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 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
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 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
Học viên

ii

năm 2020

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

LED
LED NN
LU
MAETP
NHWL
ODP
POCP
R
RWL
TAETP
UNDP

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 dƣỡng
Tiềm năng độc tính sinh thái nƣớc ngọt
Huỳnh quang
Quỹ môi trƣờng toàn cầu
Tiềm năng nóng lên toàn cầu
Tiềm năng độc tính đối với con ngƣời
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 dƣới nƣớc 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
Chƣơng trình Phát triển Liên hợp quốc

UNEP

Chƣơng trình Môi trƣờng Liên hợp quốc

UV
W (LED)

Tử ngoại
Trắng (LED) (White)

AP
ARD
B
CFL
EDP
EP

FAET
FL
GEF
GWP
HTTP
HWL
LCA
LCI
LCIA

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 R6607W 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 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 trƣờng của đèn LED 3U B1R5W19W 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 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 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 B1R5W19W 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]
Màu sắc

Bước sóng
[nm]

Điện áp
[ΔV]

Hồng ngoại

λ > 760

ΔV < 1,63

Đỏ

610 < λ < 760

1,63 < ΔV < 2,03

AlGaAs, GaAsP, AlGaInP,

GaP, Ga (III)

Vật liệu
GaAs
AlGaAs

Cam

590 < λ < 610

2,03 < ΔV < 2,10

GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga
(III)

Vàng

570 < λ < 590

2,10 < ΔV < 2,18

GaAsP, AlGaInP, GaP, Ga
(III

Xanh lục

500 < λ < 570

1,9 < ΔV < 4,0

Xanh lam

450 < λ < 500

2,48 < ΔV < 3,7

Tím

400 < λ < 450

2,76 < ΔV < 4,0

Đỏ tía

Nhiều loại

2,48 < ΔV < 3,7

Tia cực tím

λ < 400

3,1 < ΔV < 4,4

6

InGaN /GaN, Ga (III)
GaP, Ga(III ), AlGaInP,
AlGaP
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 cƣơng (235 nm),
BN(215 nm)
AlN) (210 nm), AlGaN,
AlGaInN – xuống đến
210 nm


Màu sắc

Bước sóng
[nm]

Điện áp
[ΔV]

Hồng

Nhiều loại

ΔV ~ 3,3

Trắng

Phổ rộng

ΔV = 3,5

Vật liệu
Màu xanh với một hoặc hai
lớp phốt pho: màu vàng với
màu đỏ, cam hoặc hồng phốt
pho đƣợc 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 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
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. />
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
Phốt pho
Dây hàn

Phát quang màu
xanh lam từ chip
LED

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


b) Bộ nguồn điện điều khiển đèn LED (LED Driver)
Điều khiển điện cho LED (sau đây gọi tắt là Driver) là nguồn cung cấp
điện tự điều chỉnh công suất cần thiết cho đèn LED hoặc dãy đèn LED. Các
điốt phát sáng tiêu thụ năng lƣợng thấp và để đảm bảo có tuổi thọ dài, nguồn
cung cấp điện cho LED phải là loại nguồn điện chuyên dụng, khác biệt với
các nguồn cung cấp điện thông thƣờng. Nếu không có Driver tốt, đèn LED sẽ
trở nên quá nóng và không ổn định dẫn đến hƣ hỏng và hiệu quả phát sáng
kém. Để đảm bảo cho đèn LED hoạt động một cách hoàn hảo, Driver phải
cung cấp một lƣợng điện ổn định và liên tục để duy trì cho đèn LED hoạt
động trong một thời gian rất dài.
Chức năng của Driver: Driver có hai chức năng: cung cấp điện áp thấp
và bảo vệ cho các đèn LED
Loại Driver: Các Driver đƣợc cài đặt riêng lẻ ở bên ngoài hoặc tích hợp
ở bên trong đèn LED.
- Driver cài đặt bên trong đèn thƣờng đƣợc sử dụng trong đèn LED nội
thất để thuận tiện khi thay thế đèn. (Hình 1.7).
Driver đặt bên trong

Hình 1 7. Driver cài đặt bên trong bóng đèn LED [2]

- Driver cài đặt bên ngoài đèn đƣợc đặt cách biệt với đèn LED và

thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng nhƣ chiếu sáng ngoài trời, thƣơng
mại, đƣờng (Hình 1.8).

9


Driver LED đặt
bên ngoài

Hình 1.8. Driver cài đặt bên ngoài đèn LED [2]

c) Bộ phận quang học - Hệ thống quang cho đèn chiếu sáng LED
Hệ thống quang học cho đèn chiếu sáng LED là một trong những yếu tố
quan trọng nhất của đèn LED. Hệ thống quang học nhằm mục đích định hình,
tập trung và trộn ánh sáng đƣợc tạo ra bởi các nguồn sáng LED thành hình
dạng, phân bố, màu sắc đáp ứng yêu cầu của đối tƣợng cần chiếu sáng.
Các linh kiện quang học phổ biến nhất cho đèn LED là các bộ phản xạ
và thấu kính. Bộ phản xạ thƣờng là kim loại, có hình dạng nhƣ nón xung
quanh bên ngoài của đèn LED. Thấu kính thƣờng đƣợc làm từ acrylic hoặc
silicon trong suốt. Một trong những ƣu điểm lớn nhất của thấu kính đặt trên
gƣơng phản chiếu là nguồn ánh sáng đƣợc che chắn, làm giảm độ chói lóa từ
nguồn sáng LED (Hình 1.9).

