Tài liệu Luận văn thạc sĩ đánh giá hiệu quả năng lượng và tác động đến môi trường của đèn led trong canh tác hoa cúc.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Thị Thu Linh ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG CỦA ĐÈN LED TRONG CANH TÁC HOA CÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Thị Thu Linh ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG CỦA ĐÈN LED TRONG CANH TÁC HOA CÚC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu Hà Nội – 2020 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào. Học viên i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ chân thành và quý báu của Ban Lãnh đạo, anh chị và bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Phát triển công nghệ cao đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Luận văn hoàn thành theo chương trình đào tạo cao học khóa K2018A tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tôi đã nhận được sự quan tâm của Ban lãnh đạo, Phòng Đào tạo – Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể thực hiện dự án “Phát triển và thúc đẩy công nghệ LED cho chiếu sáng chung ở Việt Nam” được tài trợ bởi Quỹ Môi trường toàn cầu (GEF), Chương trình Phát triển Liên hợp quốc (UNDP) và đồng tài trợ bởi các cơ quan/đơn vị liên quan của Việt Nam; đề tài thuộc Chương trình Tây Nguyên 2016-2020 “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 đề tài “Nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu sáng LED phục vụ nông nghiệp Tây Nguyên”, mã số TN3/C09 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiết sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên ii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt AP ARD B CFL EDP EP FAET FL GEF GWP HTTP HWL LCA LCI LCIA LED LED NN LU MAETP NHWL ODP POCP R RWL TAETP UNDP UNEP UV W (LED) Tiềm năng axit hóa Suy giảm tài nguyên phi sinh học Xanh lam (Blue) Đèn huỳnh quang compact Tiềm năng thiệt hại hệ sinh thái Tiềm năng phú dưỡng Tiềm năng độc tính sinh thái nước ngọt Huỳnh quang Quỹ môi trường toàn cầu Tiềm năng nóng lên toàn cầu Tiềm năng độc tính đối với con người Chôn lấp chất thải nguy hại Đánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment) Kiểm kê vòng đời sản phẩm (Life Cycle Inventory) Phân tích tác động của vòng đời sản phẩm (life-cycle impact assessment) Đèn LED (Light Emiting Diode) LED nông nghiệp Sử dụng đất đai Tiềm năng độc tính sinh thái dưới nước biển Chôn lấp chất thải không nguy hại Tiềm năng suy giảm ôzôn Tiềm năng tạo Ozone quang hóa Đỏ (Red) Chôn lấp chất thải phóng xạ Tiềm năng độc tính sinh thái trên cạn Chương trình Phát triển Liên hợp quốc Chương trình Môi trường Liên hợp quốc Tử ngoại Trắng (LED) (White) iii Danh mục các bảng Bảng 1.1. Tóm tắt các màu của LED và các vật liệu thông dụng.....................6 Bảng 1.2. Các dải phổ của ánh sáng mặt trời tác động đến đời sống của cây 14 Bảng 1.3. LCA các chỉ số môi trường được chọn...........................................22 Bảng 2.1. Các thông số chính của đèn huỳnh quang FL T8 Daylight F26-36W và đèn LED T8 B1R5W1 sử dụng trong giai đoạn nhân giống cây in vitro .. 30 Bảng 2.2. Các thông số chính của đèn CFL 3U4T H8-20W và đèn LED 3U B1R5W1- 9W sử dụng trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm.....31 Bảng 2.3. Thông số chính của đèn CFL chống ẩm 3U-25W và đèn LED 3U R660-7W sử dụng trong giai đoạn sản xuất cây hoa Cúc...............................32 Bảng 2.4. Tóm tắt các giai đoạn của vòng đời được tính toán trong nghiên cứu 39 Bảng 3.1. Dữ liệu nguyên nhiên liệu đầu vào của đèn LED...........................41 Bảng 3.2. Các loại và lượng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trường của đèn huỳnh quang FL T8 Daylight-36W.................................................................45 Bảng 3.3. Các loại và lượng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trường của đèn CFL 3U4T-20W..............................................................................................45 Bảng 3.4. Các loại và lượng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trường của đèn CFL chống ẩm 3U-25W..................................................................................46 Bảng 3.5. Các loại và lượng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trường