In seiner Januar/Februar-Ausgabe 2022 widmet dasPCB Magazine dem Thema Universal Science einen ausführlichen Artikel des Journalisten Dario Gozzi . Aus diesem Anlass legt das Magazin den Fokus auf einen der am schnellsten wachsenden Anwendungsbereiche der letzten Jahre: LEDs für den Gartenbau, eines der vielen Spezialgebiete von Universal Science, sind nämlich eines der Trendthemen im Beleuchtungssektor.

DAS LED BETRITT DAS GEWÄCHSHAUS

von Dario Gozzi

Die Spektraleigenschaften von LEDs und die damit verbundenen Energieeinsparungen stehen im Mittelpunkt des Interesses des landwirtschaftlichen Sektors, insbesondere des Gartenbaus. Der einzigartige Vorteil, das Lichtspektrum steuern zu können, macht den Einsatz von LED-Beleuchtung so attraktiv.

Einführung in LEDs für den Gartenbau

Im Gartenbau ist es nicht nur wichtig, das Pflanzenwachstum und den Ertrag zu verbessern, sondern auch die Wachstumsgeschwindigkeit zu kontrollieren und die Fruchterzeugung und -qualität zu steuern.
DieBeleuchtung für den Gartenbau ist ein bekanntermaßen boomender Markt. Das Aufkommen von LED-Systemen hat es ermöglicht, das Niveau der Kontrolle von Wachstumsumgebungen exponentiell zu erhöhen, mit hoher Präzision und Stabilität in Bezug auf Spektrum und Intensität, während gleichzeitig die Energiekosten gesenkt wurden.
Um diesen Nischenmarkt erfolgreich zu bearbeiten, bedarf es anderer Instrumente und Strategien als in anderen Bereichen der Beleuchtung, denn es gibt mehrere kritische Faktoren, die den Erfolg bestimmen. 

Lichtintensität, Spektralstruktur und Photoperiode beeinflussen verschiedene Pflanzenmerkmale, von der Biomasse bis zur Struktur, von der Blüte bis zur Fruchtbildung.

Zur Biomasse gehören beispielsweise Variablen wie die Dicke des Hauptstamms und der Nebenäste, das Wachstum des Wurzelsystems und der Triebe. Die Struktur bezieht sich auf die physische Form der Pflanze: Höhe und Anzahl der Äste.

Für jede Gartenbausorte gibt es unterschiedliche Anforderungen an die einzelnen Lichtquellengrößen.

LED-Gartenbausysteme

LED-Module für den Gartenbau

Der Ansatz von Universal Science besteht darin, die Konfigurationen und Leistungen der Lampen zu definieren und zu optimieren, um zahlreiche Vorteile für die verschiedenen Kulturen zu erzielen, die von der Erhöhung der Masse und des Ertrags über die Verringerung der Wachstumszeit und des Einsatzes chemischer Zusätze (Dünger oder Pflanzenschutzmittel) bis hin zur Reduzierung des Wasser- und Stromverbrauchs reichen.

Konkret handelt es sich um Aktivitäten, die zur Schaffung von spezifischen Lichtquellen für den Obst- und Gemüsesektor führen: 

  • Entwurf und Montage von kundenspezifischen LED-Modulen mit mehreren Wellenlängen für die Beleuchtung im Gartenbau
  • Planung von Sonderleuchten und deren Steuerungs- und Versorgungssystemen
  • Entwurf von Spezialoptiken
  • Entwicklung und Optimierung von Beleuchtungsrezepten in Zusammenarbeit mit führenden LED-Herstellern 

Die Photosynthese ist eine RED-Markenlösung, die von Universal Science selbst entwickelt und zusammengebaut wurde, für Anwendungen in Mini-Gewächshäusern zu Hause oder in Gewächshäusern für Forschung und Entwicklung.

Photosynth ist eine 232x110mm große LED-Platine für den Gartenbau (Metallkern) mit vier Kanälen mit Wellenlängen von 450-460nm, 650-670nm und 720-740nm im sichtbaren Licht und 390-415nm im ultravioletten Bereich. Es wird mit 24 V Gleichstrom betrieben und hat eine maximale Leistung von 50 W. Es verfügt über 25°-, 55°- und 90°-Optiken.

Das Expertenteam des Unternehmens bietet daher Leuchtenherstellern und Forschungszentren die Möglichkeit, Lösungen zu entwickeln, die Flexibilität bieten (Multi-Wellenlängen-, Multi-Kanal- und dimmbare Lichtquellen), eine effiziente PPF- und PFD-Steuerung ermöglichen, modular sind und über ein intelligentes Management über IoT-, DALI-, DMX- oder RS485-Schnittstellen verfügen, um jede Art von Installation abzudecken.

