3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Optisk modellering og LED i væksthuse

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Oversigt

LED optisk modellering • Motivation • Metode• Eksempler

LED i væksthuse• Projekter• Motivation• LED lyssystem til fotosynteseforskning

• systemopstilling• karakterisering af lysfordeling• måleeksempel

Afrunding og tak

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

LED optisk modellering – motivation

Specifikke belysningsanvendelser kræver specifikke optiske løsninger

LED: Lille punktkildelignende lyskilde med prædefineret lysudstråling, som efterfølgende skal modificeres til den givne applikation

Lumiled Osram Kingbright

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

LED optisk modellering – motivation

LED’er tilbyder stor optisk designfrihed (”punktlyskilde”, kontrollerbar, dæmpning muligt, ÷ varmestråling i lyset)

mulighed for at optimere lyskildedesign, f.eks. udstrålingsvinkel, lysfordeling og farveblanding før lyskilden opbygges i praksis –herunder minimere evt. strålingstab

mulighed for at designe/modellere specialoptik/mikrooptik, der efterfølgende kan produceres v.h.a. f.eks. DTU Fotoniks lasernano-plotter

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Metode

- monitorerer simulerede lysudstrålings-mønstre i forskellige detektorplaner

Detaljeringsgraden afhænger primært af modellens nøjagtighed, antal lysstråler, der følges samt pixelopløsning i detektorplanet

Model layout

Afbildning af emitter - simulering

Reel afbildning CCD foto

- opbygger 3D numerisk computermodel af lyskilden i et optisk designprogram, der kan modellere lysstrålers udbredelse gennem brugerdefinerede optiske systemer

- idet der tages hensyn til lysstrålernes brydning, refleksion og absorption i de forskellige optiske elementer

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Mikrostruktureret LED samlelinse

Modellering og fremstilling af en flad mikrostruktureret LED samlelinse til en designlampe

• Specialdesignet mikrooptisk linseelement• Samler lyset fra 3 tætsiddende LEDs• Diameter: 25 mm• Samlet enhed ca. 5 mm tyk• Giver kraftig reduktion i lysudstrålingsvinkel

for den centrale del af lyset fra ± 60° til ± 27°Simulerede udstrålings-mønstre på bord uden og med linseelement

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Mikrostruktureret LED samlelinse

Modelleret mikrolinsestruktur

Reel mikrolinsestruktur – UV hærdet lim på akrylsubstrat

Tilsvarende mikrolinsestruktur - fremstillet på DTU Fotoniks nanoplotter

1.20 mm

0 200 400 600 800 10000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Dep

th [μ

m]

x [μm]

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Asymmetrisk medlys til vejbelysning

Modellering af LED lysopsætning med optiktil asymmetrisk ”medlys” på vej

• 3 LED lyskilder placeret ved vejside i 4 m højde• Asymmetrisk optik og holografiske diffusere• Giver ønsket medlys og asymmetrisk lysfordeling på vej • Giver relativ homogen belysning over hele den ønskede vejflade

(3 m x 12 m per lyskilde)

5 m x 40 m

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Optimering af farveblanding i RGB pære

Modellering og optimering af farvesammensætning og farveblanding i LED RGB ”glødepære”

350 400 450 500 550 600 650 700 750-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Wavelength [nm]

Rel

ativ

e po

wer

[arb

. uni

ts]

Measured relative spectra for various colored LEDs

Simuleret farveplot ∼1 cm efter ”pæren”

Model layout

400 450 500 550 600 650 7000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

W avelength [nm]

Rel

ativ

e po

wer

[arb

. uni

ts]

Relative spectral power distribution of test source and reference illuminant

PnPTest

Simuleret farveplot 10 cm efter ”pæren”

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Oversigt

LED optisk modellering • Motivation • Metode• Eksempler

LED i væksthuse• Projekter• Motivation• LED lyssystem til fotosynteseforskning

• systemopstilling• karakterisering af lysfordeling• måleeksempel

Afrunding og tak

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Projekter

Elbesparelser i væksthuse med LED vækstlyssystemerPartnere: KU-life (AgroTech), DTU Fotonik, DONG Energy,

DEG, (RGB-lamps)

