KARI KALLIOHARJU LED-VALOVERHOJÄRJESTELMÄ KASVIHUONEESSA, NYT VAI TULEVAISUUDESSA? Diplomityö

Tarkastajat: professori Teuvo Suntio ja laboratorioinsinööri Tapani Nurmi Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta-neuvoston kokouksessa 2. kesäkuuta 2010

I

TIIVISTELMÄ

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma KALLIOHARJU, KARI: LED-valoverhojärjestelmä kasvihuoneessa, nyt vai tu-levaisuudessa? Diplomityö, 79 sivua Kesäkuu 2010 Pääaine: teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastajat: professori Teuvo Suntio ja laboratorioinsinööri Tapani Nurmi Avainsanat: LED, kasvihuone, välivalotus, suurpainenatriumlamppu Energiatehokkuusvaatimusten ja kiristyvien ympäristösäädösten puristuksessa joudu-taan monilla aloilla pohtimaan käytössä olevien tekniikoiden tulevaisuudennäkymiä. Eräs ala, johon energiatehokkuusvaatimukset ja energian hinnan nousu tulevat suuresti vaikuttamaan, on kasvihuoneviljely. Pohjoisella pallonpuoliskolla sijaitsevat kasvihuo-neet ovat suuria energiankuluttajia ja suurin osa energiasta kuluu valaistukseen. Siksi yhtenä ratkaisuna kasvihuoneiden energiansäästöön tarjotaan LED-valaistusta. Perinteisesti kasvihuoneiden keinovalotus on toteutettu kasvustojen yläpuolelle asennetuilla suurpainenatriumvalaisimilla, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana valaisimia on alettu asentaa enenevissä määrin kasvuston sekaan. Tätä uutta valotusta-paa kutsutaan välivalotukseksi ja valaisimia välivaloiksi. Vuonna 2006 käynnistyneen LED-valoverhoprojektin tarkoituksena on ollut kehit-tää uusinta tekniikkaa hyödyntävä välivalotusratkaisu korvaamaan perinteiset väliva-laisimet. Projektin tuotoksena on syntynyt kasvirivien väliin asennettava LED-valoverho, tekstiiliverkko, johon on koneellisesti neulottu kasveja valottavia LED-nauhoja. Tässä diplomityössä vertaillaan teoreettisesti ja laskennallisesti nykyisen suur-painenatriumvälivalaistuksen ja LED-valoverhon ominaisuuksia ja elinkaarikustannuk-sia. Lisäksi LED-valoverhon vaikutuksia tutkitaan käytännön mittausten ja kasvatusko-keiden avulla. Tarkoituksena on selvittää seikkaperäisesti tuotteen hyödyt, haasteet ja kehitysmahdollisuudet tulevaisuudessa. Tutkimus osoittaa, että LEDit ovat tulossa vahvasti kasvihuoneisiin jo lähitulevai-suudessa. Vaikka LED-valoverho ei vielä välttämättä ole elinkaarikustannuksiltaan edullisin välivalotusratkaisu, on LEDien mahdollistaman muokattavan säteilyjakauman vaikutukset kasvuston ulkoiselle ja sisäiselle laadulle sekä kasvin terveydelle epäilemät-tä merkittäviä ja tuovat näin lisäarvoa LED-valaistusratkaisuille. Myös energiansäästö LED-valoverholla on mahdollista, kunhan säteilyjakauma ja ympäristön olosuhteet saa-daan muokattua kasvatettaville kasvustoille oikeanlaisiksi. Tulevaisuudessa LED-valoverholla tultaneen myös ohjaamaan kasvien kasvua, kukintaa ja lepoa, mikä edel-leen osaltaan parantaa kasvihuonetuotannon kokonaishallintaa.

II

ABSTRACT

TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master’s Degree Programme in Electrical Engineering KALLIOHARJU, KARI: LED Light Curtain System in the Greenhouse Environ-ment, Today or in the Future? Master of Science Thesis, 79 pages June 2010 Major: Utilization of Electrical Energy Examiners: Professor Teuvo Suntio and Laboratory Engineer Tapani Nurmi Keywords: LED, greenhouse, inter-lighting, high-pressure sodium lamp Between tightening energy efficiency and environmental requirements, many industries have to consider the future of the existing technologies. One of the industries, on which the energy efficiency and increasing energy prices are going to have a major effect, is the greenhouse industry. Greenhouses located in the northern hemisphere are consum-ing great amounts of energy and most of it is consumed by artificial lighting. That is why one solution considered to save energy in the greenhouses is the LED lighting. Traditionally the artificial lighting in the greenhouses is carried out by the high-pressure sodium lamps installed above the canopy. However, during the last ten years more lighting has been installed increasingly within the canopy. The new lighting me-thod is called inner lighting and the luminaires are called interlights. In 2006, the LED Light Curtain project was launched to develop a new kind of high tech product to replace the old technology interlights. As a result of the project, a new kind of luminaire - LED light curtain - was developed. It is a luminaire consisting of special kind of electrical LED-strips fitted to a textile net. In this thesis, the properties and the life cycle costs of the traditional innerlighting system and the LED light curtain system are compared by both theoretically and practically. In addition, the effects of the LED light curtain on the electrical network and on the canopy are also investigated in practice. The final goal of this thesis is to solve in detail the strengths, weaknesses and opportunities of the product in the future. The study indicates that LEDs are coming to greenhouses already in the near future. The LED light curtain does not necessarily have the lowest life cycle costs compared to other traditional innerlighting solutions, but the positive effects of the controlled LED light on the crop quality and plant health are undeniable and will bring more value for the LED lighting solutions. It is also possible to save energy by using the LED light cur-tain after the LED light curtain properties and surrounding environmental conditions have been optimized for the cultivated plants. In the future also the growth, flowering and rest periods of the plants will probably be controlled by LED light curtain, which will also improve the overall management of the greenhouse production.

III

ALKUSANAT

Neljä viime vuotta olen saanut olla mukana kehitysprojektissa, jossa viimeisin teknolo-gia ja uudet innovaatiot ovat lyöneet kättä. Näistä menneistä vuosista haluan kiittää eri-tyisesti NetLED Oy:n Matti Horppua ja Esa Kiviojaa, kollegaani Veijo Piikkilää sekä Tampereen ammattikorkeakoulua. LED-valoverhoprojekti on antanut minulle valtavan paljon ja olen onnellinen, että olen saanut olla mukana tekemässä kanssanne tätä uraa-uurtavaa tutkimusta.

