2014‐01‐15
Artificiellt ljus i hortikulturella
produktionssystemKulturgrupp Gurka
Karl-Johan Bergstrand
Institutionen för Biosystem och teknologi
2014-01-15
© Svante Åberg, Umeå Universitet
1
2014‐01‐15
Är solljus det bästa för
plantorna?
Bildkälla: www.wikipedia.org
Klorofyllets aktionsspektrum
Bildkälla: www.smsbiology.blogspot.com
1,2
HPS
IR
1
0,8
Blått
ljus
reducerar
0,6
sträckning
0,4
(?)
Långrött ljus
inducerar
sträckning och
kontrollerar
blomningen
0,2
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Rött ljus
inducerar
tillväxt av
skott och
rötter
Spektral irradians, W/m2, 2 nm
Spektrum
-0,2
1,30
1,20
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
BL00
GR00
RE00
YE00
WH00
300
400
500
600
Våglängd, nm
700
800
2
2014‐01‐15
Att mäta ljus
• Lux-baserat på mänsklig uppfattning
• µmol m-2 s-1-absolut tal baserat på antal fotoner ”ljuspaket”
• PAR-Photosynthetic Active Radiation
• Typiska siffror µmol m-2 s-1: Ute upp till 2000, tillskott växthus 100,
kompensationspunkt 15-20
Foto: K-J Bergstrand
Belysning i växthus-historik
• Tidiga försök-början 1930-talet
(glödlampor, lysrör, neonrör)
• Första kommersiella odling i Sverige-1930-tal
• Stort genombrott-slutet 1960-tal
(Kvicksilverlampor, lysrör, metallhalogenlampor)
• 1970-talet- genombrott för högtrycksnatrium, 400 W
• 1990-tal: Högtrycksnatrium 600 & 1000 W, fas-till-fas installationer,
”interlighting”
• 2000-tal: Högtrycksnatrium: elektroniska drivdon
Nya tekniker: LED, Plasma, Keramisk metallhalogen, Induktion
Ökande total yta (Europa), ökad installerad effekt
3
2014‐01‐15
Belysning i växthus-syften och
omfattning
• Driva fotosyntesen under mörka årstiden (odling året runt alt.
förlängning av säsong)
• Ökad transpiration och upptorkning
• Fotoperiodiskt ljus (Förhindra KD-plantor från blomning under
vintern, resp. inducera blomning i LED-plantor under vinter)
• Odling i odlingskammare utan naturligt ljus
• Året-runtodling av gurka, tomat och paprika (Nederländerna, Norge,
Finland)
• Året-runtodling av sallat och kryddväxter (Europa inkl. Sverige)
• Odling av krukodlade prydnadsväxter under mörka perioden
(Europa, Nordamerika etc. Typiska kulturer: Kalanchoe, Julstjärna,
Begonia, Orkidée etc.)
• Året-runtodling av snittblommor (Nederländerna, Norge)
• Plantuppdragning vår (Hela världen)
4
2014‐01‐15
Förväntningar på nya
teknologier för växthusbelysning
• Minskad (el-) energiförbrukning
• Bättre möjligheter till styrning av ljuset
• Nya möjligheter för utformning av armaturer-”interlighting”
• Bättre produktkvalité hos prydnadsväxter
• Förbättrad smak och näringsvärde/kvalité hos färska kryddor och grönsaker
Teknologier
• Historia: Glödlampor, neon, kvicksilver
• Idag: Högtrycksnatrium (HPS), Lysrör (-lampor),
metallhalid
• Imorgon: Induktionslampor, fältemissionslampor,
plasmalampor, LED?
Foto: K-J Bergstrand
5
2014‐01‐15
Kommersiellt
tillgänglig
Ja
Teknologi
Högtrycks‐
natrium
(HPS)
Fördelar
Lågt pris
Högt ljusflöde
Beprövad teknik
Nackdelar
Ej optimal ljuskvalité
Bristande styrbarhet
Rel. kort livslängd LED
Hög styrbarhet
Flexibilitet gällande utformning
och placering av armaturer
Lång livslängd
Ljuskvalité, ljusutbyte
”Vitt” ljus
Lång livslängd
Högt pris
Kräver kylning
Skrymmande armaturer
Brist på IR (?)
Ja
Högre pris än högtrycksnatr.