PSO projekt: 1.6 mill. over 3 år (nyligt afsluttet)Formål: • Udvikle og teste prototyper på LED vækstlyssystemer til potteplantedyrkning• Dokumentere LED lysets energibesparelsespotentiale ved potteplantedyrkning

“Follow up” projekt:Elbesparelser i væksthuse med justerbare LED lamperPartnere: AgroTech, KU-life, DTU Fotonik, Philips Lighting, DONG Energy, DEG greenteam

PSO projekt: 1.6 mill. over 2 år (start: forår 2008)Formål:• Udvikling af regulerbart LED lyssystem• Afprøve forskellige styringsmuligheder

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

ProjekterNyt innovationskonsortie: Væksthuskoncept 2017

Formål: At innovere teknologier, der I løbet af få år kan sikre væksthusproduktion med højst 40% af energi-forbrugeti 2007.

30 mio. kr over 4 år

LED belysning (AgroTech, Philips Lighting, DTU Fotonik, KU-LIFE)

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Det bæredygtige væksthus

www.ghc2017.dk

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Motivation

”Baggrund”• Potteplanter udgør ~ 90% af væksthusafgrøder i DK – plantekvalitet og

produktionstid afgørende for produktionen• Kræver kunstbelysning i vinterhalvåret – medfører højt energiforbrug (99

kWh/m2 i 2004)• Højtryksnatriumlamper (HPS lamper) bruges typisk som supplerende belysning

i væksthuse i dag – energieffektive (125 – 150 lm/W)

HPS lampers begrænsninger• Farvespektret langt fra optimalt for potteplanters

fotosyntese og vækst• Vanskeligt eller umuligt at optimere irradiansniveau og

farvesammensætning til specifikke plantearter• Kraftig varmestråling

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Motivation

400 450 500 550 600 650 700 7500

0.5

1

1.5

2

2.5x 104

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l rad

iant

pow

er [u

W/n

m]

Luxeon K2 LEDs measured at 700 mA, 25.0 CRoyal blueBlueCyanGreenAmberRed OrangeRedWhite

Fordele ved LED belysningssystemerMulighed for

• Farvekontrol (justering) • Dæmpning• Optisk desingfrihed• Varmekontrol• Energieffektiviteten for LED’er øges

(~ 50 - 70 lm/W for røde LED’er)

Attraktiv kandidat som supplerende belysning i væksthusproduktion

Nødvendigt at identificere optimal farvesammensætning og belysningsniveaufor specifikke potteplantearter for at kontrollere og optimere fotosyntese ogvækst

Nødvendigt med LED belysningssystem med farvekontrol, homogen belysningog kontrol af belysningniveau over en hel gruppe af planter

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

LED lyssystem til fotosynteseforskning

Vi har udviklet et nyt højeffekts LED belysningssystem til fotosynteseforskning i et state-of-the-art klimakammer

Vi har karakteriseret irradiansfordelingog farvesammensætning af den computerkontrollerede belysning i planteniveau over hele plantearealet

Mål: At bestemme det optimale blå / rødforhold for LED lyset for optimal fotosyntese og vækst afKrysantemum planter

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Systemopstilling

4 LED enheder med 72 røde and blå højeffekts K2 LED’erved 455 nm og 639 nm tæt på absorptionstoppe for Klorofyl

300 400 500 600 700 800

Rel

ativ

e ra

te o

f pho

tosy

nthe

sis

[a.u

.]

Wavelength [nm]

PAR

Spec

tral

radi

ant p

ower

[a.u

.]

UV NIR

• Maks. effektforbrug:2.4 W/LED @ 700 mA 170 W/enhed

• Dæmpning via pulsviddemodulation• LEDs reflow loddet på aluminiumsprint

monteret på Cu blok med kølekanaler• Aktiv kølet med vand, Twater= 21°C • Temp. føler på printPPF effektiviteter: 0.8 and 1.1 μmol/sW

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Systemopstilling

Numerisk simulering af LED belysning i kammer til optimering af placering ogreflektordimensioner – for at sikre homogen belysning i plantetopniveau

Simulated irradiance [W/cm2]Plant area 85 x 61 cm2

Position [cm]

Pos

ition

[cm

]

10 20 30 40 50 60 70 80

10

20

30

40

50

60

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

x 10-3

3D numerisk model af de 4 LED enheder og klimakammeret

Maks. irradians niveau er 5.9 mW/cm2

med LED effektniveau på 44% af maks.

