Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật môi trường: Đánh giá hiệu quả năng lượng và tác động đến môi trường của đèn led trong canh tác hoa cúc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiệu của đề tài là 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 trưường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật môi trường: Đánh giá hiệu quả năng lượng và tác động đến môi trường của đèn led trong canh tác hoa cúc

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Thị Thu Linh ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƢỜNG CỦA ĐÈN LED TRONG CANH TÁC HOA CÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO 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 TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Hƣớng 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, chƣa từng đƣợc 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 Tiềm năng axit hóa ARD Suy giảm tài nguyên phi sinh học B Xanh lam (Blue) CFL Đèn huỳnh quang compact EDP Tiềm năng thiệt hại hệ sinh thái EP Tiềm năng phú dƣỡng FAET Tiềm năng độc tính sinh thái nƣớc ngọt FL Huỳnh quang GEF Quỹ môi trƣờng toàn cầu GWP Tiềm năng nóng lên toàn cầu HTTP Tiềm năng độc tính đối với con ngƣời HWL Chôn lấp chất thải nguy hại LCA Đánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment) LCI Kiểm kê vòng đời sản phẩm (Life Cycle Inventory) LCIA Phân tích tác động của vòng đời sản phẩm (life-cycle impact assessment) LED Đèn LED (Light Emiting Diode) LED NN LED nông nghiệp LU Sử dụng đất đai MAETP Tiềm năng độc tính sinh thái dƣới nƣớc biển NHWL Chôn lấp chất thải không nguy hại ODP Tiềm năng suy giảm ôzôn POCP Tiềm năng tạo Ozone quang hóa R Đỏ (Red) RWL Chôn lấp chất thải phóng xạ TAETP Tiềm năng độc tính sinh thái trên cạn UNDP Chƣơng trình Phát triển Liên hợp quốc UNEP Chƣơng trình Môi trƣờng Liên hợp quốc UV Tử ngoại W (LED) 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 trƣờng đƣợc 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 vƣờn ƣơm ..... 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 đƣợc 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 lƣợng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trƣờng của đèn huỳnh quang FL T8 Daylight-36W ................................................................. 45 Bảng 3.3. Các loại và lƣợng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trƣờng của đèn CFL 3U4T-20W .............................................................................................. 45 Bảng 3.4. Các loại và lƣợng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trƣờng của đèn CFL chống ẩm 3U-25W .................................................................................. 46 Bảng 3.5. Các loại và lƣợng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trƣờng của đèn LED T8 B1R5W1-18W .................................................................................. 46 Bảng 3.6. Các loại và lƣợng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trƣờng của đèn LED 3U B1R5W1-9W .................................................................................... 47 Bảng 3.7. Các loại và lƣợng chất thải phát sinh trong quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất và sử dụng gây tác động đến môi trƣờng 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 đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này và số lƣợng 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 đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này và số lƣợng 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 R660- 7W đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này và số lƣợng đèn cần để chiếu sáng 1000 m2 diện tích canh tác hoa Cúc* ............................................................. 54 Bảng 3.11. So sánh các tác động đến môi trƣờng của đèn LED T8 B1R5W1- 18W 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 trƣờng của đèn LED 3U B1R5W1- 9W so với đèn CFL 3U4T-20W trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm.................................................................................................................. 63 Bảng 3.13. So sánh các tác động đến môi trƣờng 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 trƣờng không khí [21] .............................................................................. 80 Bảng PL.2. Các tác động của đèn CFL-15W và đèn LED-12,5W liên quan đến môi trƣờng nƣớc [21] ............................................................................... 80 Bảng PL.3. Các tác động của đèn CFL-15W và đèn LED-12,5W liên quan đến môi trƣờng đất.[21]................................................................................... 81 Bảng PL.4. Các tác động của đèn CFL15W và đèn LED12,5W liên quan đến môi trƣờng 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 ngƣời (đƣờng 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 đƣờng và bộ đèn treo trần Cu-Beam™ ........................................................... 11 Hình 1.12. Các bƣớc 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 đƣợc sử dụng trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm .................................................................... 31 Hình 2.3. Hình ảnh và phổ ánh sáng của đèn đƣợc 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 lƣợng tử LICO-LI-250ª ................... 34 vi
Hình 2.6. Hình ảnh nhà lƣới 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 trƣờng) của đánh giá vòng đời sản phẩm ........................................................ 38 Hình 3.1. Cụm chồi Cúc đƣợc nuôi cấy in vitro dƣới các điều kiện ánh sáng khác nhau......................................................................................................... 48 Hình 3.2. Trồng cây giống trong vƣờn ƣơm dƣới 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 trƣờng của đèn LED T8 B1R5W1- 18W 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 trƣờng 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 trƣờng nƣớc 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 trƣờng 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 trƣờng 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 trƣờng của đèn LED 3U B1R5W1- 9W so với đèn CFL 3U4T-20W trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm.................................................................................................................. 64 Hình 3.11. So sánh 5 chỉ số tác động đến môi trƣờng không khí trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W ............................................................................................. 65 Hình 3.12. So sánh 3 chỉ số tác động đến môi trƣờng nƣớc trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm 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 trƣờng đất trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W................................................................................................... 66 Hình 3.14. So sánh 4 chỉ số tác động đến môi trƣờng tài nguyên trong giai đoạn trồng cây giống trong vƣờn ƣơm của đèn CFL 3U4T-20W và đèn LED 3U B1R5W1-9W ............................................................................................. 67 Hình 3.15. So sánh các tác động đến môi trƣờng 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 trƣờng 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 trƣờng nƣớc 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 trƣờng 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 trƣờng 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 CHƢƠNG 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. PHƢƠNG 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 trƣờng ............................... 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 CHƢƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG 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 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................. 35 2.2.1. Phƣơng pháp thu thập tài liệu thứ cấp .......................................... 35 2.2.2. Phƣơng pháp nhân giống và điều khiển ra hoa cây hoa Cúc ........ 35 2.2.3. Phƣơng pháp đánh giá hiệu suất năng lƣợng ................................ 36 2.2.4. Phƣơng pháp đánh giá các tác động đến môi trƣờng .................... 37 2.2.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu ............................................................ 39 ix
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 40 3.1. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƢỜNG CỦA ĐÈN LED ........................................................................ 40 3.1.1. Nguồn nguyên, nhiên liệu, năng lƣợng đầu vào cho các giai đoạn ................................................................................................................. 40 3.1.2. Các loại, lƣợng 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 lƣợng và tác động đến môi trƣờng 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 CHƢƠNG 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 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
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. 2. 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. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
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. 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 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
CHƢƠNG 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) đƣợc 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 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 1.3). 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. 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 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
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. Bảng 1.1 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. Bảng 1 1. 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
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. Hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của loại LED trắng RGB Nguyên lý trộn 3 mầu để LED trắng sáng loại RGB bằng cách sử tạo ánh sáng trắng 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, ngƣời 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 đƣợc 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 nhƣ trên Hình 6. Phổ ánh sáng đƣợc phát xạ bởi LED chip và lớp phủ phốt pho có dải sóng từ 400 – 700 nm (đƣờng liền), phổ ánh sáng này đƣợc mắt ngƣời cảm nhận nhƣ là nguồn ánh sáng trắng (đƣờng đứt đoạn) nhƣ mô tả trên Hình 1.6. Huỳnh quang phốt pho Phát quang màu xanh lam từ chip Phốt pho LED Dây hàn 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