Tveksamhet kring ljusutbyte
Bristande styrbarhet
Ja
Plasma
Högt ljusflöde
Ljuskvalité
Lång livslängd
Kostnadsläge
Obeprövad teknik
Ja
Induktion
Livslängd
Obeprövad
Lågt ljusflöde
Bristande styrbarhet
Ja
Fältemission
Ljuskvalité
Ljusutbyte
Obeprövad
Nej
Kompaktlysrör
Lågt pris
”Vitt” ljus
Begränsad livslängd
Otillräcklig styrbarhet
Ja
Keramisk
metallhalogen
(CMH)
© K-J Bergstrand 2014
”Verkningsgrad” hos lampor
• Mätes korrekt i µmol/w, men i praktik ofta i %
• Glödlampa: 7%
• Lysrör (T8) 25%, T5 upp till c:a 35%?
• Metallhalogenlampa: 21-23%
• Högtrycksnatrium: 27-32% (35)%
• LED: upp till c:a 35%
6
2014‐01‐15
Resultat
Kalanchoe
• Färskvikt, planthöjd
och antal blommor var
högst för plantor odlade
under HPS
Foto: H.K. Schüssler
Vit LED
Röd/blå LED
HPS
Datum blomning:
Vit LED:
18 December
Röd/blå LED: 18 December
HPS:
13 December
Resultat
Julstjärna
• Inga skillnader i sträckning
• Frisk- och torrvikt lägre i
röd/blå LED
Foto: H. K. Schüssler
Vit LED
Röd/blå LED
HPS
7
2014‐01‐15
Jämförelse av olika spektra
Lysrör
HPS
0,14
0,1
0,08
0,1
0,06
0,08
0,1
0,08
0,06
0,06
0,04
0,04
0,04
0
0
-0,02
0,02
0
300
352
404
456
508
560
612
664
716
768
820
872
924
976
1028
1080
0,02
300
342
384
426
468
510
552
594
636
678
720
762
804
846
888
930
972
1014
1056
1098
0,02
-0,02
Skillnader i friskvikt, lysrör och HPS högst
Foto: K-J Bergstrand
24
White LED
22
Red/blue LED
20
HPS
En typisk dag
18
16
°C
14
12
10
Lampor till
Lampor från
Lufttemperatur i
plantskiktet
8
6
4
2
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
08:00
07:00
06:00
05:00
04:00
03:00
02:00
01:00
00:00
0
100
90
80
70
60
Lampor till
50
Lampor från
White LED
Relativ luftfuktighet
i plantskiktet
Red Blue LED
40
HPS
30
20
10
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
08:00
07:00
06:00
05:00
04:00
03:00
02:00
01:00
0
00:00
% RH
-0,02
0,12
0,12
300
352
404
456
508
560
612
664
716
768
820
872
924
976
1028
1080
0,12
8
2014‐01‐15
Värmen-tillgång eller problem?
• HPS: Värmen avges som strålning i samma riktning som ljuset
• LED: Behöver kylas genom konvektion (naturligt luftflöde, fläktar eller vatten)
Foto: K-J Bergstrand
Interlighting
Foto: Philips
• Värmen utnyttjas
• Ingen skuggning
• Bättre fruktkvalité
• Möjligen mindre mjöldagg
9
2014‐01‐15
Belysning-växtskydd
• Mindre mjöldagg med LED? (minskad uttorkning av bladen)
• UV-ljus kan användas för bekämpning av mjöldagg (dödar konidier, stärker
bladet)
• Vissa våglängder attraherar/repellerar skadegörare (”aktiva” klisterfällor)
• Ljuskvalitén under odlingen påverkar hur ”smaklig” växten är för skadegörare
(tjocklek hos kutikula, sekundära metaboliter)
Orsaker till besvikelser med LED
• Ljussensorer underskattar rött ljus (t.ex. från HPS)
• Ett plantbestånd drar bättre nytta av grönt och gult ljus än ett enskilt blad
• Växterna anpassar sig till ljusförhållandena
• Bladtemperaturen väldigt viktig
10
2014‐01‐15
Vad behöver uppfyllas för att
LED ska slå igenom?
• Effektiviteten (i % eller µmol per watt) behöver förbättras ytterligare
• Ljuskällan bör placeras inne i beståndet för att dra nytta av värmen och
minska skuggning
• Ytterligare forskning kring ljusutnyttjande och möjligheten att styra tillväxten
med ljuset
• Kylningen-fläktar, vatten eller kylflänsar?
Slutsatser
• Rött+blått ljus mindre lämpligt-inkludera även vitt
• Efterfråga alltid värdet µmol/w, bör vara minst 2.3
• Ljuskällan bör placeras inne i plantbeståndet
• Se till att kylningen säkerställs
• Tro inte alltför mycket på tal om ”optimerat” spektrum
• Tillsvidare: HPS gäller för toppbelysning, LED användbart för ”interlighting”
11
2014‐01‐15
Tack för mig!
• Frågor?
• Ytterligare frågor: 040-415343, [email protected]
Foto: K-J Bergstrand
12
