LEDs machen Gewächshäuser noch grüner

Rotes und blaues Licht regt das Pflanzenwachstum nachweislich an. LEDs bieten neben der Kontrolle der spektralen Zusammensetzung auch besonders energieeffiziente Lösungen zur Steigerung der Lichtausbeute bei gleichzeitig verringerten Kosten. Lance Hemmings, Global Product Group Manager von RS Components, erklärt.

 

Eine über mehrere Jahre hinweg durchgeführte wissenschaftliche Studie hat ergeben, dass Pflanzen äußerst empfindlich auf bestimmte Wellenlängen des Lichts reagieren. Dabei haben die beteiligten Wissenschaftler herausgefunden, dass rotes und blaues Licht die Photosynthese und das Wachstum der Pflanzen deutlich effektiver anregt als weißes Licht allein. Und tatsächlich: Die Spitzenwerte der Aufnahme von Chlorophyll werden in den Bereichen des Lichtspektrums von 400 bis 500 nm und von 600 bis 700 nm erreicht. Zudem stellte sich heraus, dass verschiedene spektrale Zusammensetzungen jeweils unterschiedliche Phasen und Aspekte des Pflanzenwachstums fördern, sei es das Keimen oder die Bildung von Wurzeln, Blättern und Früchten. Auf der Grundlage von Forschungsergebnissen und Experimenten konnten Gewächshausbetreiber herausfinden, wie das Pflanzenwachstum beschleunigt werden kann, Pflanzen stärker werden und der Ertrag gesteigert werden kann.

Rote und blaue Spektralspitzen für die Aufnahme von Chlorophyll

Der Anbau in Gewächshäusern gewinnt zunehmend an Bedeutung: nicht nur angesichts des zunehmenden Drucks, mehr Lebensmittel direkt vor Ort anzubauen und somit unnötige Transportwege auszuräumen, sondern auch angesichts der steigenden Nachfrage nach besonderen Produkten – auch außerhalb der Saison. Die Beleuchtung von Gewächshäusern spielt dabei eine wichtige Rolle, um die Anbausaison in Ländern mit einer langen Dunkelperiode im Winter zu verlängern. Länder mit hoher Urbanisierung, bei denen gutes Anbauland sehr rar ist, setzen auf Gewächshäuser und Indoor-Farms bzw. Pflanzenfabriken, um die inländische Nahrungsmittelherstellung voran zu treiben.

In der Zwischenzeit entwickelten sich LED-Lichter dank technologischer Fortschritte zu einer attraktiven Lösung für Gewächshäuser großer und kleiner Hersteller rund um den Globus. Die Kosteneinsparungen, die durch den Einsatz energieeffizienter LEDs erzielt werden können, bringen selbst große Nahrungsmittelerzeuger dazu, von traditionellen Technologien wie HPS und Leuchtstoffröhren umzustellen.

Hinzu kommen zahlreiche weitere Vorteile. Mit zu den attraktivsten Punkten zählt dabei die Möglichkeit, die spektrale Zusammensetzung des ausgesandten Lichts zu regeln und zu variieren. Somit kann nicht nur die Produktion optimiert werden, sondern dank der Stärkung der Pflanzen kann auch der Einsatz von Düngemitteln verringert oder gar vollständig ausgeräumt werden, sodass weitere Kosten eingespart und weniger Chemikalien eingesetzt werden.

 

Weniger Hitze

Ein weiterer bedeutender Vorteil der LED-Technologie ist die hohe Lichtausbeute bei sehr geringer Abstrahlwärme. Somit können die einzelnen Leuchten gleichmäßiger in dem Gewächshaus verteilt werden und können zudem näher an den Pflanzen angebracht werden, ohne diesen Schäden durch Wärme zuzufügen. LEDs unterstützen zudem völlig neue Befestigungsmethoden: So sind beispielsweise Lichtbänder zur Anwendung in Regalen ideal für Setzlinge geeignet und ermöglichen zudem den Einsatz von mehr Regalen pro Gewächshaus. Anstelle von Deckenstrahlern können nun auch planare oder vertikale Aufbauten in Hauben eingesetzt werden (z. B. in Form von Lichtvorhängen), die der Höhe und Dichte der Pflanze in ihren späteren Wachstumsphasen besser gerecht werden. Dank der geringeren Abstrahlwärme des Beleuchtungssystems kann so auch das Temperaturmanagement verbessert werden, sodass Kühl- und Lüftungssysteme verkleinert und vereinfacht werden können.

