Verlichting voor de tuinbouw is geen nieuw concept; LED brengt echter een belangrijke stap voorwaarts in de sector, waardoor telers de spectrale intensiteiten op een manier kunnen afstemmen die met eerdere technologieën ondenkbaar was.
Maar nu de technologie zich verder ontwikkelt: leiden de maatstaven die worden gebruikt om producten te presenteren en te vergelijken telers wel de goede kant op?
Tuinbouwverlichting is een snel groeiende sector; sommige experts voorspellen dat de markt in 2023 zal groeien tot £4,85 miljard. Grote verlichtingsprojecten zijn zowel nationaal als internationaal in uitvoering, met name het Lyudinovo-kassenproject in Rusland, waarbij bij voltooiing circa 240.000 verlichtingsarmaturen worden toegepast.
LED-verlichting heeft in projecten van elke omvang bewezen:
- de opbrengst te verhogen;
- de gewasbestendigheid en weerstand tegen omgevingsinvloeden te verbeteren;
- voorspelbaardere groeitijdschema’s te bieden;
- energie te besparen; en
- kosten te reduceren
Kwalitatieve voordelen zijn eveneens waargenomen, zoals sterkere kleurpigmentatie en smaakverandering. Verbeteringen in LED-technologie maken nog nauwkeurigere spectrale sturing en een steeds hogere efficiëntie mogelijk, waardoor de kloof met eerdere technologieën verder vergroot.
Hoe wordt plantenverlichting momenteel gemeten?
Planten benutten licht binnen een deel van het elektromagnetisch spectrum voor fotosynthese, de zogenoemde Fotosyntetisch Actieve Straling (PAR). PAR omvat golflengten van licht in het zichtbare bereik tussen 400 nm en 700 nm, en dit vormt de basis voor onze metingen.
De voornaamste maatstaf voor lichtopbrengst, en de feitelijke industriestandaard, is de Fotosyntetische Fotonstroom (PPF): een weergave van de hoeveelheid PAR-fotonen die per seconde worden geproduceerd.
De derde belangrijke maatstaf die tegenwoordig wordt gebruikt is de Fotosyntetische Fotonstroom Dichtheid (PPFD): het aantal PAR-fotonen dat per seconde op een vierkante meter valt. Deze concepten zijn voor een verlichtingstechnicus relatief eenvoudig te vertalen naar bekende begrippen:
- PAR komt ruwweg overeen met het zichtbare-lichtgedeelte van het EM-spectrum
- PPF is gekoppeld aan stralingsvermogen (tussen 400 nm en 700 nm)
- PPFD komt ruwweg overeen met verlichtingssterkte, maar zonder de V(λ)-weging
PAR definieert het licht waarin wij geïnteresseerd zijn, PPF is de hoeveelheid van dat licht die de lichtbron verlaat, en PPFD is de hoeveelheid van dat licht per vierkante meter teeltoppervlak.
Waarom moeten wij voorzichtig zijn met PPF als meetwaarde?
Hoewel PPF als meeteenheid zijn sterke punten heeft: eenvoudig te begrijpen, eenvoudig te meten en breed toegepast. Toch kent het ook beperkingen;
Alleen de hoeveelheid licht wordt gemeten, niet het type of de kwaliteit
Steeds duidelijker wordt dat de kwaliteit van licht een belangrijke factor is bij de teelt van gewassen, waarbij kwantiteit slechts een deel van het beeld vormt. Absorptiesnelheden, fotosyntetische respons en niet-fotosyntetische reacties worden momenteel mogelijk niet meegenomen.
Terwijl de sector zich richt op PPF per Watt, zijn wij van mening dat dit een nadelig effect op groeisnelheden kan hebben, in plaats van een positief effect.
Specificeerders die PPF/W als selectiecriterium hanteren beïnvloeden aantoonbaar de ontwikkeling van nieuwe armaturen, door fabrikanten aan te sturen meer rood lichtvermogen toe te passen, aangezien een rood foton met minder energie kan worden geproduceerd dan een blauw foton.