Projektin yhtenä osana tehdyn diplomityön tarkastajina ovat Tampereen teknillisen yliopiston puolesta toimineet Tapani Nurmi ja Teuvo Suntio, teille kiitokset rakentavista kommenteista ja neuvoista työn varrella. Kiitokset myös koko Sähköenergiatekniikan laitoksen henkilökunnalle, suurinta osaa olen varmastikin käynyt projektin aikana jutut-tamassa.

Projektin varrella mukana on ollut paljon eri ihmisiä, joille suurelle osalle olen kii-tollisuudenvelassa. Erityiskiitokset kuitenkin Heikki Tarkiaiselle, Lauri Hietalahdelle, Pirkko Harsialle ja Niko Kiviojalle sekä kaikille työtovereilleni Tampereen ammatti-korkeakoululla, ilman teitä työstäni ei olisi tullut sellainen kuin se nyt on.

Lopuksi haluan osoittaa rakkaat kiitokset avovaimolleni Sädelle, joka on jaksanut kanssani läpi pitkien iltojen, joita olen viettänyt LEDien ja kurkkujen parissa. Kiitos.

Tampereella 22. kesäkuuta 2010 _______________________________ Kari Kallioharju

IV

SISÄLLYS

1. JOHDANTO .................................................................................................... 1 1.1. Kasvihuoneviljely ....................................................................................... 1 1.2. LED-valoverhoprojektin ja diplomityön taustat ja tavoitteet ........................ 2 1.3. Kasvihuonetuotanto ja keinovalotus Suomessa ......................................... 4 

1.3.1. Lämmitettävät keinovalotetut kasvihuoneet Suomessa ....................... 4 1.3.2. Suomessa käytettävät valotusratkaisut ja -tekniikat ............................ 4 

1.4. Kasvihuonetuotanto maailmalla ................................................................. 6 1.5. LED-kasvuvalotuksen ja välivalotuksen tutkimustilanne ............................ 6 

2. LED-VALOVERHOLLE ASETETUT VAATIMUKSET ..................................... 8 2.1. Valoverhon valoteknisille ominaisuuksille asetetut vaatimukset ................ 8 

2.1.1. Valaistusvoimakkuus ja häikäisy ......................................................... 8 2.1.2. Häiriövalo ............................................................................................ 9 

2.3. Kasvit ja valo ............................................................................................ 10 2.3.1. Kasvien hyödyntämän valon aallonpituusalue ................................... 10 2.3.2. Yhteyttäminen ja valon merkitys kasvin energiantuotantoon ............. 12 2.3.3. Kasvien tarvitseman valon määrä ...................................................... 13 2.3.4. Valon periodisuuden merkitys kasveille ............................................. 15 2.3.5. Valon suuntauksen merkitys kasveille ............................................... 17 

2.4. LED-valoverholle asetetut muut rakenteelliset ja sähköiset vaatimukset . 18 3. LED-VALOVERHON TEKNIIKKA, RAKENNE JA OMINAISUUDET ............ 20 

3.1. LED-valonlähteet ja LED-valaistus........................................................... 20 3.1.1. LEDin historia .................................................................................... 20 3.1.2. LEDin rakenne, toiminta ja optiset ominaisuudet ............................... 21 3.1.3. LEDin hyödyt ja heikkoudet ............................................................... 23 

3.2. LEDin säätö- ja ohjausmahdollisuudet ..................................................... 25 3.2.1. LEDin valovoimakkuuden säätö ........................................................ 25 3.2.2. RGB-LED ja RGB-LEDin spektrin ohjaus .......................................... 26 

3.3. LED-valoverhon rakenne ......................................................................... 27 3.3.1. LED-nauhan rakenne ja LEDit ........................................................... 29 3.3.2. Liitäntälaitteet, valoverhojärjestelmän sähköverkon rakenne ja ohjausjärjestelmä ........................................................................................ 31 

4. LED-VALOVERHO JA SUURPAINENATRIUMVÄLIVALAISIMET KASVIVALOTUKSESSA ................................................................................... 33 

4.1. Välivalotus ja välivalotuksen hyödyt ......................................................... 33 

V

4.2. LEDien ja suurpainenatriumvalaisimien PAR-säteilyn määrä ja valon suuntaus välivalotuksessa .............................................................................. 34 4.3. LEDien ja suurpainenatriumvalaisimien säteilyn aallonpituusalue ja vaikutukset kasvien välivalotuksessa .............................................................. 37 4.4. LEDien ja suurpainenatriumlamppujen käyttöikä ja valovirran alenema ajan kuluessa .................................................................................................. 40 4.5. Valaistuksen ohjaus valotustarpeen mukaan ........................................... 42 4.6. Valaistuksen sijoitus, huolto ja käytönaikainen ylläpito ............................ 42 4.7. Kasvihuoneen valaistuksen energiankulutus, lämmöntuotto ja sähkön hintakehitys ..................................................................................................... 43 4.8. Muut ympäristövaikutukset ...................................................................... 46 

4.8.1. LEDien ja suurpainenatriumvalaistuksen aiheuttama häiriövalo ja häikäisy ....................................................................................................... 46 4.8.2 Materiaalien kierrätettävyys ................................................................ 47 

4.9 Yhteenveto teoreettisesta vertailusta LED valoverhon ja suurpainenatriumvälivalaistuksen välillä ......................................................... 48 

5. LED-VALOVERHON KENTTÄTUTKIMUKSET ............................................. 49 5.1. Tutkimuksissa käytetty LED-valoverhojärjestelmä ................................... 49 5.2 Tutkimuksien suoritustavat ja menetelmät ................................................ 50 5.3. Tulokset ................................................................................................... 52 5.3.1 Valaisimien sähkötekniset mittaukset .................................................... 52 5.3.2 Valotustilanteiden valotekniset mittaukset ja vertailu ............................. 54 

5.3.3 Säätötavan vaikutus LED-valoverhon ominaisuuksiin ........................ 55 5.3.4 Kasvien kasvu, biomassa ja hedelmien tuotto eri valotustilanteissa ...... 56 5.4 Kenttätutkimusten yhteenveto ja johtopäätökset ....................................... 57 

