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Horticulture Lighting - Mit LEDs zur Hochhaus-Farm

Erstellt von Safa Demir, Product Sales Manager at Rutronik |

Die vertikale Landwirtschaft wird eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Agrarwirtschaft einnehmen. Denn mit moderner LED-Technologie lassen sich ganz ohne Sonnenlicht platz- und ressourcensparend verschiedenste Pflanzen anbauen und ihr Wachstum positiv beeinflussen. Hierfür bedarf es effizienter Beleuchtungslösungen.

Die Welt steht vor zwei großen Herausforderungen – die steigende Weltbevölkerung und der Klimawandel – die ohne angemessene Lösungen zu Nahrungsmittelknappheit führen werden. Eine hervorragende Maßnahme, um dem entgegenzuwirken, ist die vertikale Landwirtschaft als Teil der Horticulture.

Dank moderner LED-Technik mit geringer Wärmeabgabe können Lichtquellen nah an den zu kultivierenden Pflanzen angebracht werden, ohne dass Verbrennungen entstehen. Dies ermöglicht einen mehrschichtigen Anbau. Eine solche vertikale Landwirtschaft bietet eine weitaus effizientere Flächen- und Wassernutzung im Vergleich zu konventioneller Landwirtschaft oder herkömmlichen Gewächshäusern und ist auch im urbanen Raum realisierbar.

Damit ist sie auch für den kommerziellen Anbau von Pflanzen interessant, die stark nachgefragt werden, wie z.B. Cannabis für den medizinischen Gebrauch. In allen Bereichen spielt dabei die Effizienz und Verlässlichkeit der Beleuchtung eine entscheidende Rolle.

Optimale Photosynthese mit dem passenden Lichtspektrum
Um die Photosynthese der Pflanzen bei der Verwendung von künstlichem Licht optimal zu fördern, ist die richtige Kombination aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen nötig. Nur die Wellenlängen 450nm, 660nm, 730nm und etwas grünes Licht mit 520nm-550nm wirken sich auf die Photosynthese aus. Je nach Phase – ob die Pflanze sich in der Keimung, der vegetativen Phase oder der Fertilisation befindet – ist eine andere Zusammensetzung ideal. Dies gilt besonders dann, wenn wie bei der vertikalen Landwirtschaft kein natürliches Sonnenlicht vorhanden ist. Zudem sollten die Wellenlängen auf die Zielsetzung angepasst sein. Das hängt davon ab, ob die Pflanze schnell oder langsam wachsen soll, ob die Blüte im Vordergrund steht oder besonders große oder zahlreiche Früchte.

Manche Farbspektren haben bei individueller Verwendung keinen besonders hohen Anteil an photosynthesewirksamen Lichtwellen, kombiniert man sie jedoch in den richtigen Verhältnissen mit anderen Wellenlängen, erhöht sich die Photosynthese-Rate. Das Mischungsverhältnis sollte den Wellenlängen des natürlichen Lichts im Verlauf des Tages nachempfunden werden. So ist beispielsweise gegen Abend eine Wellenlänge von 730nm (Far Red) optimal, um die Pflanzen auf die Nachtruhe vorzubereiten, während 450nm (Deep Blue) und 660nm (Hyper Red) für die Photosynthese benötigt werden. Unterschiedliche Zusammensetzungen des Lichtspektrums lassen sich einfach durch die Variation der LED-Anzahl in den entsprechenden Wellenlängen erreichen, ohne dass sich das PCB- oder Leuchtendesign ändert. Um jedoch die LEDs präzise ansteuern zu können und so das Mischungsverhältnis im Tagesverlauf zu ändern, ist ein Controller notwendig.

LEDs für effizientes Horticulture Lighting
Es gibt eine Vielzahl an LEDs mit den unterschiedlichen Wellenlängen, die sich je nach Bedarf kombinieren lassen, um ein individuelles Horticulture-Board zusammenzustellen.

High-Power-LEDs liefern die größte Helligkeit. Die Oslon-Produktfamilie von Osram umfasst High-Power LEDs mit verschiedenen Bestrahlungswinkeln (80°, 120°, 150°) und einer breiten Auswahl an Farbspektren. Speziell für die Anwendung im Horticulture-Lighting-Bereich hat Osram die Oslon-SSL-Color-LEDs in den Wellenlängen 450nm (Deep Blue), 660 nm (Hyper Red) und 730nm (Far Red) sowie die Oslon Square in den Wellenlängen 450nm (Deep Blue) und 660nm (Hyper Red) entwickelt. Die SSL-Familie stellt zusätzlich Farbspektren wie Blue, True Green und Red für spezielle Lichtmischungen zur Verfügung. Die Oslon Square mit einem Abstrahlwinkel von 120° erreicht eine Effizienz von bis zu 3,7791μmol/J, die Oslon-SSL-Produktfamilie sogar 3,91μmol/J.

Rutronik bietet auch ein breites Portfolio an Mid Power LEDs an. Sie sind zwar nicht so hell wie die High-Power-Varianten, dafür kostengünstiger. Das macht sie vor allem für Konsumentenanwendungen interessant. Auch die Effizienzwerte sind für deren Bedürfnisse ausreichend, um die Photosynthese entsprechend zu fördern. Passende Mid-Power-Komponenten sind die Duris S5-Serie von Osram sowie die 2835 und 3030 Packages von Everlight.Die Duris S5-Serie eignet sich auch für Horticulture-Anwendungen für den Hausgebrauch. Hierfür bietet die kompakte Duris S5 Purple LED eine platzsparende Kombination der photosynthesewirksamen Wellenlängen 450nm und 650nm.

Zusätzlich zu den LEDs mit sichtbaren Spektren gibt es auch Bauteile von Stanley, die ultraviolette Wellenlängen in UV-B (280-315nm) und UV-A (315-400nm) abgeben. Sie töten Keime ab und verlängern so die Lagerzeit. Zudem können sie Geschmack und Farbe der Früchte verbessern.

Mehr Effizienz mit den richtigen Power-Solutions
Nachdem die optimalen LEDs für die entsprechende Anwendung ausgewählt wurden, gilt es den LED-Treiber darauf abzustimmen. Da sich auf den Horticulture-Boards große Mengen von LEDs befinden, ist eine leistungsstarke Energieversorgung nötig. Der OT FIT 380/230-400/1A4 von Osram ermöglicht mit breitem Spannungsbereich von 200 bis 400V und großer Bandbreite an Stromstärken von 400mA bis 1400mA eine flexible Gestaltung des Board-Designs sowie eine hohe Variation der LED-Anzahl. Zudem verfügt er über eine per NFC anpassbare Stromstärke und optimierten Surge- und Burst-Fähigkeiten mit 4kV.

Versieht man die LEDs zusätzlich mit einer Sekundäroptik, lassen sich das Farbspektrum sowie der Bestrahlungswinkel des Lichts besser kontrollieren. Je nach Dichte der LEDs kann das Licht gebündelt oder gestreut werden. Damit erzielt man auch verschiedene Lichtintensitäten, um den Ansprüchen der jeweiligen Pflanze gerecht zu werden. Ein breites Portfolio an Linsen mit unterschiedlichen Strahlencharakteristika bietet z.B. Ledil. Sie sind mit vielen der gängigen LED-Packages, wie zum Beispiel der Osram Oslon-Familie, kompatibel.