nú phụ thuộc vào điện thế phõn cực thuận đặt vào LED. Khi đặt điện ỏp vào LED nhỏ hơn điện ỏp phõn cực thuận điện trở của Led rất lớn. trong đoạn này tốc đọ tăng điện ỏp lớn hơn rất nhiều tốc độ tăng dũng bơm. Cũn khi điện ỏp lớn hơn điện ỏp phõn cực thuận của LED thỡ điện trở của LED giảm xuống chỉ cũn rất nhỏ. Tốc độ tăng của dũng lớn hơn tốc độ tăng của thế. Đối với LED 630nm thế phõn cực thuận xấp xỉ 1,7 V 4.1.3. Đặc trưng phổ LED 630nm
Như đó núi ở trờn phổ của LED ảnh hưởng rất nhiều vào quỏ trỡnh thiết kế quang học. Do đú chỳng ta cần khảo sỏt rất kỹ phổ của LED 630nm để cú thể sử dụng hiệu quả.
Năng lượng vựng cấm của chất bỏn dẫn cú xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng lờn. Điều này cú thể được hiểu tốt hơn nếu ta xem xột rằng khoảng cỏch giữa cỏc nguyờn tử tăng khi biờn độ của dao động nguyờn tử tăng do năng lượng nhiệt tăng lờn. Hiệu ứng này được định lượng bằng hệ số mở rộng tuyến tớnh của vật liệu. Một khoảng cỏch giữa
cỏc nguyờn tử tăng làm giảm khả năng nhỡn thấy cỏc electron trong vật liệu, do đú làm giảm kớch thước của năng lượng. Một điều chế trực tiếp của khoảng cỏch giữa cỏc nguyờn tử, chẳng hạn như bằng cỏch ỏp dụng nộn cao (kộo) căng thẳng, cũng làm tăng (giảm) của vựng cấm.
Vỡ thế đối với LED cũng vậy. khi tăng nhiệt độ sẽ làm độ rộng vựng cấm thay đổi dẫn đến bước súng thay đổi theo. Nờn chỳng tụi cũng tiến hành đo phổ của LED 630nm tại cỏc nhiệt độ khỏc nhau để xem xột sự sai lệch của phổ khi nhiệt độ thay đổi. Từ đú đưa ra đỏnh giỏ sự ảnh hưởng tới quỏ trỡnh mụ phỏng, thiết kế quang học.
600 610 620 630 640 650 660 670 680 0 3000 6000 9000 12000 15000 25oC 35oC 45oC 50oC c -ờng độ b-ớc sóng (nm)
Hỡnh 4.3 Đặc trưng phổ của LED 630nm khi nhiệt độ thay đổi
Đối với đặc trưng phổ của LED 630nm, khi thay đổi nhiệt độ thỡ độ dịch của đỉnh phổ là khụng nhiều khoảng 1nm/5oC. Khụng gõy ảnh hưởng quỏ nhiều vào quỏ trỡnh thiết kế. Độ xờ dịch này sẽ làm cỏc tia bị lệch hướng so với mụ phỏng. Tuy nhiờn theo tớnh toỏn, thấu kớnh chuẩn trực cú thể đỏp ứng được ỏnh sỏng cú bước súng 620-650nm. 4.2. Kết quả đo phõn bố quang của hệ thấu kớnh Fresnel
Thấu kớnh Fresnel sau khi được gia cụng sẽ gồm 2 thấu kớnh giống nhau kớch thước 10x10x0,5cm. Trờn thấu kớnh bao gồm cỏc rónh Fresnel tuyến tớnh xếp dọc song song với nhau. Để khảo sỏt hệ thấu kớnh này. Chỳng tụi tiến hành qua 3 bước: khảo sỏt
hỡnh thỏi, khảo sỏt độ gồ ghề sau cỏc lần chế tạo và khảo sỏt phõn bố quang của LED sau khi chuẩn trực và đi qua hệ thấu kớnh Fresnel.