6. KUSTANNUS- JA ENERGIATEHOKKUUSLASKELMAT ............................. 61 6.1. Kustannuslaskelmien lähtötiedot ............................................................. 61 

6.1.1. Tekniset lähtötiedot ........................................................................... 61 6.1.2. Muut lähtötiedot ................................................................................. 62 

6.2. Suurpainenatriumvälivalaistuksen hankintakulut ..................................... 62 6.3. LED-valoverhojärjestelmän hankintakulut ................................................ 63 6.4. Suurpainenatriumvalaisimilla välivalotetun kasvihuoneen energia- ja ylläpitokustannukset kymmenen vuoden käyttöperiodilla................................ 63 6.5. LED-valoverhojärjestelmällä välivalotetun kasvihuoneen energia- ja ylläpitokustannukset kymmenen vuoden käyttöperiodilla................................ 64 6.6. Yhteenveto järjestelmien kustannuksista ja kustannusvertailu ................ 64 

7. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET ...................................................... 67 7.1. Yhteenveto teoreettisesta vertailusta ....................................................... 67 7.2. Yhteenveto kenttätutkimuksista ............................................................... 67 7.3. Yhteenveto elinkaarikustannuslaskelmista .............................................. 68 7.4. Johtopäätökset ja jatkotoimenpiteet ......................................................... 69 

LÄHDELUETTELO ........................................................................................... 71 

VI

LYHENTEET, TERMIT JA MERKINNÄT

Lyhenteet ja termit alv Arvonlisävero C6H12O6 Rypälesokeri eli glukoosi CCR Jatkuvan virran säätö (engl. Constant Current Regulation) CO2 Hiilidioksidi (engl. Carbon dioxide) CRI Värintoistoindeksi. Suure, jolla esitetään valonlähteen värintoistoky-

kyä (engl. Color Rendering Index). Ftalaatti Ftaalihapon esteri. Käytetään muovien, kuten polyvinyylikloridin

(PVC) pehmentämiseen. GaAs Galliumarsenidi (engl. Gallium arsenide) GaAsP Galliumarsenidifosfidi (engl. Gallium arsenide phosphide) H2O Vesi InGaN Indiumgalliumnitridi (engl. Indium gallium nitride) KTMp Kauppa- ja teollisuusministeriön päätös LED Hohtodiodi. Valoa lähettävä elektroniikan puolijohde, jonka toiminta

perustuu elektroluminesenssiin (engl. Light Emitting Diode). O2 Happimolekyyli PAR Kasvin hyödyntämän säteilyn aallonpituusalue välillä 400 - 700 na-

nometriä (engl. Photosynthetically Active Radiation). PLC Ohjaustapa, jossa tiedonsiirtoon käytetään samoja kaapelointeja joissa tehokin siirretään (engl. Power Line Communication). P-N-tyypin Kahdesta materiaalista muodostuva puolijohde, jonka toisella puolijohde pinnalla on ylimääräisiä elektroneja ja toisella elektronivajausta. PPF Suure, joka esittää alueen pinnalle aikayksikössä lankeavan PAR-

säteilyn fotonivuon tiheyden. PPF:n yksikkönä käytetään yleensä mikromoolia neliömetrille sekunnissa (engl. Photosynthetic Photon Flux).

PPFD Kirjallisuudessa saatetaan termin PPF sijaan käyttää myös termiä PPFD, jolla viitataan samaan fotonisummaan (engl. Photosynthetic Photon Flux Density).

PVC Polyvinyylikloridi. Muovimateriaali (engl. Polyvinyl chloride). PWM Pulssinleveysmodulointi (engl. Pulse Width Modulation) Ra Kirjallisuudessa saatetaan termin CRI sijaan käyttää myös

termiä Ra, jolla viitataan samaan värintoistokykyyn.

VII

RGB-LED Kolmesta päävärin (punainen, vihreä ja sininen) LED-sirusta muo-dostettu LED-valonlähde.

RQE Kasvin spektriherkkyyskäyrä, joka esittää kasvien tunnetun säteilyn herkkyysvasteen välillä 300 - 800 nanometriä (engl Relative Quantun Efficiency).

SFS Suomen standardoimisliitto SiC Piikarbidi (engl. Silicon carbide) SPN Suurpainenatriumlamppu, suurpainenatriumvalaistus THDr Särökerroin, joka esittää yliaaltojen määrän suhteessa koko signaalin

tehollisarvoon (engl. Total Harmonic Distortion). VAC Vaihtojännite (engl. Volts of Alternating Current) VDC Tasajännite (engl. Volts of Direct Current)

Merkinnät c Valon nopeus (3,00 x 108 m / s) cos φ Perusaallon tehokerroin Ee Irradianssi Ep Fotosynteettinen fotonivuo (PPFD) h Planckin vakio (6,63 x 10-34 Js) Iavg Sähkövirran keskiarvo IP66 IEC 60259 standardin mukainen sähkölaitteen kotelointiluokka. Suo-

jaus pölytiiviisti ja painevedeltä (engl. International Protection). IP44 IEC 60259 standardin mukainen sähkölaitteen kotelointiluokka. Suo-

jaus halkaisijaltaan yli yhden millimetrin esineiltä ja roiskuvalta ve-deltä (engl. International Protection).

Ipeak Sähkövirran huippuarvo Irms Sähkövirran tehollisarvo, joka on määritetty neliöllisesti keskiarvos-

tamalla (engl. Root Mean Square). N Avogadron vakio (6,02 x 1023) P660 Fytokromi (virittymätön). Proteiini, joka vaikuttaa kasvin valoryt-

miin. P730 Fytokromi (virittynyt). Proteiini, joka vaikuttaa kasvin valorytmiin. T1 Valotustilanne, katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatriumva-

laisimia (141 W / m2). T2 Valotustilanne, katossa 6 kappaletta 400 watin suurpainenatriumva-

laisimia ja molempia kasvirivejä valottamassa yksipuoleinen 300 wa-tin LED-valoverho (88 W / m2).

T3 Valotustilanne, katossa 12 kappaletta 400 suurpainenatriumvalaisimia ja molempia kasvirivejä valottamassa yksipuoleinen 300 watin LED-valoverho (158 W / m2).

VIII

T4 Katossa kuusi kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia ja kumpaakin riviä valottamassa molemmilta puolilta 300 watin LED-valoverhot (106 W / m2).

