Leds voor plantproductie

Door CANNA Research

Sommige kwekers weten al dat het er niet om gaat óf leds de meest voorkomende aanvullende lichtbron worden voor planten, maar wanneer. Als kweker moet je jezelf vooral de vraag stellen of ze effectief zijn, en in welke mate je leds kunt gebruiken in plaats van traditionele kweeklampen. Hiervoor moet je eerst iets meer weten over het gebruik van ledkweeklampen. Dit artikel geeft je inzicht in de praktische aspecten van leds en beschrijft de voor- en nadelen. Eerst leggen we de principes van ledverlichting uit zodat duidelijk is hoe je leds kunt gebruiken.

Wat zijn leds?

Leds zijn semi-geleiders die licht produceren door een proces dat elektro-luminescentie wordt genoemd. Leds worden gemaakt van twee soorten materiaal, het N-type en P-type. Het N-type bestaat uit negatief geladen vrije elektronen en het P-type heeft positief geladen openingen.

Wanneer de N-type-laag op het negatieve (-) einde van een elektrisch circuit wordt aangesloten en het P-type aan het positieve (+) einde van het circuit, kunnen de vrije elektronen in een elektrische stroom bewegen. Deze vrije elektronen worden aangetrokken tot de positieve openingen in het P-type-materiaal. Deze opening heeft minder energie dan de elektronen. Om in de opening te ‘passen’ moet het elektron dus wat van zijn energie vrijgeven. In het geval van leds wordt deze energie in de vorm van een foton uitgestoten en dat levert licht. De intensiteit van het uit een led uitgestoten licht hangt af van de hoeveelheid energie die wordt afgegeven door de elektronen die in de positieve opening springen (afbeelding 1).

De kleur die door de licht-fotonen wordt uitgestoten, hangt af van het halfgeleidende materiaal in de led. Leds kunnen zo worden geproduceerd dat de foton-kleuren overeenkomen met de licht-absorberende pieken van belangrijke plantpigmenten. Voorbeelden hiervan zijn de rood- en ver-rood-absorberende vormen van fytochroom of de rode en blauwe pieken van de fotosynthetische actiespectra van het blad. Dit betekent in feite dat je met ledverlichting dus energie kunt besparen wanneer alleen de kleuren geproduceerd worden die belangrijk zijn voor de groei en ontwikkeling van je planten.

Tot zover het technische deel ... maar wat heeft dit met je geliefde planten te maken? En hoe kies je de juiste ledkweeklamp?

Afbeelding 1: Deze vereenvoudigde illustratie van een led laat zien hoe extra energie in de vorm van fotonen wordt vrijgegeven wanneer elektronen het P-N-kruispunt oversteken, en openingen in de P-type-laag opvullen.

Wat zijn de eigenschappen van leds?

Planten gebruiken licht voor fotosynthese en ontwikkeling. Licht voor fotosynthese wordt beschreven door PAR (afkorting van het Engelse photosynthetic active radiation) of PPFD (afkorting van het Engelse photosynthetic photon flux density). Dat is de hoeveelheid licht tussen 400 en 700 nm dat voor fotosynthese wordt gebruikt. Voor de normale teelt is minimaal 50 tot 200 µmol/m²/s nodig, maar dit hangt natuurlijk af van het type planten en de hoeveelheid licht die ze nodig hebben.

Als vuistregel geldt: hoe meer licht je biedt, hoe beter de planten groeien. Er bestaat echter een punt waarna planten niet verder gebruik kunnen maken van extra licht: rond 500 µmol/m²/s.