Beleuchtungsrezepte sind all jene anlagenspezifischen Anwendungsprotokolle, die das PPF- und PPFD-Spektrum definieren.

Universal Science ist nicht nur in der Lage, die richtige Konfiguration zu bestimmen, sondern auch die Leistung der Lichtquelle von Fall zu Fall zu definieren und zu optimieren, um die Wachstumszeit, den Einsatz von Pestiziden und die Wassermenge zu reduzieren sowie die Masse und den Ertrag zu erhöhen. Um diese Ergebnisse zu gewährleisten, ist es notwendig, technologisches und biologisches Fachwissen bereits in der Phase der Produktentwicklung und -anwendung zu integrieren sowie LED-Systeme für den Gartenbau direkt in situ zu testen und zu entwickeln.

led-module gartenbau
Photosynth LED-Modul für den Gartenbau

LEDs für den Gartenbau - ein anderer Maßstab für die Lichtmessung

Bei herkömmlichen Beleuchtungsanwendungen werden die Lampen nach ihrem Lichtstrom bewertet. Für den Gartenbausektor sind Lumen bedeutungslos.

Lumen ist eine Maßeinheit, die angibt, wie hell ein bestimmtes Licht für das menschliche Auge erscheint. Was das menschliche Auge wahrnimmt, ist weitgehend irrelevant, wenn es darum geht, die richtige Lichtmenge für Pflanzen bereitzustellen.

PAR(Photosynthetisch aktive Strahlung) ist an der Kultivierung beteiligt. PAR ist der Bereich des Lichts, den Pflanzen für die Photosynthese nutzen. Während das menschliche Auge für das grüne, gelbe und orangefarbene Lichtspektrum empfindlicher ist, nutzen Pflanzen für ihre Entwicklung eher das blaue und rote Spektrum. Mit anderen Worten: Sie brauchen nicht viele Lumen, aber sie brauchen viel Licht im PAR-Bereich.

Wenn wir Licht messen, sprechen wir von der Anzahl der Photonen, die in einem bestimmten Zeitraum auf eine bestimmte Oberfläche treffen. Wenn wir über die Lichtmenge sprechen, die pro Tag von der Sonne kommt, sprechen wir von Molen. Wenn wir von der Lichtmenge sprechen, die von einer Lampe ausgeht, sprechen wir von Mikromol (ein Millionstel eines Mols, 1 μmol = 6,022140857 x1017 Photonen).

Die Messung der Gesamtmenge an PAR-Licht, die eine Lampe erzeugen kann, wird als PPF(Photosynthetic PhotonFlux) bezeichnet, d. h. die Messung der Gesamtmenge an Photonen des PAR-Lichts, die eine Lampe pro Sekunde abgibt, und wird in Mikromol pro Sekunde (μmol/s) gemessen. Diese Photonen werden in alle Richtungen abgestrahlt, es handelt sich nicht um die Anzahl der Photonen, die die Pflanzen erreichen können, dieses Maß wird durch PPFD(Photosynthetic Photon Flux Density) angegeben.

Wenn Sie den PAR-Wert in 20 cm Entfernung von der Lichtquelle und anschließend in 50 cm Entfernung messen, erhalten Sie zwei sehr unterschiedliche PPFD-Werte. Wenn Sie die Lichtquelle von der Oberfläche der Pflanze entfernen, nimmt die Lichtintensität ab, da die beleuchtete Fläche mit dem Quadrat der Entfernung zunimmt; in der Praxis bedeutet dies, dass die Lichtintensität um den Faktor zwei abnimmt, wenn Sie die Lichtquelle um den Faktor vier von einer Oberfläche entfernen. Daher reicht es nicht aus, zu wissen, wie viel PAR-Licht eine Lichtquelle erzeugen kann.

PPFD bezieht sich auf die Anzahl der PAR-Photonen, die pro Sekunde auf eine bestimmte Oberfläche einstrahlen. Dieser Wert wird in Mikromol pro Quadratmeter und Sekunde (µmol/m²s) gemessen.

Jede Pflanzenart hat spezifische PPFD-Anforderungen, um den besten Ertrag zu erzielen. Zum Beispiel benötigen blühende Pflanzen wie Cannabis etwa 300 - 600 µmol während der vegetativen Phase und 800 - 1000 µmol während der Blüte. Dabei handelt es sich um PPFD-Messungen, wobei zu viel Licht ebenso schädlich sein kann wie zu wenig Licht.