T5 Valaistustilanne, katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatrium-valaisimia (LED-valoverho poistettu) (141 W / m2).

λ Säteilyn aallonpituus metreissä

1

1. JOHDANTO

Ympäristön kustannuksella ja energiaa liiemmin säästelemättä rakennettu kulutusyh-teiskunta elää muutoksen hetkiä - tuhlailun aika on ohi. Energiatehokkuusvaatimusten ja kiristyvien ympäristösäädösten puristuksessa joudutaan monilla aloilla pohtimaan käy-tössä olevien tekniikoiden ja sovellusten tulevaisuudennäkymiä.

Eräs ala johon energiatehokkuusvaatimukset ja energian hinnan nousu tulevat suu-resti vaikuttamaan on kasvihuoneviljely. Erityisesti pohjoisella pallonpuoliskolla kasvi-huoneet ovat suuria energiankuluttajia ja paineet energiatehokkuuden parantamiseksi ovat viime vuosina kasvaneet. Energiansäästö tulisi kuitenkin saavuttaa tuotantotehok-kuudesta tinkimättä, jolloin perinteisten tekniikoiden kehittämisen lisäksi joudutaan pohtimaan myös täysin uudenlaisten ratkaisujen käyttöönottoa. Yhtenä ratkaisuna kas-vihuoneiden sähköenergian säästöön tarjotaan LED-valaistusta. Tässä diplomityössä selvitetään erään LED-valotusratkaisun mahdollisuuksia ja haasteita kasvihuoneympä-ristössä.

1.1. Kasvihuoneviljely

Ihminen on viljellyt maata jo kymmenentuhannen vuoden ajan. Aikakausien saatossa maanviljely on helpottanut ihmisen ravinnonhankintaa ja muodostunut vähitellen yh-deksi merkittäväksi elinkeinoksi. Perinteisesti maanviljelyä on harjoitettu avomailla, mutta koska viljely nyky-yhteiskunnassa on jo lähes poikkeuksetta ympärivuotista, on lämmitettyjen kasvihuoneiden merkitys korostunut erityisesti pohjoisella pallonpuolis-kolla. Tuotannon tehostamiseksi kasvihuoneissa pidetään läpi vuoden yllä kasvien kas-vulle optimaalisia olosuhteita säätämällä valon, hiilidioksidin ja lämmön määrää. (Pan-kakoski 2003). Suomessa ympärivuotinen tuotanto on nostanut pääviljelykasvien -kurkun ja tomaatin - satotasot perinteisiin menetelmiin verrattuna 2 - 3 kertaisiksi (Särkkä et al. 2006). Riittävä yhteyttämisvalo, hiilidioksidi ja vesi ovat kasvihuonetuotannon perusedellytyk-siä. Pohjoisen pallonpuoliskon maissa kasvihuoneiden ympärivuotinen tuotanto perus-tuukin pitkälti keinovalon käyttöön - auringon vuorokautinen säteilymäärä ei yksin riitä luomaan kasveille optimaalisia kasvuolosuhteita. (Näkkilä et al. 2006; Murmann 2005a.) Kaupallisessa kasvihuoneviljelyssä valotukseen käytetään lähes poikkeuksetta suurpainenatriumvalaisimia. (Näkkilä et al. 2006). Korkeita kasvustoja, kuten kurkkua ja tomaattia valotettaessa on kasvihuoneiden keinovalotus toteutettu perinteisesti kas-vustojen yläpuolelle asennetuilla suurpainenatriumvalaisimilla. Tämä valotusratkaisu on yleisesti käytössä esimerkiksi kasvihuoneistaan tunnetussa Hollannissa. Ylävaloratkai-

2

sulla saadaan kasvihuoneeseen syntymään luonnonvalon kaltainen, kasvuston latvoissa tasainen valo. (Murmann 2009a.) Suomessa ja Norjassa on tutkimusten nojalla lähdetty keinovalotuksen kehittämisessä hieman eri linjoille - latvuston valotuksen sijaan tavoitteena onkin useimmiten saada luotua mahdollisimman valoisat olot myös alemmas kasvustoon. Erityisesti kurkun (Cucumis Sativus) kohdalla tällaiseen ratkaisuun pyritään pääsemään välivalotuksella (kuva 1.1).

Kuva 1.1. Suurpainenatriumvälivalaisimia kurkkukasvustojen välissä (Soini 2006). Välivalotuksessa kasvirivien taajuutta hieman harvennetaan ja kasvihuoneeseen asenne-taan ylävalojen lisäksi niin sanottuja välivaloja, jotka ripustetaan kasvirivien väliin va-lottamaan kasveja sivulta päin. (Murmann 2005a.)

1.2. LED-valoverhoprojektin ja diplomityön taustat ja tavoitteet

Kasvien ympärivuotinen viljely pohjoisella pallonpuoliskolla on runsaasti energiaa ku-luttavaa ja hyötysuhteeltaan heikompaa kuin etelän maissa (Murmann 2006). Pohjoisel-la pallonpuoliskolla kasvihuoneiden suurempi energiantarve muodostuu kasvihuoneiden talvisesta lämmityksestä ja kasvuston ympärivuotisesta keinovalotuksesta. Tulevaisuu-dessa myös kasvihuoneisiin asennettavat, tuotantoa tehostavat jäähdytyslaitteistot lisää-vät kasvihuoneiden vuotuista sähköenergiankulutusta (Särkkä et al. 2008). Edellä mai-nittujen syiden vuoksi kasvihuoneisiin kehitetäänkin muun tekniikan ohessa uusia, pa-rempia valotusratkaisuja.

Yhtenä valoviljelyn tulevaisuuden mahdollisuutena pidetään LED-valaistusta. LED-sovellutuksien uskotaan tarjoavan jo seuraavan 5 - 10 vuoden kuluessa ratkaisun kasvi-

3

huoneiden keinovalotuksen ympäristö- ja energiakysymyksiin. LED-valotetuissa kasvi-huoneissa on päästy nykyisillä ratkaisuilla jo 60 prosentin energiansäästöihin verrattuna perinteisiin valotusratkaisuihin. (Leino 2005.)

