מפיזיקה ועד גופי למזון: יעילות LED נוכחית ופוטנציאלית

סקירה כללית

מאז המצאת דיודות פולטות אור (נוריות LED), חלה עלייה משמעותית בכמות הפוטונים שניתן להמיר מאנרגיה חשמלית; עם זאת, זה מתקרב להגיע לגבול פיזי. בנקודה שכל אנרגיית הקלט הופכת לאנרגיה בצורה של פוטונים פוטוסינתטיים, מושגת היעילות המרבית התיאורטית. היעילות של נוריות LED כחולות יכולה להגיע עד 93%, יתכן ש"לבנים "המוסרים זרחנים יגיעו ל 76%, ונוריות אדומות יכולות להגיע ל 81%. בגלל שיפורים אלה, סיכויים חדשים לתאורת גננות הפכו לזמינים. במאמר זה נדון בנושאים הבאים: (1) הפיזיקה והיעילות הבסיסית של נוריות LED; (2) היעילות הנוכחית שלנוריות LED; (3) ההשפעה של איכות הספקטרלית על תפוקת היבול; ו (4) היעילות הפוטנציאלית של גופי הגננות. ניתן להשיג זאת על ידי אופטימיזציה של ההשפעות הספקטרליות על מורפולוגיה של הצמח, השונות ממינים למינים. זה יאפשר להניב התקדמות בהמרה של פוטונים. מצד שני, השפעות הספקטרום על הפוטוסינתזה דומות מאוד בין מינים; עם זאת, ההגדרה המקובלת כיום של פוטונים פוטוסינתטיים, הנעה בין 400 ל 700 ננומטר, עשויה לדרוש שינוי מסוים. צניחה נוכחית, צניחת חום, נהג (אספקת חשמל) חוסר יעילות והפסדים אופטיים הם ארבעת המאפיינים הטמונים בכל גופי ה- LED. המגבלה העליונה של יעילות מתקן LED נקבעת על ידי הכפלת יעילות חבילת ה- LED על ידי ארבעת הגורמים הללו. בהתחשב במצב הנוכחי של טכנולוגיית LED, החישובים מראים כי מגבלות היעילות עבור גופי לבן ואדום הם 3.4 מיקרומול J - 1, ואילו עבור גופי כחול ואדום, מגבלות היעילות הן 4.1 מיקרומול J - 1. על ידי הכללת הגנה אופטית מפני מים ולחות מוגזמת, ערכים אלה מופחתים בכ- 10%. ישנם סחר בין יעילות שיא לעלות, שאנו מפרטים.

פִיסִיקָה

המונח "יעילות" מתייחס ליחס שיש להם את אותן יחידות הן במונה והן במכנה, וניתן לציין יחסי אלה כאחוז. המונח "יעילות LED" מתייחס ליחס של תפוקת הכוח האופטית לכניסת הכוח החשמלית, המתבטא כוואט לכל וואט או אחוז. המונח "יעילות" מתייחס ליחסים המתבטאים במגוון יחידות. המונח "יעילות" משמש בתחום תאורת הגננות כדי לתאר את כמות הפוטונים המיוצרים לשנייה לכל וואט של חשמל קלט. בשל העובדה שוואט שווה לג'ול לשנייה, ניתן לפשט את זה ל- μmol לשעה. הקשר הפלנק -איינשטיין, המכונה לעתים קרובות משוואת פלאנק, הוא ביטוי מתמטי המתאר את הקשר בין אנרגיית פוטון לאורך גל. בעזרת משוואה זו אנו יכולים לראות שהקשר בין אנרגיה ואורך הגל הוא פרופורציונלי הפוך. משוואה המשמשת להמרה בין יעילות ליעילות, כמו גם לחישוב יעילות הפוטון הפוטו -סינתטית הגבוהה ביותר עבור ספקטרום מסוים. משוואה זו משמשת להמרה בין יעילות ליעילות.

על מנת לקבוע את ההשפעה שיש לפוטונים על צמחים ביחס לכמות הכוח החשמלי שהוא קלט, אנו משיגים את היחידות הרלוונטיות על ידי המרת יעילות נוריות LED ליעילותן. זה בהתאם לחוק פיזי אחר המכונה חוק סטארק -איינשטיין, אשר גורס כי עבור כל פוטון שנקלט, רק מולקולה אחת מסוגלת למעשה להגיב. אפשר להחזיר את החוק הזה על ידי קביעה כי פוטון אחד מסוגל לעורר אלקטרון אחד. היקף יעילות הפוטון ביצירה זו מוגבל לפוטונים עם אורכי גל שנעים בין 400 ל 700 ננומטר, למעט נוריות LED אדומות רחבות, הכוללות פוטונים באורכי גל עד 800 ננומטר. מקובל כי יצרני חבילות LED לדווח על יעילות בלומן לכל וואט מכיוון שמדובר במדד משמעותי להארה אנושית. עם זאת, מדד זה אינו חל על תאורת גננות מכיוון שהוא מדידה של פוטונים המשוקללים לראייה אנושית על סמך הרגישות של העין האנושית לצבעים שונים.

חבילת LED, שהיא שבב ה- LED הכלול בתוך דיור, הוא הכוונה במונח "LED" במאמר זה. בנוסף להקל על חיבורים מכניים וחשמליים למתקן, הדיור או האריזה משמשים גם כערוץ חום, משפיעים על התפלגות הפוטונים ומשלב את שכבת הזרחן עבור נוריות LED לבנות (למידע נוסף, ראה להלן). חבילות LED הן קהל היעד לתקני ביצועים של LED. כאשר משולבים חבילות LED במתקן, זה מכונה מתקן LED.
 

היעילות הבסיסית של LEDS בבסיסם

ישנן שלוש יעילות משנה התורמות ליעילות הכוללת של נוריות LED (חבילות LED), המהווה תוצר של שלושת יעילות המשנה הללו:

היחס בין אנרגיית הפוטון הנפלטת, המתבטאת בוולט אלקטרונים, למתח המופעל (VPHOTON/VF) הוא ההגדרה של יעילות חשמלית. יחס זה מושפע מההתנגדות החשמלית הפנימית של ה- LED.

היעילות הקוונטית הפנימית, המכונה גם הפוטון לכל אלקטרון, מתייחסת לתהליך שבאמצעותו מומרים אלקטרונים לפוטונים. תהליך זה מושפע מנתיבי רקומבינציה לא קריאטיביים, הכוללים זיהומים ומומים מיקרופיזיים.

היחס בין פוטונים המשאירים את חומר המוליכים למחצה LED למספר הפוטונים הכולל שנוצר מכונה יעילות מיצוי הפוטון. יחס זה מושפע הן מהשתקפות פנימית והן מהספיגה מחדש. הביטוי "הפסדי חבילה" משמש בענף ה- LED כדי להתייחס לכל הפסדים המתרחשים במהלך קציר פוטונים מחבילת LED. לסוגי חבילות ה- LED עשויות להיות מגוון רחב של וריאציות באלה.

Shenzhen Benwei Technology Technology Co., Ltd הוקמה בשנת 2010. זהו ארגון היי-טק לאומי המשלב עיצוב, מו"פ, ייצור ומכירות של מוצרי תאורה פנימיים וחיצוניים וגם יכול לעשות OEM, ODM. פרטים על ההצעות שלנו, אנא צור איתנו קשר בכתובת bwzm18@ledbenweilighting.com