Technik und Bewertung moderner LEDs aus energetischer Sicht
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- Gregor Ferdinand Küchler
- vor 7 Jahren
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1 Technik und Bewertung moderner LEDs aus energetischer Sicht LED-Belichtung im Gartenbau, Bad Zwischenahn 5. Februar 2013 Hans-Jürgen Tantau Leibniz Universität Hannover, FG Biosystem- und Gartenbautechnik LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 1
2 Technik: Aufbau und Funktion einer LED LED (englisch: light-emitting diode deutsch: Licht Emittierende Diode) Elektrolumineszenzstrahler Mischkristall aus z.b. Aluminium-Indium-Gallium-Phosphat (AlInGaP) für die Farbe Rot UV Licht NIR P N + U 1,1 bis 1,3 Volt - LED: Lichterzeugung schematisch LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 2
3 Technik: Beispiele unterschiedlicher Bauformen von LEDs Standard-LEDs SMD-LEDs Hochleistungs-LEDs (HLED) Bildquellen: 1) 2) 3) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 3
4 Bewertungsmöglichkeiten von Leuchtmitteln Lichteffizienz, Lichtausbeute Lumen/Watt, lm/w elek energetische Bewertung mw PAR pro W elek elektrischer Wirkungsgrad % Photonenflussausbeute (PPF) mol/(s W elek ) spektrale Bewertung Photosyntheseeffizienz syn/(s W elek ) Zu beachten: Leuchtenwirkungsgrad % Lichtverteilung auf der Kulturfläche PPFD, mol/(m 2 s) PAR = photosynthetisch aktive Strahlung nm PPFD = photosynthetische Photonenflussdichte LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 4
5 Bewertung: Lichtausbeute (Lumen pro Watt, lm/w) das Maß für Energieeffizienz?? Leuchtmittel Glühlampe Halogen Spot Standard LED weiß Standard LED rot Quecksilberdampflampe Leuchtstofflampe Hochleistungs-LED, weiß Natriumhochdruckdampflampe Natriumdampf-Niederdrucklampen Lichtausbeute 15 lm/w 30 lm/w 40 lm/w 60 lm/w 90 lm/w lm/w 100 lm/w lm/w 200 lm/w LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 5
6 Relative Einheiten Lichtausbeute Bewertung: relative spektrale Empfindlichkeit Energie Photonen- Empfindlichkeit menschliches Auge lumen, lux Wellenlänge, nm (verändert) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 6
7 Bewertung: Wirkungsgrad (Energieausbeute) Leuchtmittel Wirkungsgrad % Glühlampe (Halogen) Leuchtstofflampe (Dreibanden) Metallhalogendampflampe Natriumdampflampe Hochleistungs-LED Quelle: Philips LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 7
8 Bewertung: Photonenflussausbeute (PPFD/W elek ) unterschiedlicher Leuchtmittel ( nm) Leuchtmittel Photonenflussausbeute, µmol s -1 W -1 elek Leuchtstofflampe (58 W) 1,3 Natriumdampflampe (600 W) 1,9 Hochleistungs-LED Blau (1 W) 1,0 Hochleistungs-LED Rot (1 W) 2,0 Hochleistungs-LED kaltweiß (1 W) 1,3 Quelle: Bornwasser, 2011 LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 8
9 Relative spektrale Absorption Spektrale Bewertung: Absorptionsmaxima vom Chlorophyll A B Chlorophyll B A Wellenlänge (nm) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 9
10 Relative Photosyntheseleistung Spektrale Bewertungskurve der Photosynthese (DIN 5031-T10) UV (DIN 5031-T10) PAR Wellenlänge, nm Wellenlänge, nm violet blau grün gelb rot dunkel rot Tantau LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 10
11 Spektrale Bewertungskurve der Photosynthese nach DIN (s(λ)sy_din) und S. Tazawa (s(λ)sy_mccree) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 11
12 Leuchtmittel: Natriumdampflampe (Master SON-T PIA Agro) (hohe Lichtausbeute, nur geringer Blau-Anteil, gut geeignet für Zusatzlicht) Quelle: Philips LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 12