Nykyisellä suurpainenatriumvalaistuksella toteutetussa kasvustojen valotuksessa - ja erityisesti välivalotuksessa - on vielä kehitettävää ja se vaatii lisätutkimuksia, valotusta ei tehdä vielä parhaalla mahdollisella tavalla (Murmann 2006; Murmann 2009a). Tämän vuoksi honkajokelainen KKK-Vihannes Oy ja Tampereen ammattikorkeakoulu käyn-nistivät syksyllä 2006 yhteistyössä LED-valoverhoprojektin, jossa lähdettiin miettimään koko välivalotuskonseptia aivan uudesta näkökulmasta. Nykyisten valaisinrakenteiden kehittämisen sijaan projektin tavoitteena on kehittää kasvustojen välivalotukseen täysin uudenlainen verhomainen valaisinratkaisu, tekstiiliverkko, johon on integroitu molem-min puolin kasveille sopivaa valoa tuottavia LED-nauhoja. Välivalona käytettäessä tä-mä noin metrin korkuinen verho tulee roikkumaan kasvirivien välissä valottaen kasveja sivulta päin. Tuotteesta käytetään tässä työssä nimitystä LED-valoverho, vaikka tuot-teen tämän hetkinen kaupallinen nimi on NetLED-valoverho. LED-valoverhosta on tar-koitus kehittää ympäristöystävällinen ja energia- sekä tuotantotehokas tuote kasvihuo-neiden välivalotustarpeisiin kasvilajista riippumatta. Alkuvaiheessa LED-valoverho suunnitellaan kuitenkin erityisesti kurkun ja tomaatin välivalotukseen. Projektin kehi-tystyössä ovat mukana Tampereen teknillinen yliopisto, Tampereen ammattikorkeakou-lu, NetLED Oy ja KKK-Vihannes Oy sekä useita eri alojen yrityksiä. LED-valoverhoprojektissa on alusta asti ollut suurimpana rahoittajana TEKES.

Tällä hetkellä, talvella 2009-2010, projekti on edennyt tuotteen suunnittelu- ja tes-tausvaiheeseen. LED-valoverhon ensimmäisen sukupolven teknisiä mittauksia ja testa-uksia sekä koekasvatustutkimuksia on suoritettu kevään ja kesän 2009 aikana ja talven 2009-2010 aikana jatketaan kenttäkokeita toisen sukupolven prototyyppien valmistues-sa. Projektin tutkimuksia on suoritettu Tampereen ammattikorkeakoululla ja Helsingin yliopiston soveltavan biologian laitoksella. Tuote on suojattu patentilla Euroopassa, Ka-nadassa, Venäjällä ja Kiinassa.

Tässä diplomityössä selvitetään LED-valoverhon ja sen laitteiston rakennetta ja kir-jataan LED-valoverholle asetetut vaatimukset. Lisäksi työssä vertaillaan olemassa ole-van tutkimustiedon ja aineiston perusteella suurpainenatriumvälivalaistusta ja LED-valoverhoa. Vertailtavina asioina ovat esimerkiksi valonlähteiden yleiset sähkö- ja valo-tekniset ominaisuudet, oleellisimmat ympäristö- ja energiaseikat sekä kasvukokeista saatu aineisto, jossa käsitellään erityisesti kasvien kasvuun, biomassaan ja hedelmien tuottoon liittyviä asioita (Chen 2009). Valoverhon rakenteen ja toteutuksen kuvauksessa käytetään tässä diplomityössä toisen sukupolven LED-valoverhoa. Lisäksi kustannus- ja energiavertailut tehdään toisen sukupolven LED-valoverhon ja suurpainenatriumvalais-tuksen välillä. Ensimmäisen sukupolven LED-valoverhoa on tässä diplomityössä käytet-ty aikataulullisista syistä johtuen käytännön kasvu- ja tekniikkavertailujen tekemisessä. Työn tavoitteena on luoda selkeä kuva siitä, onko LED-valoverhon jatkokehitystyö jär-kevää ja onko LED-välivalotuksella potentiaalia haastaa nykyiset kasvihuoneiden väli-valotusratkaisut kustannus- ja energiatehokkuudessa sekä ympäristöystävällisyydessä.

4

1.3. Kasvihuonetuotanto ja keinovalotus Suomessa

1.3.1. Lämmitettävät keinovalotetut kasvihuoneet Suomessa

Ammattimaiseen viljelyyn käytettäviä lämmitettäviä kasvihuoneita on Suomessa noin 430 hehtaaria. Kasvihuoneviljely on päätuotantosuunta noin 1400 yrityksessä. Lämmite-tyissä kasvihuoneissa käytetään lähes poikkeuksetta lisävalotusta ja lisävalotuksen käyt-tö on myös kasvanut merkittävästi viime vuosina. Lisävalolla kyetään Suomessa jatka-maan merkittävästi satokautta ja parantamaan tuotteiden laatua. Usein valotuksen käyttö tehostaa tuotantoa siten, että tuoteyksikköä kohti syntyvät energiakulut eivät kasvukaut-ta jatkettaessa kasva. Kasvihuonetuotannon osuus sähkön kulutuksesta oli vuonna 2004 0,45 prosenttia ja kokonaisenergiankulutuksesta 0,50 prosenttia. (Kauppapuutarhaliitto ry 2009.)

Tyypilliset suomalaiset kasvihuoneet ovat 20 tai 21 metriä leveitä erillishuoneita. Kilpailijamaissa käytössä olevia suuria ryhmäkasvihuoneita Suomessa on käytössä mel-ko vähän. Ruukkuvihannesten, kurkun, leikko- ja ruukkukukkien tuotanto on monissa yrityksissä täysin ympärivuotista. Myös tomaatin ympärivuotinen tuotanto on viime vuosina lisääntynyt. Jokaiseen suomalaiseen talouteen tuotetaan vuosittain 19 kiloa to-maatteja, 15 kiloa kurkkuja, 35 salaattia ja yrttiä, 60 leikkokukkaa, kuusi ruukkukasvia ja 23 ulos istutettavaa ryhmäkasvia. (Kauppapuutarhaliitto ry 2009.)