của đèn LED T8 B1R5W1-18W..................................................................................46 Bảng 3.6. Các loại và lượng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trường của đèn LED 3U B1R5W1-9W....................................................................................47 Bảng 3.7. Các loại và lượng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trường của đèn LED 3U R660-7W..........................................................................................47 Bảng 3.8. Các thông số đèn Huỳnh quang FL T8 Daylight-36W và đèn LED T8 B1R5W1-18W được sử dụng trong nghiên cứu này và số lượng đèn cần cho nhân giống cây hoa Cúc in vitro...............................................................49 iv Bảng 3.9. Các thông số đèn CFL 3U4T-20W, đèn LED 3U B1R5W1-9W được sử dụng trong nghiên cứu này và số lượng đèn để chiếu sáng 1000m2 diện tích canh tác hoa Cúc.............................................................................. 52 Bảng 3.10. Các thông số đèn CFL chống ẩm 3U-25W và đèn LED 3U R6607W được sử dụng trong nghiên cứu này và số lượng đèn cần để chiếu sáng 1000 m2 diện tích canh tác hoa Cúc*.............................................................54 Bảng 3.11. So sánh các tác động đến môi trường của đèn LED T8 B1R5W118W so với đèn Huỳnh quang FL T8-36W Daylight trong giai đoạn nhân giống in vitro...................................................................................................57 Bảng 3.12. So sánh các tác động đến môi trường của đèn LED 3U B1R5W19W so với đèn CFL 3U4T-20W trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm................................................................................................................. 63 Bảng 3.13. So sánh các tác động đến môi trường của đèn LED 3U R660-7W so với đèn CFL chống ẩm 3U-25W trong giai đoạn điều khiển ra hoa cây hoa Cúc..................................................................................................................69 Bảng PL.1. Các tác động của đèn CF-15W và đèn LED-12,5W liên quan đến môi trường không khí [21]..............................................................................80 Bảng PL.2. Các tác động của đèn CFL-15W và đèn LED-12,5W liên quan đến môi trường nước [21]...............................................................................80 Bảng PL.3. Các tác động của đèn CFL-15W và đèn LED-12,5W liên quan đến môi trường đất.[21].................................................................................. 81 Bảng PL.4. Các tác động của đèn CFL15W và đèn LED12,5W liên quan đến môi trường tài nguyên [21]............................................................................. 81 v Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Các bộ phận cơ bản của một bộ đèn chiếu sáng LED.......................4 Hình 1.2. Bộ đèn chiếu sáng LED.................................................................... 4 Hình 1.3. Giản đồ mô tả nguyên lý hoạt động của điốt bán dẫn.......................5 Hình 1.4. Hình ảnh nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED trắng trộn 3 màu RGB.................................................................................................................. 7 Hình 1.5. Cấu trúc của LED trắng phốt pho [2]................................................8 Hình 1.6. Phổ phát quang của LED trắng phốt pho và phổ cảm nhận của mắt người (đường đứt đoạn) [2]...............................................................................8 Hình 1.7. Driver cài đặt bên trong bóng đèn LED............................................9 Hình 1.8. Driver cài đặt bên ngoài đèn LED.................................................. 10 Hình 1.9. Các thấu kính và bộ phản xạ cho đèn LED.....................................10 Hình 1.10. Một số cấu hình bộ tản nhiệt cho các loại đèn LED..................... 11 Hình 1.11. Công nghệ làm lạnh đèn LED bằng heat pipe cho đèn pha, đèn đường và bộ đèn treo trần Cu-Beam™...........................................................11 Hình 1.12. Các bước chủ yếu trong công nghệ sản xuất LED [2]..................12 Hình 1.13. Quy trình tổng thể để sản xuất đèn, bộ đèn chiếu sáng LED........13 