Wanneer je ledlichtbronnen gaat kiezen, is het belangrijk om in gedachten te houden dat planten voor het menselijk oog verschillende lichtabsorptie-pieken hebben. Fotosynthetisch licht heeft absorptiepieken in het blauwe en rode lichtspectrum, terwijl de mens hun lichtpiek in het gele/groene spectrum heeft (zie afbeelding 2). Dit betekent dat fotosynthetisch licht niet hetzelfde is als lux of lumen, wat de ‘menselijke maat van helderheid’ is. Wanneer je een ledkweeklamp gaat uitkiezen, moet je kijken wat de specificatie voor fotosynthetische lichtproductie in PAR of PPFD is. Helaas zijn deze lichtspecificaties niet altijd voor alle ledkweeklampen beschikbaar.

Afbeelding 2: Lichtspectra en kleurverdeling en de meest voorkomende absorptiepieken voor planten en mensen.

PAR en lux zijn twee verschillende dingen (zie afbeelding 2). Er zijn standaard conversiefactoren beschreven voor verschillende lichtbronnen en bijbehorende lichtspectra, er geldt een andere conversiefactor geldt voor verschillende lichtbronnen (Tabel 1).

Maar hoe zit dat met ledconversiefactoren? Leds verschillen van andere lichtbronnen omdat ze een andere spectrale samenstelling hebben. Hierdoor is een standaard conversiefactor niet mogelijk is.

Tabel 1. Conversiefactoren voor verschillende lichtbronnen van lus (lumen/m²) tot PAR (µmol/m²/s)

1. Lichtspectrum voor fotosynthese
2. Fotosynthese en extra ver-rood licht (700 – 800 nm) gebruikt voor plantenontwikkeling

Hoe beoordeel je een ledkweeklamp?

Ook zonder diepgaande technische kennis is het mogelijk om de kwaliteit van een ledkweeklamp te bepalen.

Alle ledverlichtingsystemen die als ‘kweeklampen’ op de markt worden verkocht, zijn gemaakt van verschillende combinaties van leds. Ze kunnen uit tot tien verschillende soorten leds bestaan. Elke individuele led moet ten minste één watt aan energie gebruiken om effectief te zijn voor plantenverlichting; onder dit niveau heeft het verkregen licht onvoldoende doordringend vermogen om de hele plant goed te verlichten. Maar er komt meer bij kijken. Wanneer je een ledlicht gaat uitzoeken, moet je kijken naar hoge-intensiteit of hoge-helderheid 1W-leds, die 10 mm groot zijn en van de huidige generatie zijn.

Bij de meeste conventionele lampen geldt dat hoe meer elektrisch vermogen ze gebruiken, hoe hoger zowel het totale aantal lumen is, evenals het aantal lumen per watt. Voor ledlampen geldt dit niet. Bij een hoger ingangsvermogen zal elke individuele led zeker helderder zijn, maar minder efficiënt (ze zullen namelijk minder lumen per watt uitstoten). Er is weinig effectief verschil in doordringend vermogen voor tuinbouwdoeleinden tussen een 1W-led en een 3W-led.

Hierin zit dus het fundamentele verschil tussen traditionele kweeklampsystemen en op led gebaseerde systemen. Een circuit met 90 x 1W-leds zal krachtiger en efficiënter zijn dan één met 30 x 3W leds: je kan niet eenvoudigweg het totaal aantal watt vergelijken op dezelfde manier als je gewend was met ontladingslichtsystemen.

Er is nog een factor: vaak is een 3W-led bijvoorbeeld beperkt tot tussen 2,2W en 2,8W. Het is belangrijk om de optimale lichtefficiëntie, warmteverlies en levensduur van elke diode te onderzoeken. Wees je ervan bewust dat ledlampen ook vermogen nodig hebben voor de leddrivers, ventilatoren voor koeling en voor afvoeren van warmte. Bijvoorbeeld, een 135W ledunit zal in werkelijkheid slechts ongeveer 110 watt licht-energie geven.

Er bestaan veel verschillende configuraties voor systemen met led kweeklampen zoals ufo kweeklampen, kweeklamppanels en losse spotlampen. Kies voor een systeem met een minimumvermogen van 90 watt, afhankelijk van je specifieke eisen en situatie.