1.3.2. Suomessa käytettävät valotusratkaisut ja -tekniikat

Suomen korkeudella kasvihuoneiden ympärivuotinen tuotanto perustuu keinovalon käyttöön auringon valon lisänä - varsinkaan talvella auringon vuorokautinen säteily ei yksin riitä luomaan kasveille optimaalisia kasvuolosuhteita. Kasveja valotetaan niukan luonnon valon aikaan 12 - 20 tuntia vuorokaudessa, myös kesäaikana. Esimerkiksi kur-kunviljelyssä päivänpituus on 20 tuntia, jolloin aurinkoisenakin päivänä käytetään valo-ja aamulla ja illalla. Kurkulle vuosittainen valotusaika on noin 6000 tuntia ja tomaatille 3000 tuntia (Kivioja 2009c). Ilman keinovaloa kasvihuoneen vuosittaiseksi tuotanto-ajaksi jää noin kahdeksan kuukautta. (Hovi 2002; Murmann 2005a; Näkkilä et al. 2006; Tahvonen 2009). Kauppapuutarhaliiton asiantuntija Tom Murmannin sanoin: ”Näillä

leveysasteilla on pidettävä mielessä, että millään muulla tekijällä ei saada aikaan vas-taavaa tuotannon lisäystä kuin valotuksella.” (Murmann 2006).

Suomessa kasvustojen valotukseen käytetään lähes poikkeuksetta suurpainenatrium-valaisimia. Ympärivuotista valoviljelyä ajatellen sen hankinta- ja käyttökustannukset ovat suhteellisen edulliset, valontuottokyky hyvä ja valon laatu sopiva täydentämään auringon säteilyä (Näkkilä et al. 2001). Kasvihuoneissa tarvittavan keinovalon määrää kuvataan yleensä valaistuksen asennusteholla (W / m2). Kun useimmiten käytössä ovat toisiaan vastaavat suurpainenatriumlamput, tämä antaakin varsin vertailukelpoisen ku-van asiasta (Murmann 2005a). Ympärivuotisessa viljelyssä tyypilliset valotustehot ovat

5

nykyään esimerkiksi kurkulle ja tomaatille noin 250 wattia neliömetrille (Murmann 2009a; Tahvonen 2009).

Korkeita kasvustoja, kuten kurkkua ja tomaattia valotettaessa on kasvihuoneiden keinovalotus perinteisesti toteutettu kasvustojen yläpuolelle asennetuilla valaisimilla. Ylävaloratkaisulla on saatu kasvihuoneeseen syntymään luonnonvalon kaltainen, kas-vuston latvoissa tasainen valo. Kasvihuoneiden keinovalotustutkimuksen edetessä on Suomessa kuitenkin lähdetty viimeisen kymmenen vuoden aikana kehittämään keinova-lotusta aivan uudenlaiseen suuntaan - nykyään latvuston valotuksen sijaan tavoitteena on useimmiten saada luotua mahdollisimman valoisat olot myös alemmas kasvustoon. Erityisesti kurkun (Cucumus Sativus) kohdalla tällaiseen ratkaisuun pyritään pääsemään ensisijaisesti välivalotuksella. Välivalotuksessa kasvirivien taajuutta hieman harvenne-taan ja ylävalojen lisäksi rivien väliin asennetaan roikkumaan niin sanottuja väliva-laisimia, jotka valottavat kasveja sivultapäin. (Murmann 2009a.) Välivalaisimet ovat tyypillisesti hieman pienempitehoisia ja erilaisella heijastinratkaisulla toteutettuja suur-painenatriumvalaisimia kuin mitä katoissa käytetään. Välivalotuksen tyypillinen asen-nusteho on noin neljännes valaistuksen kokonaistehosta. Välivalotusta käytetään nyky-ään yleisesti kurkun kasvatuksessa, mutta myös tomaatin ja paprikan välivalotuksesta on saatu positiivisia tuloksia (kuva 1.2).

Kuva 1.2. Suurpainenatriumvälivalaisimien käytöstä on saatu positiivisia tuloksia myös tomaatin kasvatuksessa (Aðalsteinsson 2004).

Välivalotuksen avulla kasvuston alimmat osat yhteyttävät tehokkaasti ja lisäävät koko-naissadon määrää. Tutkimuksissa, joissa kurkkukasvuston kokonaisvalosta on pudotettu 25 prosenttia välivaloiksi, on sadon tuotto suhteutettuna kulutettuun sähköenergiaan ol-lut jopa 9 prosenttia parempi kuin pelkällä ylävalotuksella valotetun kasvuston. Väliva-lotus antaa hedelmille myös paremman värin, maun ja säilyvyyden ja lisää I-luokkaisten hedelmien määrää. (Näkkilä et al. 2006; Murmann 2009a; Tahvonen 2009).

6

1.4. Kasvihuonetuotanto maailmalla

Kasvihuonevihannesten tuotanto globalisoituvassa maailmassa on varsin haasteellista, koska kilpailua käydään yhä enemmän tehokkaiden ja energiaa kuluttavien pohjoisten maiden ja halvan työvoiman etelän maiden välillä. Kilpailun kiristyessä valotusaikoja ja täten myös satoaikaa pidennetään, mutta samalla energiapoliittiset vastuukysymykset ovat yhä vankemmin esillä. Pohjois-Amerikassa USA:n suurista markkinoista kilpaile-vat lähinnä Meksiko ja Kanada, joista jälkimmäisessä kasveja tuotetaan erityisesti valo-viljelyn avulla. Euroopassa pohjoisen suuria valoviljelymaita ovat Hollanti, Iso-Britannia, Saksa ja Pohjoismaat. Nämä kilpailevat markkinoista lähinnä etelän Espan-jan, mutta tulevaisuudessa myös Marokon ja Turkin kanssa. Valoviljelyä harjoitetaan jonkin verran myös muualla maailmassa, mutta esimerkiksi Japanissa valotuksen käyttö on melko vähäistä johtuen muuten riittävästä luonnonvalosta. Tilanne saattaa kuitenkin tulevaisuudessa muuttua, jos tilanpuutteen vuoksi viljelyä joudutaan siirtämään esimer-kiksi maanalaisiin kasvukammioihin. (Murmann 2006; Finpro 2006; Kallioharju 2007.) Suljettujen järjestelmien käyttöönotto lisäisi valoviljelyn määrää merkittävästi ympäri maailman ja nostaisi tuotantotehokkuuden aivan uudelle tasolle, jonka vuoksi suljettuja järjestelmiä on tutkittu ja kehitetty jo useiden vuosien ajan (Särkkä et al. 2008).