Betreiber von Gewächshäusern experimentieren allmählich mit vertikalen Plätzen, beispielsweise in Form von Türmen, die entsprechend umgeformt werden und somit Wachstumsflächen auf mehreren Ebenen bieten können. Nicht zuletzt dank der flachen und wärmelosen Halbleiter-Beleuchtungssysteme kann die Menge an Pflanzen pro Fläche somit drastisch gesteigert werden.

LEDs sind über einen sehr breiten Temperaturbereich hinweg sehr robust und zuverlässig und können mühelos in wasserfesten Gehäusen untergebracht werden. Ihre hohe Betriebsdauer – oftmals im Bereich von 10.000 Stunden – verringert den Wartungsaufwand und kann somit erneut Kosten senken.

Dank der mühelosen Programmierbarkeit von Halbleiter-Beleuchtungssystemen können Bereiche in Zonen unterteilt werden, um somit beispielsweise unterschiedlichen Saatbedingungen gerecht zu werden oder verschiedene Früchte in einem einzelnen Gewächshaus unterzubringen. Dabei können komplexe Programme ausgearbeitet und automatisch abgespielt werden, um zum Beispiel den Sonnenaufgang und Sonnenuntergang zu simulieren.

Brandaktuelle Forschungsinitiativen belegen, dass Bienen unter dem Licht von Halbleiter-Beleuchtungseinheiten deutlich aktiver sind als beispielsweise bei HPS-Leuchten, sodass deutlich höhere Bestäubungsraten erzielt werden können. Durch Zufall stellte sich ebenso heraus, dass Schädlinge wie Blattläuse vermutlich aufgrund der geringeren Wärmeabstrahlung unter dem Licht von LEDs weniger aktiv sind als bei HPS-Leuchten.

 

Produktauswahl

Eine Vielzahl an speziellen Komponenten für Anwendungen in Gewächshäusern und ähnlichem ist bereits problemlos erhältlich – von individuellen LEDs, Linsen und Montageeinheiten bis hin zu Modulen und vollständigen Beleuchtungssystemen mit zahlreichen unterschiedlichen Formfaktoren.

Die Dioden selbst sind dabei mit speziellen Wellenlängen in den erforderlichen Bereichen des roten und blauen Spektrums erhältlich. Komponenten mit hoher Leuchtkraft und flachem Aufbau können in Lichtkabeln für Regale oder Lichtvorhänge sowie in kompakten Montagehalterungen installiert werden, um somit Deckenleuchten bzw. Röhren zu ersetzen. Spezielle Linsen und Sekundäroptiken können zu diesen kompakten Einheiten hinzugefügt werden, um je nach Höhe und erforderlicher Helligkeit ein bestimmtes Strahlenmuster zu erhalten.

So führt Osram beispielsweise hocheffiziente rote und blaue LEDs der Reihe Oslon SSL 80/150 und Golden Dragon Plus für Anwendungen in Gewächshäusern. Die LEDs dieser Reihen decken Wellenlängen im Bereich von 644 bis 666 nm und von 449 bis 461 nm ab. Rote LEDs erzielen eine Effizienz zwischen 37 und 49 % und liefern in der Regel eine Leistung von 330 mW bei einem Betriebsstrom von 400 mA. Die Varianten Golden Dragon Plus bieten einen breiten Strahlwinkel von 170o, während die Reihe Oslon SSL kompaktere Produkte mit einem engeren Strahlwinkel von 80o beinhaltet, die enger aneinander gepackt werden können und somit dichtere Bereiche mit externer Optik ermöglichen.