Hình 1.14. Phổ hấp thụ và phổ bảng LED ứng dụng trong cây trồng do nhóm tác giả Wei Fang (National Taiwan University) đề xuất [3]...........................14 Hình 1.15. Hai ví dụ điển hình ứng dụng hệ thống chiếu sáng dùng nguồn sáng LED.........................................................................................................17 Hình 1.16. Sơ đồ thể hiện các giai đoạn thực hiện LCA (Nguồn: TCVN ISO14040:2009)..............................................................................................21 Hình 2.1. Hình ảnh các loại đèn sử dụng trong thí nghiệm nhân giống cây in vitro.................................................................................................................30 Hình 2.2. Hình ảnh và phổ ánh sáng của đèn được sử dụng trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm.................................................................... 31 Hình 2.3. Hình ảnh và phổ ánh sáng của đèn được sử dụng trong giai đoạn sản xuất hoa Cúc....................................................................................................32 Hình 2.4. Hình ảnh giàn đèn LED NN 6 tầng.................................................33 Hình 2.5. Hình ảnh thiết bị đo ánh sáng lượng tử LICO-LI-250ª...................34 vi Hình 2.6. Hình ảnh nhà lưới thực hiện thí nghiệm chiếu sáng điều khiển quang chu kỳ bằng các loại đèn LED............................................................. 34 Hình 2.7. Cây hoa Cúc Pha Lê........................................................................35 Hình 2.8. Phạm vi, bốn giai đoạn, đầu vào và đầu ra (các tác động đến môi trường) của đánh giá vòng đời sản phẩm........................................................38 Hình 3.1. Cụm chồi Cúc được nuôi cấy in vitro dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau........................................................................................................ 48 Hình 3.2. Trồng cây giống trong vườn ươm dưới ánh sáng đèn LED 3U B1R5W1-9W.................................................................................................. 51 Hình 3.3. Hình ảnh chiếu sáng điều khiển ra hoa cây hoa Cúc......................53 Hình 3.4. Ảnh chụp luống hoa Cúc sau 56 ngày tuổi..................................... 53 Hình 3.5. So sánh các tác động đến môi trường của đèn LED T8 B1R5W118W so với đèn Huỳnh quang FL T8-36W Daylight trong giai đoạn nhân giống cây hoa Cúc in vitro..............................................................................58 Hình 3.6. So sánh 5 chỉ số tác động đến môi trường không khí trong giai đoạn nhân giống cây hoa Cúc in vitro của đèn Huỳnh quang FL T8 Daylight-36W và đèn LED T8 B1R5W1-18W.......................................................................59 Hình 3.7. So sánh 3 chỉ số tác động đến môi trường nước trong giai đoạn nhân giống cây hoa Cúc in vitro của đèn Huỳnh quang FL T8 Daylight-36W và đèn LED T8 B1R5W1-18W..................................................................................60 Hình 3.8. So sánh 3 chỉ số tác động đến môi trường đất trong giai đoạn nhân giống cây hoa Cúc in vitro của đèn Huỳnh quang FL T8 Daylight-36W và đèn LED T8 B1R5W1-18W..................................................................................60 Hình 3.9. So sánh 4 chỉ số động đến môi trường tài nguyên trong giai đoạn nhân giống cây hoa Cúc in vitro của đèn Huỳnh quang FL T8 Daylight-36W và đèn LED T8 B1R5W1-18W.......................................................................61 Hình 3.10. So sánh các tác động đến môi trường của đèn LED 3U B1R5W19W so với đèn CFL 3U4T-20W trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm................................................................................................................. 64 Hình 3.11. So sánh 5 chỉ số tác động đến môi trường không khí trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W.............................................................................................65 Hình 3.12. So sánh 3 chỉ số tác động đến môi trường nước trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W.................................................................................................. 66 vii Hình 