1.5. LED-kasvuvalotuksen ja välivalotuksen tutkimustilanne

LED-valoviljelyä tutkitaan useissa maissa ympäri maailman. Merkittävimpinä mainitta-koon Kanada, Yhdysvallat, Japani, Liettua, Alankomaat, Norja ja Suomi. LEDeillä to-teutettua kasvuvalotusta tutkitaan erityisesti yliopistoissa, mutta myös muissa tutkimus-keskuksissa ja alan suurissa yrityksissä. (Halonen 2006, Jenkins 2009.) Tutkimuksissa tapahtuu kehitystä koko ajan ja esimerkiksi Japanissa lehtisalaattia viljellään jo kaupal-lisesti punaisten LEDien loisteessa (Leino 2005). LED-valoviljelyn tutkimus Suomessa on aktiivista ja sitä tehdään yhteistyössä alan yrityksien ja toimijoiden kanssa (Halonen 2006). Tutkimuslaitoksista Maa- ja Elintarviketalouden tutkimuskeskus, Teknillinen Korkeakoulu ja Helsingin Yliopisto ovat yhdessä ja erikseen tutkineet LEDien käyttöä valoviljelyssä jo vuosien ajan. Aiheesta on tähän mennessä julkaistu useita tutkimuksia, diplomitöitä ja yksi väitöskirja. Suomessa LED-valoviljelytutkimukset ovat keskittyneet lähinnä lehtisalaattiin, mansikkaan ja LED-valoverhoprojektin yhteydessä myös kurk-kuun (Lehtovaara 2009). Yhden suurimman tällä hetkellä käynnissä olevan tutkimuksen tarkoituksena on kehittää juuri Suomen kasvihuoneolosuhteisiin soveltuvia LED-valotusratkaisuja, mukana tutkimuksessa ovat muun muassa Teknillinen korkeakoulu, Helsingin yliopisto, Kauppapuutarhaliitto ja useita eri alojen yrityksiä (Kauppapuutar-haliitto ry 2009).

Kaikki Suomessa tehdyt viralliset LED-valoviljelytutkimukset ovat olleet jonkinlai-sia ylävalotutkimuksia, joten LEDeillä toteutettua välivalotusta ei meillä ole yksittäisiä kokeiluja lukuun ottamatta tutkittu. Myös muualla maailmassa on LED-välivalotustutkimusta alettu tehdä kunnolla vasta viimeisen vuoden aikana. Suur-

7

painenatriumvalaisimilla toteutettua välivalotusta on sitä vastoin tutkittu melko paljon. Tutkimusta on tehty erityisesti tomaatilla ja kurkulla, mutta myös muiden kasvien, ku-ten paprikan välivalotusta on tutkittu. Välivalotukseen liittyviä tutkimushankkeita on toteutettu 2000-luvulla useita. Tutkimusta ovat tehneet erityisesti Kauppapuutarhaliitto ja Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus yhteistyökumppaneineen.

8

2. LED-VALOVERHOLLE ASETETUT VAATIMUKSET

LED-valoverhon rakennetta ja siihen liittyvien laitteistojen toimintaa säätelevät ja oh-jaavat lukuisat sähkö- ja konetekniikan säädökset ja standardit. Lisäksi valotettavat kas-vit, ympäristön olosuhteet, energiatehokkuusvaatimukset ja verhon taloudellisesti järke-vä tuotanto asettavat omia vaatimuksiaan verhon rakenteelle ja siihen integroitavalle tekniikalle. Tässä luvussa käsitellään LED-valoverhoa ja sen syöttö- ja ohjausjärjestel-mää velvoittavia säädöksiä, järjestelmää koskevia standardeja ja muita niille asetettuja vaatimuksia.

2.1. Valoverhon valoteknisille ominaisuuksille asetetut vaatimukset

LED-valoverhon valotekniset ominaisuudet nousevat merkittävään osaan järjestelmää suunniteltaessa. Valoteknisesti verhon tulee olla käyttäjälleen miellyttävä ja turvallinen käyttää, mutta samalla sen on oltava myös kasvin kannalta riittävän tehokas ja säteilyja-kaumaltaan oikeanlaista valoa tuottava. Koska ihminen ja kasvi aistivat valon hyvin eri tavalla, on LED-valoverhon valotekninen suunnittelu melko haasteellista. Seuraavissa alaluvuissa on käsitelty LED-valoverhon valoteknisten ominaisuuksien vaatimuksia ja suunnittelussa huomioitavia seikkoja.

2.1.1. Valaistusvoimakkuus ja häikäisy

Valaistuksesta Suomen työturvallisuusmääräykset ja eurooppalainen sisävalaistusstan-dardi SFS-EN 12464 toteavat, että työpaikkojen valaistuksen tulee olla työn luonteeseen nähden riittävä. Standardin mukaan kasvihuonetiloissa työskentelyyn vaaditun valais-tustason tulee olla vähintään 200 luksia (SFS-EN 12464-1 2003). Koska LED-valoverho ei kuitenkaan ole varsinaista henkilövalaistusta, eivät nämä ohjeistukset sitä koske.

Standardi SFS-EN 12464 antaa ohjeet myös häikäisyn rajoituksesta, joka saattaa tul-la eteen LED-valoverhon kohdalla. LEDien luminanssi eli pintakirkkaus (cd / m²) on valonlähteen pienen koon vuoksi tyypillisesti huomattavasti suurpainenatriumlamppua korkeampi ja se saattaa tämän vuoksi häiritä työskentelyä. Koska valoverhoa ei tarvita luomaan työskentelyn kannalta riittäviä valaistusolosuhteita, voidaan häikäisyongelma kuitenkin välttää sammuttamalla valoverho sadonkorjuun ja muun työskentelyn ajaksi.

9

2.1.2. Häiriövalo

Valon on todettu olevan hyvä parannuskeino esimerkiksi kaamosmasennukseen, mutta valo säätelee myös ihmisen biologista kelloa (Jokiniemi 2003, Äystö & Rahtola 2004 mukaan). Tutkimusten mukaan yöaikainen valo - häiriövalo - on peräti haitallista eli-mistölle. Yöaikaisella valolla saattaa esimerkiksi olla yhteyksiä naisten lisääntyneisiin rintasyöpädiagnooseihin. (Ruukki 2003).

Kuva 2.1. Kasvihuoneet ovat merkittäviä häiriövalon lähteitä (Vildaphoto 2009).

