Una panoramica
Dall'invenzione di diodi a emissione di luce (LED), si è verificato un aumento significativo della quantità di fotoni che possono essere convertiti da energia elettrica; Tuttavia, questo si sta avvicinando al raggiungimento di un limite fisico. Nel punto che tutta l'energia di input viene trasformata in energia sotto forma di fotoni fotosintetici, si ottiene la massima efficienza teorica. L'efficienza dei LED blu può raggiungere fino al 93%, è possibile che i "bianchi" convertiti con fosforo raggiungano il 76%e i LED rossi possono raggiungere l'81%. A causa di questi miglioramenti, sono diventate disponibili nuove prospettive per l'illuminazione dell'orticoltura. In questo articolo, discuteremo i seguenti argomenti: (1) la fisica e l'efficienza dei LED sottostanti; (2) l'attuale efficacia diLED; (3) l'effetto della qualità spettrale sulla produzione di colture; e (4) la potenziale efficacia degli apparecchi di orticoltura. Ciò può essere realizzato ottimizzando gli impatti spettrali sulla morfologia delle piante, che differiscono da specie a specie. Ciò consentirà di produrre progressi nella conversione dei fotoni. D'altra parte, gli effetti dello spettro sulla fotosintesi sono molto comparabili tra le specie; Tuttavia, la definizione attualmente accettata di fotoni fotosintetici, che varia da 400 a 700 nanometri, potrebbe richiedere alcune modifiche. Legenioni attuali, calore, inefficienze del driver (alimentazione) e perdite ottiche sono le quattro caratteristiche che sono inerenti a tutti gli apparecchi a LED. Il limite superiore dell'efficacia del dispositivo a LED è stabilito moltiplicando l'efficacia del pacchetto a LED da questi quattro fattori. Considerando lo stato attuale della tecnologia a LED, i calcoli suggeriscono che le limitazioni di efficacia per gli apparecchi bianchi e rossi sono 3,4 µmol J - 1, mentre per gli apparecchi blu e rossi, i limiti di efficacia sono 4,1 µmol J - 1. Includendo la protezione ottica contro l'acqua e l'eccessiva umidità, questi valori sono ridotti di circa il 10%. Ci sono compromessi tra il picco di efficacia e costi, che dettagliamo.
Fisica
Il termine "efficienza" si riferisce a rapporti che hanno le stesse unità sia nel numeratore che nel denominatore, e questi rapporti possono essere dichiarati in percentuale. Il termine "efficienza a LED" si riferisce al rapporto tra la potenza ottica e l'ingresso di alimentazione elettrica, espresso in watt per watt o percentuale. Il termine "efficacia" si riferisce ai rapporti espressi in una varietà di unità. Il termine "efficacia" viene utilizzato nel campo dell'illuminazione orticola per descrivere la quantità di fotoni prodotti al secondo per watt di elettricità di input. A causa del fatto che un watt è uguale a un joule al secondo, questo può essere semplificato a µmol per tempo. La relazione Planck -Einstein, che viene spesso definita l'equazione di Planck, è un'espressione matematica che descrive la relazione tra energia del fotone e lunghezza d'onda. Usando questa equazione, possiamo vedere che la relazione tra energia e lunghezza d'onda è inversamente proporzionale. L'equazione utilizzata per convertire tra efficienza ed efficacia, nonché per calcolare l'efficacia del fotone fotosintetico più elevato per uno spettro particolare. Questa equazione viene utilizzata per convertire tra efficienza ed efficacia.
Al fine di determinare l'influenza che i fotoni hanno sulle piante in relazione alla quantità di energia elettrica che viene inserito, otteniamo le unità rilevanti convertendo l'efficienza dei LED nella loro efficacia. Ciò è conforme a una diversa legge fisica nota come legge stark -einstein, che lo sostiene per ogni fotone assorbito, solo una molecola è effettivamente in grado di reagire. È possibile riaffermare questa legge affermando che un fotone è in grado di eccitare un elettrone. L'ambito dell'efficacia dei fotoni in questo lavoro è limitato ai fotoni con lunghezze d'onda che vanno da 400 a 700 nanometri, ad eccezione dei LED rosso-rosso, che incorporano fotoni con lunghezze d'onda fino a 800 nanometri. È comune che i produttori di pacchetti a LED segnalano l'efficacia nei lumen per watt perché questa è una metrica significativa per l'illuminazione umana. Tuttavia, questa metrica non è applicabile per l'illuminazione orticola perché è una misurazione di fotoni ponderati per la visione umana in base alla sensibilità dell'occhio umano a colori diversi.
Un pacchetto a LED, che è il chip a LED contenuto all'interno di un alloggio, è ciò che si intende per il termine "LED" in questo articolo. Oltre a facilitare le connessioni meccaniche ed elettriche all'apparecchio, l'alloggiamento o l'imballaggio funge anche da canale di calore, influenza la distribuzione dei fotoni e incorpora lo strato di fosforo per i LED bianchi (per ulteriori informazioni, vedi sotto). I pacchetti a LED sono il pubblico di destinazione per gli standard di performance a LED. Quando i pacchetti a LED vengono incorporati in un appuntamento, questo viene definito un dispositivo a LED.
Efficienza fondamentale dei LED al centro
Esistono tre sottoefficie che contribuiscono all'efficienza complessiva dei LED (pacchetti LED), che è il prodotto di queste tre sottoefficie:
Il rapporto tra l'energia fotone emessa, espressa in volt di elettroni, e la tensione applicata (Vphoton/VF) è la definizione di efficienza elettrica. Questo rapporto è influenzato dalla resistenza elettrica interna del LED.
L'efficienza quantistica interna, nota anche come fotone per elettrone, si riferisce al processo mediante il quale gli elettroni vengono convertiti in fotoni. Questo processo è influenzato da percorsi di ricombinazione non radiativa, che includono impurità e difetti microfisici.
Il rapporto dei fotoni che lasciano il materiale a semiconduttore a LED al numero totale di fotoni generati è indicato come efficienza di estrazione dei fotoni. Questo rapporto è influenzato sia dalla riflessione interna che dalla riassorbimento. La frase "perdite di pacchetto" viene utilizzata nel settore LED per fare riferimento a eventuali perdite che si verificano durante il processo di raccolta dei fotoni da un pacchetto a LED. I tipi di pacchetto a LED potrebbero avere una vasta gamma di variazioni in questi.
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