3.13. So sánh 3 chỉ số tác động đến môi trường đất trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W.................................................................................................. 66 Hình 3.14. So sánh 4 chỉ số tác động đến môi trường tài nguyên trong giai đoạn trồng cây giống trong vườn ươm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W.............................................................................................67 Hình 3.15. So sánh các tác động đến môi trường của đèn LED 3U R660-7W so với đèn CFL chống ẩm 3U-25W trong giai đoạn điều khiển ra hoa cây hoa Cúc..................................................................................................................70 Hình 3.16. So sánh 5 chỉ số tác động đến môi trường không khí trong giai đoạn điều khiển ra hoa cây hoa Cúc của đèn CFL chống ẩm 3U-25W và đèn LED 3U R660-7W..........................................................................................71 Hình 3.17. So sánh 3 chỉ số tác động đến môi trường nước trong giai đoạn điều khiển ra hoa cây hoa Cúc của đèn CFL chống ẩm 3U-25W và đèn LED 3U R660-7W...................................................................................................72 Hình 3.18. So sánh 3 chỉ số động đến môi trường đất trong giai đoạn điều khiển ra hoa cây hoa Cúc của đèn CFL chống ẩm 3U-25W và đèn LED 3U R660-7W.........................................................................................................72 Hình 3.19. So sánh 4 chỉ số tác động đến môi trường tài nguyên trong giai đoạn điều khiển ra hoa cây hoa Cúc của đèn CFL chống ẩm 3U-25W và đèn LED 3U R660-7W..........................................................................................73 viii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................................i LỜI CẢM ƠN...................................................................................................ii MỤC LỤC.......................................................................................................ix MỞ ĐẦU.....................................................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU...........................................................4 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CÁC NGUỒN SÁNG LED................................................................................... 4 1.1.1. Cấu tạo của đèn LED......................................................................4 1.1.2. Nguyên lý hoạt động và công nghệ chế tạo đèn chiếu sáng LED .. 5 1.1.3. Đèn chiếu sáng LED ứng dụng trong nông nghiệp (LED NN).....13 1.1.4. Ứng dụng các nguồn sáng LED trong canh tác hoa Cúc..............16 1.2. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÒNG ĐỜI SẢN PHẨM..................20 1.2.1. Khái niệm về đánh giá vòng đời sản phẩm...................................20 1.2.2. Các chỉ số đánh giá tác động đến môi trường...............................22 1.2.3. Lợi ích của công cụ đánh giá vòng đời sản phẩm.........................23 1.2.4. Các nghiên cứu về đánh giá vòng đời sản phẩm...........................24 1.2.5. Cơ sở pháp lý liên quan đến đánh giá vòng đời sản phẩm............27 CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1. CÁC NGUYÊN LIỆU, VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ....................29 2.1.1. Các loại đèn nghiên cứu................................................................29 2.1.2. Các trang thiết bị...........................................................................33 2.1.3. Giống hoa Cúc nghiên cứu............................................................34 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..............................................35 2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp...........................................35 2.2.2. Phương pháp nhân giống và điều khiển ra hoa cây hoa Cúc........35 2.2.3. Phương pháp đánh giá hiệu suất năng lượng................................ 36 2.2.4. Phương pháp đánh giá các tác động đến môi trường....................37 2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu.............................................................39 ix CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................40 3.1. