基本信息
- 项目名称：
- 用于植物生长的单芯片红蓝双光二极管的固态照明系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 植物生长的单芯片红蓝双光二极管的固态照明系统是一种用于促进植物生长的LED红蓝双光同时发射的固态照明系统，它由GaN基蓝光芯片和氮化物红色荧光粉组成，采用单一GaN基蓝光芯片激发氮化物红色荧光粉封装成大功率LED固态光源，其发射光谱包括GaN基芯片透过的蓝光和氮化物荧光粉发出的红光两个波段，刚好与植物的光合作用吸收光谱相吻合，从而能促进植物的生长。
- 详细介绍：
- 在太阳光谱中，280－380nm的近紫外光、500-600nm黄绿光和720nm以上的红外光是植物生长较少需要的光源类型；而430-480nm蓝紫光和630-690红光却对光合作用有着重要意义，能够有效促进植物生长。因此本创新型项目“用于植物生长的单芯片红蓝双光二极管的固态照明系统”是一种用于促进植物生长的LED红蓝双光同时发射的大功率（1w以上）固态照明系统，它由单一GaN基蓝光芯片和氮化物红色荧光粉组成。采用单一GaN基蓝光芯片（440-460nm）激发氮化物红色荧光粉（600-650nm）封装成LED固态光源，其发射光谱包括GaN基芯片透过的蓝光和氮化物荧光粉发出的红光两个波段，刚好与植物的光合作用吸收光谱相吻合，从而能有效地促进植物的生长。另外本照明系统是全固态的LED，具有低能耗，长寿命，环境友好等特性，加上用太阳能电池驱动，避免采用220V市电驱动整流过程的能量损耗，是未来促进植物生长光源的趋势，具有潜在的市场价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 科学研究表明绿色植物光合作用的吸收光谱包括440-460nm的蓝光带和600-650nm的红光带，为了提供这两个发射带，分立的红蓝LED点阵组合是目前LED补光光源的主要模式，但由于不同LED的驱动电流不一致，使得这种模式的驱动电路非常复杂。而我们的核心创新技术是采用单一蓝光GaN基芯片与特殊的氮化物荧光材料组合，实现蓝、红光同时发射。即用单一GaN基蓝光芯片激发氮化物红色荧光粉封装成LED固态光源，其发射光谱包括GaN基芯片透过的蓝光（440-460nm）和氮化物荧光粉发出的红光（600-650nm）两个波段，刚好与植物的光合作用吸收光谱相吻合，从而能有效地促进植物的生长。而选用大功率蓝光的GaN基芯片组装成照明系统是我们重点研究对象。 从蓝光二极管芯片发明以来，以蓝光和红光LED成阵列组合的植物生长固态光源正在被推广开来。已有许多研究对这种设备的可行性和可靠性进行了论证，表明该光源在节能、使用寿命和紧凑性体积结构方面比传统荧光灯植物型生长灯性比有着固态光源的一般性优势。我们又用太阳能电池对LED照明系统进行低压供电，形成了完美的节能环保能源方案。所以本项目的特色是体现了创新绿色照明技术在节能、农业现代化方面的应用。 从总体上来看，这种用于植物生长的固态照明技术首先要解决红、蓝光的同时发射、色比问题。特别是大功率（1瓦以上）条件下的散热、色稳定性、照度、效率和寿命等光电性能，涉及荧光材料的测试评价、器件的封装和系统的优化设计等为该项目的主要内容。
科学性、先进性
- 该固态照明系统采用单GaN基蓝光芯片激发氮化物红色荧光粉封装成大功率LED固态光源，其发射光谱包括GaN芯片透过（600-650nm）的蓝光（440-460nm）和氮化物荧光粉发出的红光两个波段，刚好与植物生长的光合作用吸收光谱相吻合，能促进植物的生长作用。它与现在的市场上用分立蓝光二极管和红光二极管按点阵排列组成的植物生长照明系统完全不同，减少了因两种LED的驱动电流不一致，使得驱动电路复杂的限制。 同时我们并对二极管的性能进行了测试（包括光辐射功率、照度、亮度等参数），其中每个二极管的光功率为1w，其两个峰值波长为453nm和636nm。 此外，整个系统中我们用太阳能电池对LED照明器件进行低压供电，合理的利用了资源。
获奖情况及鉴定结果
- 本项目得到了教育部的“大学生创新性实验计划项目”的立项支持。
作品所处阶段
- 制备出了蓝光可激发的荧光粉；进行了二极管封装；制作了直管式和圆盘式照明灯具原型。
技术转让方式
- 技术入股或者技术服务。
作品可展示的形式
- 红蓝双光照明灯实物；植物生长系统图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目是用于促进植物生长的固态照明器件，采用单一芯片同时产生红蓝双光的大功率二极管与分立红、蓝光二极管相比，具有驱动电路简单、组装方便，这是一大创新。 二极管具有不容易破碎，无汞害，低电压，节电的显著优点，应用日益广泛，加上我们用太阳能电池对二极管照明系统进行低压供电，形成了完美的节能环保能源方案，从“节能、减排”的角度出发，又是一大进步。 随着大功率的蓝光芯片批量化和商业化，世界经济的发展和人民生活水平的提高，为满足人们对于绿色食品的需求以及对季节性强的绿色食品的渴望，推动则促进植物生长的固态照明快速地发展，我们的促进植物生长的固态照明器件将越来越多的应用于温室种植。
同类课题研究水平概述
- 促进植物生长技术已经发展了很多年，最早采用的是钠灯作为补光光源，但钠灯存在发射光谱与植物光合作用吸收光谱不匹配以及高能耗、低效率等缺点。目前广泛使用的三基色荧光灯，虽然能达到与植物光合作用吸收光谱高匹配度，但仍然有使用寿命短，汞污染等不足。发光二极管（LED）以其节能、环保、使用寿命长等优点，近些年来被广泛用于指示、景观装饰、特种照明等领域，并逐步向普通照明领域发展。其中在特种照明领域中用LED光源作为温室大棚的补光光源国内外已有相当研究，日本以及国内的华南农业大学都在这方面做了大量的研究。绿色植物光合作用吸收光谱包括420-480nm的蓝光带和600-650nm的红光带，为了提供这两个发射带，采用分立红、蓝LED点阵组合是目前LED补光光源的主要模式，通过红蓝LED数量比来调控红蓝成份。该模式存在如下问题：第一，两种LED的组合将带来光学和驱动电路设计的复杂性；第二，为了便于颜色混合，现有器件中均采用5mm管芯，但这限制系统器件朝大功率方向发展。然而，在使用大功率芯片作为结构单元时将会遇到颜色混合均匀性的障碍。 我们实验小组曾提出了用近紫外芯片激发红蓝双波段荧光粉的LED模式，可有效解决驱动电路复杂的问题。但是目前近紫外芯片技术，特别是在大功率近紫外芯片还不是很成熟，而且这种红蓝双波段荧光体的发光效率比较低，在一定程度上限制了其在现阶段的发展应用。 此外，国际上在推行这种人工固态照明在太空飞行器、航海舰只、立体温室、人工温室等领域的应用，目前还只局限在采用由分立的 红、蓝光二极管元件组装的照明器件。
