Ein Überblick
Seit der Erfindung von lichtemittierenden Dioden (LEDs) hat die Menge an Photonen, die aus elektrischer Energie umgewandelt werden können, erheblich gestiegen. Trotzdem kommt dies nahe an eine physische Grenze. An dem Punkt, an dem die gesamte Eingangsenergie in Form von photosynthetischen Photonen in Energie umgewandelt wird, wird die theoretische maximale Effizienz erreicht. Die Effizienz von blauen LEDs kann bis zu 93%erreichen, es ist möglich, dass Phosphor-konvertierte "Weiße" 76%erreichen, und rote LEDs können 81%erreichen. Aufgrund dieser Verbesserungen sind neue Aussichten für die Gartenbaubeleuchtung verfügbar. In diesem Artikel werden wir die folgenden Themen erörtern: (1) die zugrunde liegende Physik und Effizienz von LEDs; (2) die derzeitige Wirksamkeit vonLEDs; (3) die Auswirkung der spektralen Qualität auf die Ernteausgabe; und (4) die potenzielle Wirksamkeit von Gartenbaugeräten. Dies kann erreicht werden, indem die spektralen Auswirkungen auf die pflanzliche Morphologie optimiert werden, die sich von Arten zu Arten unterscheiden. Dies ermöglicht die Fortschritte bei der Umwandlung von Photonen zum Ergeben. Andererseits sind Spektrumeffekte auf die Photosynthese über Arten hinweg sehr vergleichbar. Die derzeit akzeptierte Definition von photosynthetischen Photonen, die zwischen 400 und 700 Nanometern reicht, erfordert jedoch möglicherweise eine gewisse Modifikation. Der aktuelle Abfall, die Ineffizienzen von Wärme, die Treiber (Stromversorgung) und optische Verluste sind die vier Merkmale, die allen LED -Leuchten inhärent sind. Die oberste Grenze für die Wirksamkeit von LED -Geräten wird durch Multiplikation der Wirksamkeit von LED -Paket mit diesen vier Faktoren festgelegt. In Anbetracht des aktuellen Zustands der LED -Technologie legen die Berechnungen nahe, dass die Wirksamkeitsbeschränkungen für weiße und rote Leuchten 3,4 µmol J - 1 betragen, während die Wirksamkeitsgrenzen für blau und rote Geräte 4,1 µmol J -1 betragen. Durch die Einbeziehung des optischen Schutzes gegen Wasser und übermäßiger Luftfeuchtigkeit werden diese Werte um etwa 10%reduziert. Es gibt Kompromisse zwischen Spitzenwirksamkeit und Kosten, die wir beschreiben.
Physik
Der Begriff "Effizienz" bezieht sich auf Verhältnisse, die sowohl im Zähler als auch im Nenner die gleichen Einheiten haben, und diese Verhältnisse können als Prozentsatz angegeben werden. Der Begriff "LED -Effizienz" bezieht sich auf das Verhältnis der optischen Leistung zum elektrischen Stromeingang, der als Watt pro Watt oder Prozent ausgedrückt wird. Der Begriff "Wirksamkeit" bezieht sich auf Verhältnisse, die in verschiedenen Einheiten ausgedrückt werden. Der Begriff "Wirksamkeit" wird auf dem Gebiet der Gartenbaubeleuchtung verwendet, um die Menge der Photonen zu beschreiben, die pro Sekunde pro Watt Eingangstrom erzeugt werden. Aufgrund der Tatsache, dass ein Watt einem Joule pro Sekunde gleich ist, kann dies auf µmol pro Zeit vereinfacht werden. Die Planck -Einstein -Beziehung, die häufig als Plancks Gleichung bezeichnet wird, ist ein mathematischer Ausdruck, der die Beziehung zwischen Photonenenergie und Wellenlänge beschreibt. Mit dieser Gleichung können wir sehen, dass die Beziehung zwischen Energie und Wellenlänge umgekehrt proportional ist. Die Gleichung, die zum Umwandeln zwischen Effizienz und Wirksamkeit sowie zur Berechnung der höchsten potenziellen Photosynthese -Photonenwirksamkeit für ein bestimmtes Spektrum. Diese Gleichung wird verwendet, um zwischen Effizienz und Wirksamkeit umzuwandeln.
Um den Einfluss zu bestimmen, den Photonen auf Pflanzen in Bezug auf die Menge an elektrischer Leistung haben, die eingegeben werden, erhalten wir die relevanten Einheiten, indem wir die Effizienz von LEDs in ihre Wirksamkeit umwandeln. Dies entspricht einem anderen physikalischen Gesetz, das als Stark -Einstein -Gesetz bekannt ist, das der Ansicht ist, dass für jedes absorbierte Photon nur ein Molekül tatsächlich reagieren kann. Es ist möglich, dieses Gesetz wiederzugewinnen, indem er feststellt, dass ein Photon in der Lage ist, ein Elektron zu erregen. Der Umfang der Photonenwirksamkeit in dieser Arbeit ist auf Photonen mit Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern beschränkt, mit Ausnahme von weit roten LEDs, die Photonen mit Wellenlängen von bis zu 800 Nanometern enthalten. Es ist üblich, dass LED -Pakethersteller die Wirksamkeit in Lumen pro Watt melden, da dies eine sinnvolle Metrik für die menschliche Beleuchtung ist. Diese Metrik ist jedoch nicht für die Gartenbaubeleuchtung anwendbar, da sie eine Messung von Photonen darstellt, die für das menschliche Sehen auf der Grundlage der Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Farben gewichtet wurden.
Ein LED -Paket, bei dem es sich um den LED -Chip in einem Gehäuse befindet, ist unter dem Begriff "LED" in diesem Artikel zu verstehen. Neben der Erleichterung mechanischer und elektrischer Verbindungen zum Gerät dient das Gehäuse oder die Verpackung auch als Wärmekanal, beeinflusst die Verteilung der Photonen und enthält die Phosphorschicht für weiße LEDs (weitere Informationen finden Sie unten unten). LED -Pakete sind die Zielgruppe für LED -Leistungsstandards. Wenn LED -Pakete in eine Leuchte integriert werden, wird dies als LED -Leuchte bezeichnet.
Die grundlegende Effizienz der LEDs im Kern
Es gibt drei Untereffizienzen, die zur Gesamteffizienz von LEDs (LED-Pakete) beitragen. Dies ist das Produkt dieser drei Untereffekte:
Das Verhältnis der in Elektronenspannungen ausgedrückten emittierten Photonenenergie zu der angelegten Spannung (Vphoton/VF) ist die Definition der elektrischen Effizienz. Dieses Verhältnis wird durch den internen elektrischen Widerstand der LED beeinflusst.
Die interne Quanteneffizienz, auch als Photon pro Elektron bezeichnet, bezieht sich auf den Prozess, durch den Elektronen in Photonen umgewandelt werden. Dieser Prozess wird durch nicht radiative Rekombinationsrouten beeinflusst, die Verunreinigungen und mikrophysikalische Defekte umfassen.
Das Verhältnis von Photonen, die das LED -Halbleitermaterial zu der Gesamtzahl der erzeugten Photonen lassen, wird als Photonenextraktionseffizienz bezeichnet. Dieses Verhältnis wird sowohl durch die interne Reflexion als auch durch die Reabsorption beeinflusst. Der Ausdruck "Packungsverluste" wird in der LED -Branche verwendet, um auf alle Verluste zu verweisen, die während des Ernte von Photonen aus einem LED -Paket auftreten. Die LED -Paketstypen haben möglicherweise eine Vielzahl von Variationen in diesen.
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