4.2.1. Hỡnh thỏi thấu kớnh
Thấu kớnh sau khi chế tạo và đỏnh búng cú độ trong suốt cao. Thử nghiệm trờn laser 650nm cho thấy độ truyền qua của thấu kớnh đạt trờn 93%. Mất mỏt do tỏn xạ và hấp thụ <7%. Tuy nhiờn đối với những thấu kớnh cú độ gồ ghề khỏc nhau thỡ sự mất mỏt cũng khỏc nhau. Cụ thể được phõn tớch trong đồ thị sau đõy:
0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 H (%) I(mA) a b
Hỡnh 4.4 Đồ thị hiệu suất truyền qua của thấu kớnh (a)Thấu kớnh được chế tạo với step 20àm
(b)Thấu kớnh được chế tạo với step 5àm
Dễ dàng nhận thấy từ đồ thị hỡnh 3.6 cỏc thấu kớnh cú cấu trỳc khỏc nhau cho hiệu suất truyền qua là tương đương nhau chỉ sai lệch với nhau 1-2%. Và hiệu suất truyền qua cũng rất cao đạt trờn 93% so với cụng suất đầu vào. Như vậy về độ truyền qua cả hai loại thấu kớnh đều đạt yờu cầu
Hỡnh 4.5 Thấu kớnh Fresnel sau khi chế tạo bằng phương phỏp cnc micro (a) thấu kớnh trước khi đỏnh búng (b) thấu kớnh sau khi đỏnh búng 4.2.2. Kết quả đo phõn bố quang của LED khi chưa cú thấu kớnh
Trong phộp đo này chỳng tụi tiến hành khảo sỏt phõn bố ỏnh sỏng của chip LED bước súng 630nm. LED được cấp dũng ổn định 1A. Khoảng cỏch từ LED đến mặt phẳng chứa đầu thu là 50cm.
Hỡnh 4.6 Phõn bố quang của LED luxeon 3W trờn diện tớch 1m x1m
Đối với đốn LED khi khụng cú thấu kớnh. Phõn bố ỏnh sỏng trờn diện tớch chiếu cú hỡnh dạng trũn đối xứng. Năng lượng tập trung chủ yếu vào giữa và giảm dần khi ra xa. Sự chờnh lệch của mật độ cụng suất là tương đối lớn. mật độ cụng suất của điểm cỏch tõm diện tớch chiếu 10cm giảm 60% so với mật độ cụng suất tại tõm. Chớnh vỡ thế, khi ứng dụng đốn LED khụng cú thành phần quang học thứ cấp vào chiếu sỏng nụng
nghiệp sẽ tạo ra hiệu ứng khụng đều gõy khú khăn cho thiết kế chiếu sỏng với chi phớ thấp và diện tớch lớn.
4.2.3. Kết quả đo phõn bố quang của đốn LED khi đi qua thấu kớnh hội tụ
Hỡnh 4.7 Phõn bố quang khi đi qua thấu kớnh chuẩn trực trờn diện tớch 1m x1m Đối với đốn LED khi cú thấu kớnh chuẩn trực, thấu kớnh đó tạo được chựm tia song song như được mụ phỏng từ trước với gúc mở chỉ ~5o. mật độ cụng suất tại trục chớnh thấu kớnh chuẩn trực đạt cực đại và mật độ cụng suất tại điểm cỏch tõm trục chớnh thấu kớnh chuẩn trực gần như bằng 0. Như vậy. phõn bố ỏnh sỏng của đốn LED sau khi đi qua thấu kớnh chuẩn trực hoàn toàn đạt yờu cầu để ghộp vào hệ thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh.
4.2.4. Kết quả đo phõn bố quang của đốn LED khi đi qua hệ thấu kớnh Fresnel
Đối với hệ thấu kớnh Fresnel chỳng tụi tiến hành khảo sỏt phõn bố trờn cỏc thấu kớnh cú cấu trỳc chế tạo khỏc nhau để lựa chọn được thấu kớnh phự hợp nhất. Vấn đề khi chế tạo thấu kớnh Fresnel nằm ở thời gian chế tạo rất khỏc nhau với cỏc step khỏc nhau. Đối với Fresnel cấu trỳc bề mặt cú độ mịn 5àm, thời gian chế tạo sẽ là 10 giờ với kớch thước thấu kớnh là 100 x100 x5 mm. Trong khi đú thấu kớnh Fresnel cấu trỳc bề mặt cú độ mịn 20àm thời gian chế tạo rỳt ngắn xuống chỉ cũn 4 giờ. Vỡ thế lựa chọn được cấu trỳc tối ưu với thời gian chế tạo nhanh sẽ giỳp nõng cao năng lực sản xuất mà tớnh chất quang học của thấu kớnh vẫn đạt được yờu cầu đặt ra.