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG CỦA ĐÈN LED........................................................................40 3.1.1. Nguồn nguyên, nhiên liệu, năng lượng đầu vào cho các giai đoạn 40 3.1.2. Các loại, lượng chất thải phát sinh trong quá trình sản xuất và sử dụng các loại đèn LED, đèn CFL và đèn huỳnh quang T8.....................43 3.1.3. Kết quả đánh giá hiệu quả năng lượng và tác động đến môi trường của đèn LED so sánh với đèn CFL và đèn huỳnh quang T8 sử dụng để nhân giống và điều khiển ra hoa của cây hoa Cúc..................................48 3.2. THẢO LUẬN......................................................................................73 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................75 4.1. KẾT LUẬN......................................................................................... 75 4.2. KIẾN NGHỊ.........................................................................................76 x 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 trường của thế kỷ 21, đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong công nghệ chiếu sáng. Đèn LED có các ưu điểm vượt trội so với các loại đèn truyền thống như 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 cường độ chiếu sáng, ít phát nhiệt, thân thiện môi trường, đem lại những giá trị độc đáo trong chiếu sáng cho nhiều mục đích khác nhau như chiếu sáng nội thất, chiếu sáng giao thông đường phố, chiếu sáng nghệ thuật, chiếu sáng trong công nghiệp, nông lâm ngư nghiệp… Rào cản duy nhất của công nghệ chiếu sáng LED là giá thành, nhưng với tốc độ nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm của đèn LED như hiện nay, rào cản này nhanh chóng sẽ được dỡ bỏ [1]. Trong những năm gần đây, đèn LED đã được 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 trưởng không những ở điều kiện in vitro, mà còn cả ở điều kiện ex vivo ở nhiều nước trên thế giới. Chiếu sáng LED so với các nguồn chiếu sáng truyền thống có các ưu điểm cơ bản như: Hiệu suất năng lượng sinh học cao, cải thiện mật độ cây trồng và tiết kiệm điện năng rất đáng kể. Sử dụng năng lượng hiệu quả của các nguồn sáng cũng là một khía cạnh môi trường. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là sử dụng năng lượng hiệu quả của các nguồn sáng có quan trọng hơn các khía cạnh môi trường khác của các sản phẩm chiếu sáng hay không, ví như những tiến bộ trong chế tạo hoặc tái chế và xử lý. Để tính đến các tác động môi trường một cách toàn diện, một phương pháp khoa học được tiêu chuẩn hóa đã được phát triển, đó là đánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment - LCA). LCA được biết tới vào 1 những năm 1970, và là một phương pháp khoa học được thiết lập để định lượng và so sánh các tác động môi trường. Mục tiêu của LCA là so sánh toàn bộ các hiệu ứng môi trường có thể gán cho sản phẩm bằng cách định lượng tất cả các nguồn nguyên liệu đầu vào, các sản phẩm đầu ra và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến môi trường như thế nào. LCA được 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” được tài trợ bởi Quỹ Môi trường toàn cầu (GEF), Chương 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 lượng và các tác động đến môi trường 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 hướng thân thiện với môi trường. 2. Mục đích của đề tài - Đánh giá hiệu quả năng lượng và các tác động đến môi trường 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 hướng thân thiện với môi trường. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 Đối tượng 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. 4. 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 trưởng, điều khiển ra hoa chứ chưa có nghiên cứu đánh giá hiệu quả năng lượng và tác động đến môi trường của đèn LED. Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần đánh giá hiệu quả năng lượng và các tác động đến môi trường 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 hướng thân thiện với môi trường, làm cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm bảo vệ môi trường hiệu quả ở Việt Nam. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CÁC NGUỒN SÁNG LED 1.1.1. 