Ein weiterer Maßstab ist die Effizienz: Wenn für viel Licht große Mengen an Strom benötigt werden, besteht die Gefahr, dass man mehr verliert als gewinnt.

DieBeleuchtungseffizienz ist ein Maß dafür, wie viel Licht mit einer bestimmten Energiemenge erzeugt wird; bei herkömmlicher Beleuchtung wird sie in Lumen pro Watt angegeben. Im Gartenbau ist die Effizienz einer Lichtquelle oder PPE (photosynthetische Photonen-Effizienz) das Verhältnis von PPF zu elektrischer Eingangsleistung, gemessen in Mikromol pro Joule (μmol/J).

Power LED-Vorschaltgeräte für den Gartenbau

Bei einem LED-System für den Gartenbau hängt eine gute Effizienz auch von einer geeigneten Stromversorgung ab.

Universal Science ist der Partner von uPowerTek für den Vertrieb von LED-Netzteilen und hat vor kurzem eine Reihe von schlanken Netzteilen für LEDs bis zu 810 W auf den Markt gebracht, die besonders im Gartenbausektor beliebt sind.                                 

Die schlanke Serie ist nur 90 mm breit und kann in den Eingangs- und Ausgangsklemmen (z. B. C14, M19 und der RJ12-Justierklemme) individuell angepasst werden.

Mit seinem neuen Design deckt er einen Ausgangsstrom von 3,6A bis 18A ab. Der Ausgangsstrom und andere Funktionen können mit einem NFC-Programmiergerät (Near Field Communication), einem kabelgebundenen Programmiergerät oder einem Smartphone programmiert werden.

Diese schlanken Netzteile haben eine Lebensdauer von 100.000 Stunden bei Tc=75℃ und einen Überspannungsschutz von 6 kV. Sie garantieren eine flimmerfreie Leistung und ermöglichen mit einer Ausgangsstromwelligkeit von weniger als 5 % eine konstante Lichtleistung.

Im Hinblick auf die neu entwickelten UL-Anforderungen ist das isolierte Dimmen auch in diesem Produkt enthalten; wie bereits im Einsatz unterstützt die Stromversorgung Mehrfachdimmen und Dim-to-Off-Protokolle. Optionen für konstanten Lichtstrom, niedrigen Einschaltstrom und NTC-Thermorückführung sind auf Anfrage erhältlich.

Universal Science verfügt seit vielen Jahren über ein umfassendes Produktportfolio, das LED-Treiber mit Wattagen von 50 bis 800 W, verschiedene Arten der isolierten Dimmung und eine Reihe von AC-Eingangsspannungen von 108 bis 528 V, in den beiden Versionen 108-305 V und 180-528 V, mit einer großen Auswahl an DC-Ausgängen einschließlich 12, 24 und 48 Volt umfasst.

Zu den verschiedenen Lösungen gehört die SVR-Serie, schlanke Netzteile mit hoher thermischer Leistung und einem innovativen Thermal-Foldback-Kontrollsystem.

Derhohe Wirkungsgrad von bis zu 95 % führt zu einer höheren Effizienz des Beleuchtungssystems und damit zu erheblichen Kosteneinsparungen.

Der Einschaltstrom ist extrem niedrig, die Standardversion der 400-800-W-Netzteile hat weniger als 20 A. Die Dimmleistung ist hervorragend, mit bis zu 1 % Dimmbarkeit in einer sanften und flimmerfreien Weise.  

Es gibt auch eine breite Palette von Optionen für den Anschluss und die Steuerung im Feld, insbesondere für Beleuchtungsanwendungen im Gartenbau. Im Bereich der kabelgebundenen Lösungen unterstützen die Netzteile von uPowerTek 0-10V, DALI, RS485 und DMX-Protokolle. Im drahtlosen Bereich sind die Protokolle Zigbee und Bluetooth verfügbar.

Der Controller wird mit 5 V von USB oder 12 V aux vom LED-Vorschaltgerät versorgt. Der dimmbare 0-10-V-Mehrkanalausgang ermöglicht eine präzise Steuerung der Lichtleistung. Mit dem Drehknopf auf dem Bedienfeld lässt sich der Dimmmodus einfach zwischen manueller, drahtgebundener oder drahtloser Steuerung wählen, was die Lichtsteuerung wesentlich flexibler macht.

Die Serie RSH-001 (niedriger Einschaltstrom), die auf Ströme bis zu 10A@277Vac begrenzt ist, vereinfacht den Einbau in 16A-Leitungen, so dass der Schalter beim Einschalten nicht auslöst.

Schlanke LED-Vorschaltgeräte für den Gartenbau

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