Hỡnh 4.8 Phõn bố quang của LED khi đi qua hệ thấu kớnh Fresnel 20àm Như kết quả đó thu được thấu kớnh Fresnel cú cấu trỳc bề mặt với độ mịn 20àm cho kết quả phõn bố chưa đồng đều. Điều này được giải thớch do cấu trỳc bề mặt của thấu kớnh chưa đạt độ mịn yờu cầu nờn xảy ra hiện tượng tỏn xạ, cỏc gúc tạo bề mặt khỳc xạ cũng chưa đạt yờu cầu để phõn bố lại chựm tia sỏng song song sau khi đi qua thấu kớnh chuẩn trực. Cỏc điểm lấy mẫu mặc dự là cạnh nhau nhưng lại cú sự sai lệch khỏ lớn về cụng suất quang thu được. Tuy nhiờn phần ỏnh sỏng chuẩn trực sau khi đi qua hệ thấu kớnh đó được phõn bố lại một phần, kết quả thu được sau khi đi qua thấu kớnh Fresnel cũng khụng phải là ỏnh sỏng chuẩn trực, do đú đõy là tiền đề để chế tạo thấu kớnh cú cấu trỳc tốt hơn, phự hợp với yờu cầu đề ra.
Đối với thấu kớnh Fresnel cú cấu trỳc bề mặt với độ mịn 5àm. kết quả phõn bố phự hợp với mụ phỏng, mật độ cụng suất tại cỏc điểm trờn bề mặt chiếu sỏng cú sự đồng đều rừ rệt. Điểm cỏch tõm chiếu sỏng 15cm cú cụng suất quang thu được xấp xỉ bằng cụng suất thu được tại tõm. Diện tớch chiếu sỏng cú phõn bố dạng hỡnh vuụng với cỏc điểm đo cạnh nhau khụng cú sự khỏc biệt nhiều do đú sự tỏn xạ do cấu trỳc khụng đồng đều cũng đó giảm đỏng kể so với cấu trỳc 20àm. Bờn cạnh đú trờn toàn bộ diện tớch chiếu sỏng cũng khụng cú điểm cụng suất đột biến. Dựa trờn kết quả thu được, chỳng tụi đỏnh giỏ thấu kớnh cú cấu trỳc 5àm cú kết quả đạt yờu cầu, phự hợp cho chiếu sỏng tạo độ đồng đều cao.
4.3. So sỏnh kết quả độ đồng đều với thấu kớnh thương mại
Thấu kớnh củ lạc là loại thấu kớnh được dựng chủ yếu trong chiếu sỏng đường phố. Cấu tạo thấu kớnh tạo ra hai gúc mở khỏc nhau một chiều 70o cũn một chiều là 150o. Thấu kớnh đặc biệt phự hợp diện tớch chiếu sỏng hỡnh chữ nhật, giỳp tiết kiệm số lượng đốn chiếu trờn một đơn vị độ dài.
Hỡnh 4.9 Thấu kớnh củ lạc (peanut)
Đối với phộp đo thấu kớnh củ lạc. chỳng tụi vẫn sử dụng LED luxeon 3W để ghộp với thấu kớnh. LED được cung cấp dũng 1A liờn tục và được đặt cỏch mặt phẳng chưa đầu thu là 50cm. Diện tớch chiếu sỏng 1m x 1m, độ phõn gải của đầu thu là 1cm.
(a)
(b)
Hỡnh 4.10 Phõn bố quang của LED sau khi đi qua thấu kớnh củ lạc và hệ thấu (a)Thấu kớnh củ lạc (b) hệ thấu kớnh Fresnel
Thấu kớnh củ lạc là thấu kớnh chỳng tụi đó thử nghiệm cõy hoa cỳc trong cỏc thớ nghiệm trước đõy, thấu kớnh cú đặc điểm phõn bố theo chiều dọc phự hợp với cỏc luống cõy hỡnh chữ nhật. Thấu kớnh cú phõn bố tương đối phức tạp do cấu trỳc gõy ra. Tuy nhiờn phõn bố của thấu kớnh vẫn chưa đạt sự đồng đều như mong muốn. mật độ cụng suất vẫn tập trung ở giữa và giảm dần khi ra xa. Mặc dự lượng cụng suất tại hai đầu củ lạc đó được phõn bố lại và mở rộng ra tuy nhiờn phần mở rộng cụng suất thu được vẫn rất thấp. Do thấu kớnh củ lạc thu hẹp gúc mở ở một chiều nờn cụng suất trờn phần diện tớch cũn lại được đẩy lờn khỏ cao. Phần trung tõm thấu kớnh tạo ra nhiều cực trị cụng suất. chưa đạt được độ đồng đều như mong muốn.