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) được mô tả trong Hình 1.1 và 1.2 [2] b) Bộ điều khiển điện cho LED (LED Driver) a) Điốt phát sáng (LED) c) Bộ phận quanghọc (Optics) d) Bộ phận Quản lý nhiệt (Thermal Mansgement) Hình 1.1. Các bộ phận cơ bản của một bộ đèn chiếu sáng LED [2] Hình 1.2. 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 1.1.2. Nguyên lý hoạt động và công nghệ chế tạo đèn chiếu sáng LED 1.1.2.1. 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 được hai miền: miền p dẫn điện bằng lỗ trống (hạt tải mang điện dương) và miền n dẫn điện bằng điện tử (hạt tải mang điện âm), giữa hai miền là lớp tiếp xúc p – n (Hình 1.3). Giống như điôt (đèn hai cực chỉnh lưu bán dẫn) dòng điện dễ dàng đi từ miền p sang miền n (đi theo chiều thuận) chứ không đi được theo chiều ngược lại. Khi nối điện đi theo chiều thuận lỗ trống và điện tử bị đẩy theo hai chiều ngược nhau, chúng gặp nhau ở lớp tiếp xúc p - n, tổ hợp lại và phát ra ánh sáng. Hình 1.3. Giản đồ mô tả nguyên lý hoạt động của điốt bán dẫn [2] Các lại LED ánh sáng đơn sắc: Nhiều vật liệu đã được phát triển cho các đèn LED thương 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) được pha tạp vào các lớp của đèn LED và được sử dụng để xây dựng lớp hoạt động. Những vật liệu khác nhau này phát ra ánh sáng ở bước sóng 5 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 được sử dụng trong LED giúp xác định màu sắc của phát xạ ánh sáng. Bảng 1.1 trình bày một số vật liệu phổ biến được sử dụng ngày nay trong sản xuất các đèn LED màu được liệt kê trong cột đầu tiên. Bảng 1 1. Tóm tắt các màu của LED và các vật liệu thông dụng [2] Màu sắc Bước sóng [nm] Điện áp [ V] Hồng ngoại λ>760 V < 1,63 Đỏ 610<λ<760 1,63 < V < 2,03 Vật liệu GaAs AlGaAs AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga (III) GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga (III) Cam 590<λ<610 2,03 < V < 2,10 Vàng 570<λ<590 2,10 < V < 2,18 GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga (III 1,9 < InGaN /GaN, Ga (III) GaP, Ga(III ), AlGaInP, AlGaP Xanh lục 500<λ<570 V<4,0 Xanh lam 450<λ<500 2,48 < V<3,7 Tím 400<λ<450 2,76 < V<4,0 Đỏ tía Nhiều loại 2,48 < V<3,7 Tia cực tím λ<400 3,1 < V<4,4 6 ZnSe, InGaN, SiC (phiến đế) Si (phiến đế đang phát triển) Indium gallium nitride (InGaN) LEDs hai mầu xanh lam/đỏ (blue/red), LED xanh lam phủ phốt pho đỏ, hoặc LED trắng với nhựa màu đỏ (purple) Kim cương (235 nm), BN(215 nm) AlN) (210 nm), AlGaN, AlGaInN – xuống đến 210 nm Màu sắc Bước sóng [nm] Điện áp [ V] Hồng Nhiều loại V~3,3 Trắng Phổ rộng V=3,5 Vật liệu Màu xanh với một hoặc hai lớp phốt pho: màu vàng với màu đỏ, cam hoặc hồng phốt pho được thêm vào sau đó, hoặc màu trắng với sắc tố màu hồng hoặc thuốc nhuộm. điốt xanh da trời/UV kết 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 vượt 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 được 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. Hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của loại LED trắng RGB Nguyên lý trộn 3 mầu để tạo ánh sáng trắng LED trắng sáng loại RGB bằng cách sử dụng 3 LED: đỏ, xanh lục, xanh lam Hình 1.4. Hình ảnh nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED trắng trộn 3 màu RGB [2] Nguồn: Giới thiệu và sử dụng RGB led. http://www.vutbay.net/gioi-thieu-va-su-dung-rgb-led/ 7  Sử dụng LED xanh lam (Blue) hoặc LED tử ngoại (UV) và lớp phốt pho (để tiện lợi, gọi tắt là LED trắng phốt pho): Trên chip LED loại Blue hoặc UV, người ta phủ một lớp phủ phốt pho lên bề mặt của chip gọi là lớp chuyển đổi. Khi các LED chip hoạt động, tia sáng xanh hoặc tia UV phát ra đập vào lớp phủ phốt pho, các nguyên tử phốt pho được kích thích sẽ phát ra tia sáng vàng hoặc tia đỏ và xanh lục (Hình 1.5). Phổ phát quang của loại LED phốt pho có dạng như trên Hình 6. Phổ ánh sáng được phát xạ bởi LED chip và lớp phủ phốt pho có dải sóng từ 400 – 700 nm (đường liền), phổ ánh sáng này được mắt người cảm nhận như là nguồn ánh sáng trắng (đường đứt đoạn) như mô tả trên Hình 1.6. Huỳnh quang phốt pho Phốt pho Dây hàn Phát quang màu xanh lam từ chip Chip LED Phốt pho Hình 1.5. Cấu trúc của LED trắng phốt pho [2] Hình 1.6. Phổ phát quang của LED trắng phốt pho và phổ cảm nhận của mắt người (đường đứt đoạn) [2]. 8