Een praktische moeilijkheid is dat (led)lichtintensiteit omgekeerd kwadratisch afneemt met afstand: wanneer de afstand van een lichtbron wordt verdubbeld, komt de totale hoeveelheid licht niet op 2, maar op 2 in het kwadraat – dat betekent een factor 4 (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Lichtdistributie omgekeerd kwadratisch – in een ‘open’ situatie – als functie van de afstand tot de plant.

Wat zijn de voordelen van ledkweeklampen?

Een van de belangrijkste voordelen van ledlampen zijn hun energie-efficiëntie omdat ze minder onnodige lichtfotonen en warmte produceren! De warmte die uit gloeilampen en ontladingslichten wordt geproduceerd, hoewel het goed kan zijn voor planten, is niet zuinig. Tabel 2 laat zien dat leds slechts 25% van het vermogen van een gloeilamp nodig hebben om dezelfde hoeveelheid licht (in lumen) te produceren. Dit geeft leds een groot economisch voordeel boven traditionele gloeilampen.

Tabel 2. Elektrische efficiëntie van verschillende lichtbronnen op basis van gelijke lichtproductie.

Wanneer je leds vergelijkt met de meest voorkomende bron voor plantenverlichting, hogedruk natrium of HPS (afkorting van het Engelse high pressure sodium) wordt algemeen aangenomen dat de nieuwste leds energie-efficiënter zijn. Hogedruk natriumlampen produceren 1,8 µmol licht voor elke joule van energie-input, terwijl de laatste leds 2,3 µmol licht per joule gebruiken.

Bovendien produceren leds minder afvalwarmte. Je kunt daarom lampen veel dichter bij oppervlakten plaatsen zonder het risico op oververhitting of warmtestress voor de planten. Bij hoge intensiteit ontladingslampen of HID (afkorting van het Engelse high-intensity discharge) is echter wel een aanzienlijke afstand tussen lampen en planten nodig om een uniforme lichtverdeling te garanderen en om warmtestress van de lampen te vermijden. Dit betekent dat ledsystemen veel flexibeler kunnen worden ontworpen – horizontale en verticale verlichting of tussenbelichting zijn bijvoorbeeld allemaal mogelijk. Leds zijn ook beter geschikt in een meerlaags plantsysteem.

Een ander belangrijk voordeel is dat leds robuuster zijn en een langere levensduur hebben dan traditionele lichtbronnen met filamenten, elektroden of gasgevulde lampen onder hoge druk. Leds gaan ook direct aan en hebben geen tijd nodig om volledige helderheid te bereiken.

Nog een paar hordes ...

De genoemde voordelen maken leds een interessant alternatief voor de huidige verlichtingssystemen die voor planten worden gebruikt, zoals HPS en metaalhalide (MH). Leds zijn echter nog niet algemeen geaccepteerd als lichtbron voor de tuinbouw.

Ledlampen vragen bij aanschaf een hogere investering en kosten vaak meer dan de behuizing waarin ze worden geplaatst. Door deze kosten kunnen kwekers gaan twijfelen. Gelukkig is de ontwikkeling van de led erg gunstig geweest: elke tien jaar zijn de prijzen voor leds met een factor 10 gedaald, terwijl de prestaties met een factor stegen. De toekomstige massaproductie van ledverlichting zal waarschijnlijk ook de kosten van de productie van ledverlichting verminderen en hopelijk de verkoopprijs verlagen.

Een belangrijk nadeel is de moeilijke interactie van leds met betrekking tot de groei van planten. Sommige kwekers hebben met led een verminderde productie of een gebrek aan ontwikkeling in planten ervaren, vergeleken met traditionele lichtbronnen. Er zijn verschillende onderzoeken die inderdaad een verminderde opbrengst of plantontwikkeling door ledverlichting hebben aangetoond. Een mogelijk misverstand en onjuistheid is het effect van de geproduceerde warmte. Meer warmte, bijvoorbeeld door HPS- of MH-lampen, is gunstig voor plantengroei. Wanneer deze planten worden vergeleken met ‘ledplanten’, die deze extra warmte niet krijgen, is het vaak duidelijk dat de HPS- of MH-planten beter groeien dan ledplanten.

