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LED – die Zukunft der Horticulture-Beleuchtung

16. Februar 2018, 12:00 Uhr | Nicole Wörner

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Wichtige Parameter, Kenngrößen und Einheiten

Verschiedene Organisationen und Unternehmen haben Messgrößen und Parameter festgelegt, um die Effizienz künstlicher Beleuchtungssysteme zu messen, zu quantifizieren und zu qualifizieren. In den letzten Jahren wurden einige Anstrengungen unternommen, um diese Parameter zu vereinheitlichen, insbesondere durch die American Society of Agricultural and Biological Engineering (ASABE), die mehrere Dokumente zur Identifizierung und Koordinierung des Einsatzes von LEDs für das Pflanzenwachstum mit einer Reihe von Standards und Richtlinien für die Mess- und Prüfmethoden zur Quantifizierung des Energieverbrauchs und der Leistungsmerkmale erstellt hat. Bis vor kurzem basierten die Parameter auf der menschlichen Wahrnehmung von Licht, das vor allem auf die grün/gelben Wellenlängen, nicht aber auf blaues und rotes Licht ausgerichtet ist. Deshalb können herkömmliche Parameter, wie z.B. Lumen, nicht verwendet werden. Nachfolgend sind die wichtigsten Parameter für LEDs im Horticulture-Bereich aufgelistet.

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Wellenlänge (λ, nm) – gibt die Wellenlänge des von der LED abgestrahlten Lichts an.
Photosynthetisch aktive Strahlung (PAR, ~400 bis ~700 nm) – das ist der konventionell genutzte Wellenlängenbereich des Lichts, das Pflanzen für die Photosynthese benötigen. Diese Zahl kann manchmal irreführend sein, weil in diesem Bereich alle Wellenlängen als gleich wichtig für die Photosynthese angesehen werden, obwohl Rot und Blau die Haupttreiber der Photosynthese sind. Das bedeutet, dass die Wellenlängen einer grünen LED innerhalb des PAR-Bereichs liegen können, aber nur einen sehr begrenzten Einfluss auf das Pflanzenwachstum haben.
Photosynthetischer Photonenfluss (PPF, µmol-s-1) – damit wird die Gesamtmenge der photosynthetisch aktiven Photonen beziffert, die LEDs pro Sekunde erzeugen. Obwohl es für einen Elektroingenieur seltsam erscheinen mag, die Leistung einer Lichtquelle anhand der Anzahl der emittierten Photonen zu quantifizieren, muss man bedenken, dass die Photosynthese ein biochemischer Prozess ist, der durch die Anzahl der Zuckermoleküle, die pro Anzahl der Photonen erzeugt werden, quantifiziert werden kann, obwohl Photonen verschiedener Wellenlängen unterschiedliche Energieniveaus haben. Die Umwandlung von elektrischer Energie in PPF erfolgt unter Verwendung der Plank-Einstein-Relation und der Avogadro-Zahl und ist die Summe aller im Wellenlängenbereich erzeugten Photonen.
Photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD, µmol · m–2 · s–1) – sie quantifiziert die Gesamtmenge der photosynthetisch aktiven Photonen, die pro Sekunde die Messoberfläche erreichen. Dieser Parameter ist stark abhängig von der Entfernung von der Quelle und dem Winkel. Dies wird normalerweise mit einem Quantenmessgerät gemessen, das nur auf PAR-Wellenlängen reagiert.
Photon Efficiency (µmol·J) – dieser Parameter gibt an, wie effizient die LED bei der Erzeugung von PPF pro Joule der eingesetzten elektrischen Energie ist.
Wall-plug Efficiency (WPE, %) – dies ist definiert als der Energieumwandlungs-Wirkungsgrad, ein Verhältnis der elektrischen Leistung zur optischen Leistung.
R-B Ratio – dieses Verhältnis beschreibt das Verhältnis von rotem zu blauem Licht, das vom LED-System emittiert wird.

Fazit
Die Verbesserung der Effizienz, der optischen Leistung, des Preises und der Lebensdauer haben dazu geführt, dass LEDs aus dem Forschungsstadium der Entwicklung zu einer praktikablen Alternative zu herkömmlichen Lichtquellen in der Anwendung im Horticulture-Bereich geworden sind. Obwohl der genaue Einfluss von Wellenlängenverhältnissen und die Rolle von Wellenlängen außerhalb von Rot und Blau untersucht und verstanden werden muss, werden LEDs in Zukunft Marktanteile von anderen konventionellen Lichtquellen übernehmen und in den kommenden Jahren dominieren. Mit der Freigabe des erweiterten Produktbereiches der WL-SMDC bietet Würth Elektronik LEDs die für die Photosynthese nötigen Wellenlängen sowie für spezielle Anforderungen, die für bestimmte Anlagentypen erforderlich sind.