VV03 Omslag 200
Februari 2020

Volledig spectraal zonlicht-systeem voor belichting van planten – en meer

11 01

In samenwerking met Seoul Semiconductor ontwikkelde Ronald Gronsveld van Rofianda, een op UV-A gebaseerd ledsysteem dat het volledige zonnespectrum uitstraalt. Directe aanleiding was het feit dat de huidige verlichting voor kassenteelt dit spectrum niet kan bieden, waardoor planten minder efficiënt groeien. Om een volledig zonnespectrum te realiseren is gebruikgemaakt van een speciaal ontwikkelde fosforcoating. Dit nieuwe ledsysteem elimineert de twee belangrijkste hiaten van de vorige generatie ledverlichting: de minimale bijdrage aan groen en verrood licht.

Met de overschakeling van hps (high pressure sodium, natriumbelichting) naar ledverlichting in kassen, is het noodzakelijk gebleken om een andere manier van belichting (en zelfs klimaatsturing) toe te passen. Dit heeft te maken met het feit dat het spectrum van ledverlichting verschilt van hps, maar tevens met een andere manier van uitstralen.

Aantal fotonen

Om een ledsysteem optimaal in te stellen voor het telen van planten, is het noodzakelijk te weten wat een plant precies aan verlichting nodig heeft. Planten zijn ten eerste gevoelig voor het aantal fotonen dat in het licht zit. De par-fotonen gedeeld door het vermogen van de lamp, geeft aan hoe efficiënt een armatuur is in het zichtbare spectrum. Dit wordt uitgedrukt in μmol/W of μmol/J en ook wel ppe (photosynthetic photon efficiency) genoemd. Ronald Gronsveld, directeur-eigenaar van Rofianda uit Tilburg: ‘Verschillende onderzoeken met verschillende gewassen hebben aangetoond dat deze aanduiding niet specifiek genoeg is. Een gewas groeit namelijk niet bij alleen bij rood licht (600 - 700 nm) of blauw licht (400 - 500 nm) en ook niet alleen bij een combinatie van deze twee kleuren. Sterker nog, het heeft net zo goed groen licht nodig evenals het niet zichtbare deel van het spectrum, bestaande uit UV- en nir (verrood). Het is dan ook met recht een probleem te noemen dat juist deze laatstgenoemde delen van het spectrum slechts in beperkte mate worden uitgezonden door natriumlampen en de huidige generatie leds.’

11 02Chlorofyl absorptie en fotosynthese respons in geabsorbeerde fotonen bij verschillende golflengten.

Uitstraalhoek

Naast de kleurtemperatuur van het licht en het aantal fotonen, is eveneens de uitstraalhoek van belang in het kader van gelijkmatigheid. hps-bronnen zijn te combineren met breed- en diepstralende reflectoren die een homogeniteit van ongeveer 70 - 80 procent bieden. Wanneer hps echter één-op-één wordt vervangen door ledverlichting, daalt de homogeniteit direct naar circa 40 procent of zelfs lager. Door het plaatsen van lenzen over de leds treedt er namelijk minder verstrooiing op van het licht. Hiermee is weliswaar een extra besparing te realiseren, maar dreigt tevens een vermindering van de gelijkmatigheid. Dit is op te lossen door twee of eventueel drie rijen ledverlichting te installeren. Een goed berekend lichtplan geeft uitsluitsel over de juiste plaatsing van de verlichting ten opzichte van het werkoppervlak of berekeningsoppervlak.

Minder licht met een hoge effectiviteit, leidt tot betere resultaten dan meer licht

Hoeveelheid licht

Een vierde belangrijke factor betreft de hoeveelheid licht die naar de planten wordt uitgestraald. Daarbij geldt dat een overmaat aan licht zeker niet altijd tot het juiste resultaat leidt en dat een overmaat aan verkeerd licht zeker leidt tot verkeerde groei en hiermee verkeerde resultaten.
Gronsveld: ‘Onderzoeken hebben aangetoond dat minder licht, maar met een hoge effectiviteit, tot betere resultaten leidt dan meer licht. Bij een samenstelling van kunstmatig licht op een niveau zoals de natuur dit via het zonlicht regelt – met de verhouding 1:2:2 voor de delen blauw, groen en rood licht, blijkt een gewas tot een min of meer optimale groei van zaad tot vrucht/bloem te kunnen komen. Wanneer het licht een aandeel van circa 10 procent verrood licht (700 - 800 nm) en circa 0,5 procent UV-A (380 nm) bevat, zal het gewas circa 25 procent meer bladoppervlak ontwikkelen en een dikkere, stevigere steel ten opzichte van planten waar deze delen in het lichtspectrum ontbreken. Belangrijk, omdat hierdoor het transport van groeistoffen vanuit de wortels sneller en beter verloopt, wat leidt tot een snellere, betere groei met een hogere opbrengst.’