Het is algemeen aanvaard dat een puur rode lichtbron tot slechte groei leidt, ondanks een zeer hoge PPF/W. Dit bewijst dat PPF/W als benchmarkmaatstaf voor productprestaties ontoereikend is en de keuze voor een geschikter product kan hinderen.
Wanneer PPF als kerngetal voor de uitvoer van een armatuur wordt gebruikt, vertegenwoordigt dit de bruikbaarheid van een lichtbron onjuist. Door de werkelijke behoeften van planten te negeren kan een LED-armatuur zeer efficiënt lijken, terwijl het in vergelijking met een meer op maat gemaakte oplossing minder werkelijke groei oplevert.
Een dieetparallel
Het tekort van PPF doordat de kwaliteit van licht niet wordt meegewogen is vergelijkbaar met het tekort van calorieën als indicator van een gezond dieet. Als twee personen elk 2.000 calorieën aan voeding consumeren, heeft elk van hen dezelfde hoeveelheid energie ingenomen op basis van de calorische inhoud.
Als echter de ene persoon die 2.000 calorieën uit een gevarieerd dieet haalt en de andere uit één enkel voedingsmiddel (bijvoorbeeld boter), dan zullen de voedingswaarde, het vermogen om energie te onttrekken en de gezondheid van de persoon in beide gevallen sterk van elkaar afwijken.
Beide diëten als gelijkwaardig beschouwen is overduidelijk onjuist en misleidend, maar precies dit gebeurt wanneer de focus op de PPF-maatstaf bij de keuze van een verlichtingsarmatuur wordt gelegd.
Een betere maatstaf vinden
Er zijn andere maatstaven beschikbaar voor telers die beter de fotosyntetische gevoeligheid van een plant weerspiegelen.
Opbrengst Fotonstroom (YPF) is zo’n maatstaf
YPF is een gewogen systeem dat de waarde van een bepaalde golflengte van licht afzet tegen de fotosyntetische respons die het gewas naar verwachting zal vertonen. Waar in PPF alle fotonen gelijkwaardig zijn, houdt YPF rekening met de relatieve fotosyntetische efficiëntie van verschillende golflengten en kent minder gewicht toe aan minder nuttig licht.
Het concept van S/P-verhoudingen biedt inzicht in de bruikbaarheid van een lichtbron onder verschillende verlichtingsomstandigheden via ditzelfde wegingsprincipe. Het menselijk oog heeft twee responsiecurves: één voor fotopisch zien (V(λ)), of daglichtzicht, en één voor scotopisch zien (V'(λ)), of nachtelijk zicht; S/P-verhoudingen wegen de respons op deze verschillende soorten licht om de bruikbaarheid van een bron voor verschillende toepassingen te bepalen.
Een product dat onder fotopische omstandigheden goede verlichtingsniveaus biedt, doet dit mogelijk niet onder scotopische omstandigheden, en omgekeerd. Op dezelfde manier kan een product een goede PPF-respons hebben maar een slechte YPF-respons, omdat de responsiecurves van beide van elkaar afwijken.
Waar PPF fotonen binnen PAR meet, golflengten tussen 400 nm en 700 nm, kijkt YPF naar een breder bereik en houdt het rekening met bronemissies tot zo laag als 360 nm (Diepblauw) en zo hoog als 760 nm (Verrood). Deze extra golflengten omvatten licht met waarneembare effecten op plantengroei, waarbij golflengten boven 700 nm in kleine hoeveelheden worden gebruikt om langere planten te stimuleren en schemerlichtomstandigheden te simuleren die worden gebruikt om circadiane ritmen in te stellen, met gewenste kenmerken die bij sommige planten worden waargenomen.
Een plant in de schaduw zou in de natuur meer verrood licht ontvangen en op die prikkel reageren om groei te sturen. Bepaalde planten die van nature onder het bladerdak groeien verwachten een hogere dan gemiddelde Verrood-tot-Rood-verhouding en zullen negatief reageren op een spectrum dat onvoldoende verrood licht bevat.
Sommige Schaduwvermijdingsyndroom-reacties zijn wenselijk voor telers; bij hogere hoeveelheden kan licht boven 700 nm worden gebruikt om opzettelijk het Schaduwvermijdingsyndroom te initiëren, wat bij sommige planten snelle bloei en compactere groei aanmoedigt en mogelijk de hardheid verbetert.