Het is belangrijk om te beseffen dat - wanneer het aankomt op het lichtspectrum - rode of blauw/rode lichtcombinaties niet goed genoeg zijn. Veel eerste generatie ledkweeklampen waren twee-bands (alleen rood en blauw) die voor de meeste planten ontoereikend bleken. Hoewel deze twee golflengten toereikend zouden zijn voor lichtenergiefixatie (fotosynthese), hebben de meeste planten ook nog beperkte hoeveelheden licht uit andere delen van het spectrum nodig. Om ervoor te zorgen dat meervoudige plantprocessen zo effectief mogelijk worden gestimuleerd, zijn brede fotosynthetische lichtspectra (vergelijkbaar met het zonlicht) aan te bevelen.

De meeste producenten van ledkweeklampen zien het exacte lichtspectrum dat ze gebruiken als een handelsgeheim. Ze noemen meestal een meer algemene ‘kleursamenstelling’ of kleurtemperatuur. In feite is een kleurtemperatuur tussen 2.700K (2.700 Kelvin, warm wit) en 6.500K (koel wit) geschikt voor plantproductie. Houd er rekening mee dat een ‘koeler’ en meer blauwachtige kleur een remmend effect op de bloei of bloei-inductie kan hebben.

Voor nu is er nog veel meer onderzoek en bekendheid nodig om de optimale lichtspectra en daarmee ledlampen voor specifieke planten of teeltdoeleinden te bepalen. Omdat ledsystemen nog niet als HPS- en MH-lampen geoptimaliseerd zijn, blijven deze lichtbronnen het beste om je planten mee te kweken.

Afbeelding 4: Een ledlicht

Ledkweeklampen, een hype?

Dus, zijn ledkweeklampen gewoon een nieuwe mode die voorbijgaat of zijn ze echt de moeite waard om te proberen? Ze werken zeker voor plantteelt, maar je moet kritisch zijn bij het kiezen van een potentiële ‘ledkweeklamp’. Als je een nieuwe ledlamp gaat uitzoeken, moet je eerst kijken naar zijn ledcomponenten, fotosynthetisch licht, lichtspectra en energiegebruik.

8 tips om niet te vergeten bij het kweken met led verlichting:

1. Voor plantverlichting wordt een minimum van 90W aanbevolen.
2. Individuele leds dienen minstens 1W of meer te zijn, bij voorkeur 10 mm en van de laatste generatie.
3. Kijk ook naar hoge-intensiteit- of hogehelderheidleds.
4. In tegenstelling tot wat je zou denken maakt een hoger inputvermogen een led minder efficiënt (dus 3x 1W is efficiënter dan 1x 3W).
5. Als je de afstand tussen het licht en de plant verdubbelt, vermindert het licht met een factor 4 (2²)
6. De meeste planten hebben een bereik in fotosynthetische lichtintensiteit van 50 – 200 µmol/m²/s tot 500 µmol/m²/s nodig.
7. Kies een breed lichtspectrum (3- of 5-bands) met wat rood en ver-rood licht voor de bloei.
8. Wanneer je geen specificaties hebt voor een bepaalde plantproductie, zoek dan naar een kleurtemperatuur tussen 2.700K en 6.500K.

De technieken voor het gebruik van leds in plantproductie zijn nog niet zo perfect als de bestaande en vertrouwde vormen van plantverlichting. Naarmate we meer kennis krijgen over wat planten nodig hebben en hoe ledlampen werken, zullen we waarschijnlijk in de toekomst vaker leds gaan gebruiken. Hiermee ziet de toekomst er rooskleurig uit voor led verlichting!