Volledig spectraal zonlichtsysteem bij mensen

Evenals planten functioneren ook mensen in principe het beste wanneer zij voldoende zonlicht ontvangen. Dit laatste gebeurt door het vele binnen zitten echter lang niet bij iedereen. Zeker wanneer het gaat om mensen die in een verzorgingstehuis wonen, bijvoorbeeld omdat zij dementerend zijn. Om die reden is ‘human centric lighting’ ontwikkeld: een lichtconcept waarbij kunstverlichting zo goed mogelijk het dagelijkse verloop van het zonlicht simuleert. Dit ondersteunt het natuurlijk bioritme waardoor specifiek dementerende mensen overdag actiever worden, hierdoor beter slapen en, in sommige gevallen, zelfs minder medicatie nodig hebben.
Het volledig spectraal zonlicht systeem kan hierin logischerwijs een belangrijke bijdrage leveren. Niet alleen vanwege het volledige spectrum, maar ook omdat zowel de kleurtemperatuur als de intensiteit van de verlichting naadloos is af te stemmen op de behoefte van de specifieke doelgroep. In de proeven die nu lopen in een aantal verzorgingstehuizen, wordt niet alleen naar de reactie van de bewoners gekeken, maar ook naar de effecten op het verplegend personeel. Deze mensen kunnen door dit licht ook prettiger en efficiënter functioneren; zeker tijdens een nachtdienst.
Een tweede proef die betrekking heeft op mensen, betreft de toepassing van de ledverlichting in productieomgevingen waar 24/7 wordt geproduceerd. Door hier tijdens de avond- en nachtdienst ‘daglicht’ met een afgepaste sterkte toe te passen, zijn werknemers minder moe waardoor ze eveneens effectiever, maar ook veiliger kunnen werken.

Volledig spectraal zonlicht

Met de verschillende resultaten in het achterhoofd is Gronsveld gestart met de ontwikkeling van een ledlamp die het volledige spectrum van het zonlicht uitstraalt. Ten opzichte van de vorige generatie ledverlichting zendt deze lamp wél de golflengten uit die horen bij groen en verrood. Om dit mogelijk te maken, heeft hij samengewerkt met het Koreaanse Seoul Semiconductor. ‘De gecombineerde kennis heeft uiteindelijk geleid tot één chip voorzien van een speciale fosfor-coating waarmee we in staat zijn gebleken een lamp te ontwikkelen die het volledige zonnespectrum uitstraalt. De verhouding tussen de verschillende kleuren licht – blauw, groen, rood – bedraagt 1,3:2:2 en verder biedt hij 0,4 procent UV-A en 7 procent nir (700 - 800 nm). Met deze ene SunLike V2-chip hebben we dus ook één lamp kunnen maken waarvan de uitstraling te vergelijken is met het natuurlijke zonlicht.’

11 03Het Rofianda led-systeem bestrijkt het volledige spectrum; de traditionele ‘deuken’ in de grafiek bij groen en verrood ontbreken hier.

Testen

Deze assimilatieverlichting is inmiddels bij verschillende tuinders – ook wereldwijd – geïnstalleerd en levert nu al opmerkelijke resultaten op. Gronsveld: ‘Normaal ga je uit van ongeveer tien dagen die een plant nodig heeft om zich aan te passen aan veranderende lichtomstandigheden. Ik heb echter al reacties binnen dat dit na vier dagen gebeurt in de vorm van een snellere groei. Dit betekent onder meer dat groentes die we in de winter normaal uit Spanje halen, nu gewoon hier zijn te kweken tegen normale prijzen. Uiteraard ‘belast’ je daar de plant extra mee en kun je dit niet jaar-in jaar-uit bij dezelfde plant doen. Maar voor bijvoorbeeld tomatenplanten, die elk jaar nieuw worden geplant en opgekweekt, is dit geen enkel probleem.’ ‘De uiteenlopende testen die nu lopen bij verschillende bedrijven zullen extra kennis opleveren waarmee we het inzetten van deze lamp in de tuinbouw kunnen optimaliseren. Daarnaast zijn we ook bezig met de positieve effecten van het volledig spectraal zonlichtsysteem bij mensen (zie kader). Het worden interessante jaren.’

Tekst: ing. M. de Wit - Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Industrie

Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.