Hình 1.9. Các thấu kính và bộ phản xạ cho đèn LED [2]
10


d) Bộ phận quản lý nhiệt (tản nhiệt) cho đèn chiếu sáng LED và Bộ tản nhiệt
(Heat sink)
Đèn LED có tuổi thọ cao chỉ khi nào nhiệt độ của tiếp giáp p-n của đèn

LED không đƣợc vƣợt quá 85-100 °C. Vì vậy quản lý nhiệt (tản nhiệt) cho
đèn chiếu sáng LED và bộ tản nhiệt (Heat sink) đóng vai trò quyết định xác
định tuổi thọ của đèn.
Có rất nhiều phƣơng pháp, kỹ thuật để quản lý nhiệt đèn LED. Trên hình
1.10 là một số dạng bể nhiệt điển hình sử dụng để tản nhiệt cho các đèn LED

Nhiệt

Hình 1.10. Một số cấu hình bộ tản nhiệt cho các loại đèn LED [2]

Trong những năm gần đây, do công suất của đèn LED ngày càng cao,
một số kỹ thuật quản lý nhiệt khác cũng đã phát triển và áp dung. Trên Hình
1.11 là một số cấu hình tản nhiệt cho LED công suất cao sử dụng công nghệ
làm lạnh bằng ống dẫn nhiệt và chất lỏng (Heat Pipe and Liquide Cooling) –
Công nghệ truyền nhiệt thụ động mới bắt đầu đƣợc ứng dụng cho các bộ đèn
LED công suất lớn.

Hình 1.11. Công nghệ làm lạnh đèn LED bằng heat pipe cho đèn pha, đèn đường
và bộ đèn treo trần Cu-Beam™ [2]

1.1.2.2. Công nghệ lõi để sản xuất chip LED và đóng gói LED
Qui trình sản xuất LED bao gồm các bƣớc chủ yếu đƣợc mô tả trong
Hình 1.12 dƣới đây:

11


1. Đế (Substrate)
SiC, Saphire, Si, GaN
AllnGaP GaAs…

4. Phiến Epi LED
LED Epi-Wafer

2. Nuôi lớp epitaxy đệm
Epitaxy buffer layer growth
3. Nuôi lớp epitaxy tích cực
Epitaxy active layer

5. Kết thúc đoạn trƣớc (Front-end): khắc,
ăn mòn, kim loại hoá
Front-end: Litho, Etching, Metalization
7. Phiến có chíp LED
LED dies-on-wafer

6. Kết thúc đoạn sau (Backend):
Mức 0 (Level 0)

8. Kết thúc đoạn sau (Backend): mức 1 (level 1)

9. Chíp LED
LED dies

11. Đèn LED (LED lamp)

10. Đóng gói LED (LED packaging)

Hình 1.12. Các bước chủ yếu trong công nghệ sản xuất LED [2]

Các công nghệ lõi để sản xuất các loại đèn chiếu sáng LED nói chung
đƣợc chia thành ba nhóm chủ yếu gồm:

- Nhóm các công nghệ về vật liệu bán dẫn, trong đó có công nghệ về
vật liệu nền và nuôi cấy tính thể.
- Nhóm các công nghệ trong sản xuất LED chip, trong đó bao gồm hai
nhóm: Các công nghệ giai đoạn kết thúc đoạn trƣớc (Front-End); Các công
nghệ giai đoạn giai đoạn kết thúc đoạn sau (Back-End).
- Nhóm các công nghệ trong giai đoạn đóng gói.
Các nhóm công nghệ này liên tục đƣợc phát triển theo hai khuynh hƣớng:
- Khuynh hƣơng thu nhỏ kích thƣớc của các LED chip.

12


- Khuynh hƣớng nâng cao công suất của các LED chip.
Hình 1.13 là sơ đồ tổng thể các khâu công nghệ lõi để sản xuất chip,
đóng gói và đèn chiếu sáng LED.

Hình 1.13. Quy trình tổng thể để sản xuất đèn, bộ đèn chiếu sáng LED [2]

1.1.3. Đèn chiếu sáng LED ứng dụng trong nông nghiệp (LED NN)
Công nghệ sản xuất đèn LED NN cũng tƣơng tự chỉ khác là chọn ra các
LED có bƣớc sóng khác nhau, điều chỉnh quang phổ phát ra cũng nhƣ kết hợp
các ánh sáng khác nhau trong cùng một hệ thống sao cho phù hợp nhất với
sinh trƣởng của từng đối tƣợng thực vật.
Chiếu sáng LED NN so với các nguồn chiếu sáng truyền thống có các
ƣu điểm cơ bản sau đây:
1) Hiệu suất năng lƣợng sinh học cao: Nghiên cứu cho thấy quang hợp của
cây chủ yếu ở bƣớc sóng 610 ~ 720nm (đỉnh là 660nm), hấp thụ sinh lý
(Physilogical Absorption) khoảng 55%, và thứ yếu ở bƣớc sóng xanh 400~510nm
(đỉnh là 450nm), hấp thụ sinh lý (Physilogical Absorption) khoảng 8%.

13