Cree führt vergleichbare rote und blaue LEDs in seinen Reihen XP-E und XB-D. Dabei decken beispielsweise die roten und blauen XP-E-Geräte Wellenlängen zwischen 620 und 630 nm bzw. zwischen 465 und 485 nm ab und bieten einen Strahlwinkel von 130o. Die XLamp XB-D-Reihe soll eine um bis zu 40 % höhere Lichtausbeute als die XP-E-Reihe erzielen und birgt somit das Potenzial geringerer Systemkosten.

 

Linsen-Arrays

LEDiL Oy konnte in der Zwischenzeit sein Linsen-Array „Petunia“ entwickeln, das speziell auf Beleuchtungseinheiten in Gewächshäusern für mittelgroße Pflanzen ausgelegt ist. Diese flach aufbauenden LEDs mit Abmessungen von gerade einmal 29,5 x 46,5 x 7,4 mm erreichen einen mittleren Strahlwinkel (28 bis 32o volle Breite, halbes Maximum), sodass sie einige wenige Meter über den Pflanzen angebracht werden können. Dieses kompakte 12-Linsen-Array ist in einem handlichen 3x4-Muster untergebracht und besteht aus vier roten, einer blauen und fünf warmweißen LEDs. Die Integration weißer LEDs in das Array ist besonders für den Komfort des regelmäßig in dem Gewächshaus arbeitenden Personals von hoher Bedeutung.

Gefertigt wird das Linsen-Array aus präzise geformtem PMMA mit optischer Güte; ein als UL94HB eingestuftes Material mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +100 oC. Somit bietet das Material eine hocheffiziente Lichtübertragung und ist zugleich robust, kratz- und abriebfest und nahezu unempfindlich gegenüber UV-Strahlung. Petunia ist in vier verschiedenen Varianten erhältlich, von denen jede auf den LEDs eines anderen Herstellers basiert. Der hauptsächliche Unterschied zwischen diesen Varianten liegt jedoch in dem Strahlwinkel und der Leuchtintensität. Die Wahl der jeweiligen Variante hängt größtenteils von der vorgesehenen Anwendung ab; hierbei sind insbesondere die Höhe der Leuchten über dem Objekt, die gewünschte Wellenlängenkombination und die erforderliche Lichtleistung zu beachten.

Das Modell auf der Basis von Osram’s Oslon SSL 80/150 LH dunkelblauen und tiefroten LEDs bietet mit 28° den engsten Strahlwinkel und erreicht eine Leuchtintensität von 1123 lm bei 250 mA für ein cd/lm-Verhältnis von 2,3 laut Datenblatt. Die Version Cree XP-E bietet einen Strahlwinkel von 29o, eine Leuchtintensität von 862 lm bei 250 mA und ein cd/lm-Verhältnis von 2,2. Das Cree XB-D Modell bietet ebenso einen Strahlwinkel von 29o, erreicht eine Leuchtintensität von 1037lm bei 250mA und erzielt somit ein cd/lm Verhältnis von 2,0. Zu guter Letzt bietet das Petunia-Modell auf der Basis von Nichia NVSxx19A LEDs mit 32o FWHM den breitesten Strahlwinkel, während die Leuchtintensität von 1138 lm bei 250 mA ein cd/lm-Verhältnis von 1,7 ergibt.

 

Fazit

Der Aufbau Ihres ganz eigenen Pflanzenbeleuchtungssystems von der Diode aufwärts ist problemlos möglich – vorausgesetzt, Sie wissen, welchen Wellenlängenbereich Sie für Ihre Anwendung benötigen. Bestimmte Module und Einheiten, darunter das Petunia-Linsen-Array, können Ihnen zudem eine gewisse Hilfestellung bieten, da hierbei LEDs mit Sekundäroptik in einem speziell auf Anwendungen in einem Gewächshaus ausgelegten Formfaktor kombiniert werden.