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Karakterisering af lysfordeling

Eksperimentel karakterisering af lysfordeling i klimakammeret

Spektral irradiansfordeling målt v.h.a. et kalibreret radiospektrometer med en fiberkoblet integrerende kugle

165 gitterpunkter over planteboksarealetpå 80 x 60 cm2

Målte størrelser:

PPFD: Fotosyntetisk foton flux tæthed [μmol/m2s](foton flux tæthed @ 400-700 nm)

Blålysforhold: # blå fotoner / # (blå og røde fotoner) [%]

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Karakterisering af lysfordeling

PPFD gennemsnit: 299 μmol/m2s@ blåforhold: ~ 15%

Målinger af total irradiansfordeling i klimakammeret hen over planteboksarealetog sammenligning med modelberegninger

Målt og modelleret irradians langscenterlinie

@ blåforhold: 40 %, PPFD ~ 200 μmol/m2s

PPFD fordeling homogen indenfor ± 5% over stort set hele planteboksarealet

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Karakterisering af lysfordeling

Blåforhold gennemsnit: 15.3%

@ PPFD værdi: 300 µmol/m2s

Målt spektralfordeling i klimakammeret hen over planteboksarealet

Blåforhold homogent indenfor ± 5% over stort set hele planteboksarealet(of gennemsnitsværdi)

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Karakterisering af systemkontrol

LED system kontrol: Irradians og spektralsammensætning af LED lys i klimakammeretved planteniveau kan computerstyres v.h.a. ny brugerflade

Målte PPFD værdier for blåt, rødt og blåt + rødt lys i planteboksen (centrum) vedplanteniveau for forskellinge konstante PPFD værdier og forskellige blåforhold

0 4 8 12 16 20 240

50

100

150

200

250

300

PP

FD [μ

mol

e/s

m2 ]

Time [hours]

400 - 700 nm 600 - 700 nm 400 - 500 nm

Maks. total PPFD: • 300 μmol/m2s (6.3 W/cm2)

ved 0.60 m afstand

Blålysforhold:• justerbart fra 0-40%

ved konstant PPFD niveauop til 300 μmol/m2s

• justerbart i trin af 5%

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Måleeksempel

Eksempel på måling af relativ fotosyntese for en gruppe af Krysantemum-planter som funktion af blålysforhold ved to forskellige irradiansniveauer

0 10 20 30 400

20

40

60

80

100

300 μmol/m2s 100 μmol/m2sR

elat

ive

cano

py p

hoto

synt

hesi

s [%

](o

f val

ue m

easu

red

at p

ure

red

light

)

Blue light fraction [%]

CO2 niveau: 800 ppm

Tchamber: 22°C

Fotosyntesen er beregnet ud framålinger af CO2 udveksling i kammeret

LED lyssystem programmeret til at ændre spektral sammensætninghver anden time

Nettorater: 9.5 CO2/s per plantegruppe @ 100 μmol/m2s 37.1 CO2/s per plantegruppe @ 300 μmol/m2s

Perspektiv:

LED belysning giver mulighed for styring af potteplanters fotosyntese

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Måleeksempel

Sammenligning af plantevækst i LED og HPS belysning

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Afrunding og tak

Computermodellering i 3D – et værdifuldt og særdeles nyttigt værktøj til at optimere LED lyskildedesigns

således at lyskilderne får den ønskede lysudstrålingsvinkel, fordeling og farveblanding

LED belysningssystemer- lovende som energieffektiv supplerende belysning i potteplanteproduktion- kan forøge mulighed for styring af potteplanters fotosyntese og vækst

Tak til:• Elforsk, Dansk Energi Net

• PSO projekt 337-068, 336-054, 338-022• Samarbejdspartnere, herunder specielt

• Louis Poulsen Lighting, Jacob Rudbeck & Jesper Olsen, Bjarne Schläger, AgroTech A/S, KU-life, DONG Energy, RGB lamps

3. marts 2009 LYSNET møde, DTU Fotonik Birgitte Thestrup

Tak for opmærksomheden !