PPF mist de nuances van deze plantenreacties door alleen licht binnen PAR mee te nemen en kan alleen niet het volledige beeld bieden. Bredere processen voor het sturen van de plantontwikkeling, bekend als fotomorfogenese, worden beïnvloed door golflengten tot zo laag als 300 nm en zo hoog als 800 nm (zoals getoond door de McCree-curve), waarvan meer worden vastgelegd door YPF.
Een holistische benadering
YPF kan uiteraard niet op zichzelf staan. YPF is een geschikte kerngetal voor een benadering van de prestatie, of voor het bepalen van ruwweg het juiste product en de juiste uitvoer om een beoogde dagelijkse lichtintegraal te bereiken. PPF wordt als kerngetal gebruikt, maar biedt geen rekening met het feit dat verschillende golflengten een groter effect op de groei kunnen hebben.
Monochromatische LED’s verschuiven deze maatstaf verder; waarbij veel blauwe en rode chips gericht zijn op een specifiek, smal golflengtebereik. Hoewel dit een hoge PPF kan opleveren, kan het de verlichtingsoplossing in gevaar brengen, omdat eventuele differentiële degradatie tussen de bronnen het resulterende spectrum in de loop van de tijd zal veranderen.
Dit risico kan worden verkleind met breedspectrumLED’s met fosfor, omdat degradatie van de LED uitsluitend wordt bepaald door de blauwe chip-emitter. Bovendien vullen breedspectrumarmaturen de hiaten tussen het blauwe en het rode deel van het spectrum op, waardoor een betere overeenkomst met natuurlijk zonlicht ontstaat. Zonlicht bevat een reeks golflengten door het gehele zichtbare spectrum, die waarschijnlijk een reeks functies vervullen die wij nog niet volledig begrijpen.
YPF heeft tekortkomingen, omdat de oorspronkelijke maatstaf is gebaseerd op metingen die zijn uitgevoerd voor afzonderlijke bladsegmenten onder gecontroleerde omstandigheden. In praktijksituaties kan licht dat door een blad reist nog steeds voordelen bieden voor oppervlakken lager in de plant; het uitsluitend beschouwen van één bladsegment negeert het licht dat er doorheen gaat.
Dit is echter beter dan helemaal geen overweging. Door de verschillen tussen golflengten te negeren geeft PPF ons een frustrerende eigenschap voor een empirische maatstaf: een hogere PPF betekent niet per se een beter verlichtingsproduct.
Samenwerking tussen klant en LED-verlichtingsfabrikant of -leverancier is essentieel
Een groot deel van de verantwoordelijkheid ligt bij specificeerders, met onderzoek en planning die in de vroege projectfasen nodig zijn om het gewenste effect van verlichting op het eindproduct te bepalen. Aandacht voor detail is essentieel, waarbij plantensoort en beoogde respons in aanmerking worden genomen bij het kiezen van een verlichtingsoplossing. Een veelzijdige fabrikant dient bereid te zijn met telers samen te werken om de voor hun gewas en beoogde uitkomst ontworpen spectra te bepalen en te creëren.
Bij het vergelijken van producten is YPF een beter vertrekpunt dan PPF, maar de uitvoer moet één overweging zijn binnen een holistische benadering die een reeks factoren omvat: breedspectrum versus smalspectrum, fotoperiode, kwalitatieve voordelen zoals smaak of kleur, en de overweging van golflengten buiten PAR.
Er is nog veel onbekend over plantenreacties en ideale spectrale samenstelling voor verschillende gewassen en gewenste uitkomsten. De kloof tussen productbrochure en optimale spectra dichten moet een gezamenlijke inspanning zijn van leverancier en klant, maar de juiste maatstaf brengt specificeerders dichter bij het ideale product voor hun toepassing.
Lees meer over het LED-bovenlichtssysteem van INDO >
Artikel geschreven door Toby Penter, Business Development bij INDO
Bronnen:
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‘Far-Red Lighting and the Phytochromes’. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‘BASIC PHOTOMORPHOGENESIS’. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Available online: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