13 Leuchtmittel: Metallhalogendampflampe (Master HPI-T Plus) (mehr Blau-Anteil, daher besser geeignet für ausschließliche Kunstlichtanwendung) Quelle: Philips LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 13
14 Leuchtmittel: Leuchtstofflampe (geeignet für Kunstlichträume, In-vitro-Vermehrung) Lampentyp Energiesparlampe Energieausbeute % Leuchtstofflampe Leuchtstofflampe Dreibanden LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 14
15 Relative spektrale Verteilung Leuchtmittel: Hochleistungs-LED (weiß) A B Chlorophyll B A Quelle: Luxeon Wellenlänge (nm) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 15
16 Relative spektrale Verteilung Leuchtmittel: farbige LEDs A B Chlorophyll B A Quelle: Luxeon Wellenlänge (nm) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 16
17 Bewertung von Leuchtmitteln (Vergleich, Beispiele) Leuchtmittel PAR, PPF pro W Lampenleistung Strahlungsleistung Wirkungsgrad Photosynthese McCree LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 17 Photosynthese DIN 5031 W W ( nm) % mol/(s W) syn/w syn/w Halogenlampe , Quecksilberdampflampe HPL-Comfort Metallhalogendampflampe HQI.../WDL 80 11,8 15 0, ,5 25 1, Leuchtstofflampe LL ,6 29 1, Natriumdampflampe Master Agro , Cree XM-L Cool White 4,7 1,6 34 1, Luxeon Rebel LXML-PWC2 Natriumdampflampe Master Green Power 2,1 0, , , Quelle: Miehle-Huang, R.,2009, verändert und ergänzt
18 Bewertung: LED rot und blau, kein gelb-grün? LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 18
19 Glühlampe Leuchtstofflampe Energieumwandlung in Lampen Metallhalogendampflampe Natriumhochdruckdampflampe Quelle: Philips LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 19
20 Energieumwandlung in Hochleistungs-LEDs elektrische Energie 100 % Wärme 70 % Kühlung erforderlich!! a) große Oberfläche b) Luftkühlung, Ventilatoren c) Wasserkühlung Licht 30 % keine Wärmestrahlung! keine Infrarot-Strahlung mit steigender LED-Temperatur (> 25 C) a)sinkt der Wirkungsgrad b)verkürzt sich die Lebensdauer LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 20
21 Beispiel für die Kühlung einer LED-Leuchte mittels Ventilatoren LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 21
22 Zusammenfassung Vorteile von LEDs: hohe Lebensdauer (ca Std.) viele Möglichkeiten der Lichtgestaltung rote und blaue LEDs höchste Effizienz? dimmbar & kein Anlaufverhalten bedarfsgerechte Steuerung (Intensität + Spektrum) kaum Wärmestrahlung im Lichtkegel (wichtig für In-vitro) keine UV Strahlung LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 22
23 Zusammenfassung Nachteile von LEDs hoher Preis ( /W) Kühlung erforderlich (Luft- oder Wasserkühlung) teilweise große Leuchten (Schattenfläche) kaum Wärmestrahlung im Lichtkegel, mehr Heizung? Lebensdauer elektronische Ansteuerung (Lebensdauer?) bei Ausfall des Leuchtmittels Austausch des Moduls? Technische Entwicklung LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 23
24 Ausblick Anwendung für In-vitro Kulturen wirtschaftlich möglich Einsatz im Gewächshaus: Ersatz von Natriumdampflampen in?? Jahren Intercrop lighting bei Reihenkulturen? Für den wirtschaftlichen Einsatz Senkung der Kosten Steigerung der Effizienz (Photonenfluss pro Watt) Entwicklung von Leuchten mit gleichmäßiger Verteilung weitere Untersuchungen zur spektralen Wirkung (rot / blau) LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 24
25 Schöne neue LED-Welt? LED-Belichtung, Bad Zwischenahn Tantau 25
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