KẾT LUẬN
Từ luận văn này chỳng tụi đó thực hiện được một số kết quả cụ thể như sau: 1. Hoàn thiện thiết kế chế tạo linh kiện quang học thứ cấp cho LED tạo độ đồng đều
chiếu sỏng cao gồm cú thấu kớnh chuẩn trực và thấu kớnh Fresnel.
- Tớnh toỏn, mụ phỏng chựm tia phỏt xạ từ đốn LED 630nm khi đi qua hệ thấu kớnh phõn bố ỏnh sỏng đồng đều
- Hệ thấu kớnh chế tạo cho tỷ lệ ỏnh sỏng truyền qua cao >90%
- Hệ thấu kớnh chế tạo cú cấu trỳc bề mặt khụng bị nứt vỡ, được đỏnh búng và xử lý bề mặt đạt yờu cầu sử dụng làm linh kiện quang học.
2. Chế tạo hoàn thiện LED ghộp với hệ thống quang học thứ cấp phõn bố lại ỏnh sỏng tạo độ đồng đều trờn diện tớch chiếu sỏng.
- Đo phõn bố ỏnh sỏng của LED trong trường hợp cú thấu kớnh, khụng cú thấu kớnh và đi qua toàn bộ hệ thống quang học ở cỏc điều kiện chế tạo khỏc nhau - So sỏnh với thấu kớnh thương mại, thấu kớnh do chỳng tụi chế tạo cú tớnh đồng
đều cao hơn.
3. Khảo sỏt một số thụng số của đốn LED bước súng 630nm, định hướng chiếu sỏng trong nụng nghiệp
4. Hướng nghiờn cứu tiếp theo
- Hoàn thiện bộ đốn LED chiếu sỏng đồng đều với bước súng 630nm ứng dụng cho chiếu sỏng nụng nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Global, B. Bp statistical review of world energy 2017. https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-ofworld- energy.html
[2] Hai, V.N; Tuan, P.T; Shin.S; LED Uniform Illumination Using Double Linear Fresnel Lenses for Energy Saving, Energies 2017, 10, 2091; doi:10.3390/en10122091 [3] Sawin, J.L.; Sverrisson, F.; Seyboth, K.; Adib, R.; Murdock, H.E.; Lins, C.; Edwards, I.; Hullin, M.; Nguyen, L.H.; Prillianto, S.S. Renewables 2017 global status report. 2013.
[4] Kalogirou, S.A. Solar energy engineering: Processes and systems. Academic Press: 2013.
[5] Horowitz, K.A.; Woodhouse, M.; Lee, H.; Smestad, G.P. In A bottom-up cost analysis of a high concentration pv module, AIP Conference Proceedings, 2015; AIP Publishing: p 100001.
[6] Fraunhofer, I. New world record for solar cell efficiency at 46% french-german cooperation confirms competitive advantage of european photovoltaic industry. Press release 2014, 26.
[7] Yamada, N.; Hirai, D. Maximization of conversion efficiency based on global normal irradiance using hybrid concentrator photovoltaic architecture. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2016, 24, 846-854.
[8] instruments, N. Photovoltaic cell overview. http://www.ni.com/whitepaper/7229/en/ [9] Energy, C.G. Solar optic module. http://crystalgreenenergy.com/how- itworks/#prettyPhoto
[10] Tien, N.X.; Shin, S. A novel concentrator photovoltaic (cpv) system with the improvement of irradiance uniformity and the capturing of diffuse solar radiation. Applied Sciences 2016, 6, 251. 164
[11] Kost, C.; Mayer, J.N.; Thomsen, J.; Hartmann, N.; Senkpiel, C.; Philipps, S.P.; Nold, S.; Lude, S.; Saad, N.; Schmid, J. Levelized cost of electricity: Pv and cpv in comparison to other technologies. Fraunhofer ISE 2013.
[12] Buljan, M.; Mendes-Lopes, J.; Benớtez, P.; Miủano, J.C. Recent trends in concentrated photovoltaics concentrators’ architecture. Journal of Photonics for Energy 2014, 4, 040995.
[13] Consortium, C. Listing projects. http://cpvconsortium.org/projects [14] Sayigh, A. Solar energy engineering. Elsevier: 2012.