Häiriövalolla tarkoitetaan kasvihuoneympäristöissä sitä valoa, joka valotuksesta karkaa kasvihuoneen ulkopuolelle ja häiritsee näin muuta lähiseudun elämää ja asutusta (kuva 2.1). Valon haitallisuuteen vaikuttaa sen voimakkuus, väri ja heijastukset. Suomessa kasvihuoneyritykset ovat hajautuneet siten, että suuria kasvihuonekeskittymiä ei ole, jolloin valotuksesta ei ole aiheutunut merkittäviä haittoja. Sen vuoksi Suomessa ei vielä toistaiseksi ole annettu ohjearvoja tai määräyksiä kasvihuoneiden aiheuttaman häiriöva-lon määrälle. Viihtyvyyden aleneminen ja mahdolliset haittavaikutukset on kuitenkin mietittävä aina tapauskohtaisesti. Muualla maailmassa kasvihuoneiden aiheuttamaan häiriövaloon on jo puututtu. Esimerkiksi Hollannissa ja Kanadassa kasvihuoneiden ai-heuttama häiriövalo on osoittautunut suureksi ongelmaksi. Kanadassa, British Columbi-an provinssissa, on häiriövalon vähentämiseksi annettu suosituksia jotka edellyttävät, että kasvuvalotus on rajattava alle 5000 luksiin tai vaihtoehtoisesti sammutettava kello 18.00 jälkeen vähintään neljäksi tunniksi. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että ainakin kasvihuonevihannesten viljelijät joutuvat sammuttamaan valonsa, koska vihannekset vaativat normaalisti yli 5000 luksin valaistusvoimakkuutta kasvuvalotuksessa. (Leino

10

2005; Finpro 2006; Akkerhuis 2003 & Ludvig Svensson 2003, Äystö & Rahtola 2004 mukaan).

Vähimmäisvaatimuksena LED-valoverhon valonsuuntaus ja optiikka tulee suunni-tella sellaiseksi, ettei LED-valoverhoilla toteutetun välivalotuksen kasvihuoneen ulko-puolelle säteilemän valon määrä ylitä suurpainenatriumvalaisimilla toteutetun välivalo-tuksen vastaavaa arvoa. Toivottu tilanne tulevaisuudessa on, että LED-valoverholla vä-livalotettu kasvihuone aiheuttaisi vähemmän häiriövaloa kuin perinteisin menetelmin valotettu kasvihuone.

2.3. Kasvit ja valo

Valon ja kasvien suhde on moninainen. Valo toimii kasveille ensisijaisesti energian-lähteenä, mutta samalla se myös antaa kasveille informaatiota kasvuympäristöstä ja ym-päristön olosuhteista. Valon eri aallonpituuksien on osoitettu vaikuttavan myös kasvien taudinsietokykyyn. Valon vaikutusta kasvin taudinsietoon on tutkittu esimerkiksi to-maatilla ja kurkulla. (Hart 1988; Schuerger & Brown 1997.)

Valon tunnettuja muuttujia ovat ainakin valon määrä, laatu, suunta ja periodisuus. Valon muutoksien perusteella kasvi muodostaa informaation, jonka perusteella se kas-vaa, kukkii tai lepää. Valoenergian ja valosta saatavan informaation hyödyntämiseen kasveilla on kolme erilaista fotosysteemiä: fotosynteettinen järjestelmä, fytokromaatti-nen järjestelmä ja kryptokromaattinen järjestelmä. (Hart 1988.) Seuraavissa alaluvuissa käsitellään valon ja kasvien moninaista yhteisvaikutusta.

2.3.1. Kasvien hyödyntämän valon aallonpituusalue

Ihmissilmälle näkyvän valon aallonpituusalue on välillä 400 - 700 nanometriä. Kasvit käyttävät biologisiin toimintoihinsa näkyvää valoa, mutta myös aallonpituuksia näkyvän valon alueen molemmin puolin. Kasvien hyödyntämien aallonpituuksien aluetta kutsu-taan biologiseksi ikkunaksi, joka kattaa sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalueen välillä 300 - 1000 nanometriä. Yli 1000 nanometrin säteily on liian pienienergistä aihe-uttamaan kasveissa fotokemiallisia muutoksia ja alle 300 nanometrin säteily on liian suurienergistä, jonka vuoksi se tuhoaa biologiset fotoreseptorit. Kasvin kyky hyödyntää biologisen ikkunan alueelta eri valon aallonpituuksia on hyvin poikkeava verrattuna ih-missilmän spektriherkkyyskäyrään (kuva 2.2). Kasvien kohdalla spektriherkkyyskäyrää kutsutaan RQE-käyräksi (Relative Quantum Efficiency). RQE-käyrä esittää kasvien tunnetun spektriherkkyysvasteen aallonpituusalueella 300-800 nanometriä. (Hart 1988; Pinho et al. 2005.)

11

Kuva 2.2. Ihmissilmän ja kasvien (RQE) suhteelliset spektriherkkyyskäyrät (Pinho et al. 2005)

Biologisen ikkunan alueella kasvissa valoa absorboivat useat eri fotoreseptorit, joilla jokaisella on oma herkkyysalueensa. Kasvien yleisimpien fotoreseptorien tyypilliset ab-sorptiokäyrät on esitetty kuvassa 2.3.

Kuva 2.3. Kasvin yleisimpien fotoreseptoreiden tyypilliset absorptiokäyrät (Du et al. 1998, Sager et al. 1988, Pinho 2008 mukaan).

12

Informaatio kasveille välittyy erityisesti sinisen, punaisen (alle 700 nanometriä) ja kau-kopunaisen (700 - 900 nanometriä) valon aallonpituuksilla, kun taas yhteyttämiseen kasvi käyttää koko biologista ikkunaa (Hart 1988).

2.3.2. Yhteyttäminen ja valon merkitys kasvin energiantuotantoon

Yhteyttämisellä eli assimilaatiolla tarkoitetaan epäorgaanisessa muodossa otettujen ai-neiden sitomista orgaanisiin yhdisteisiin. Kasvifysiologiassa yhteyttämisellä tarkoite-taan mekanismia, jossa kasvi sitouttaa ulkopuolista energiaa paremmin hyödynnettä-vään muotoon. Merkittävin yhteyttämisreaktio kasvifysiologiassa on hiilidioksidin yh-teyttäminen, jossa kasvi muuntaa ulkopuolisen energian avulla hiilidioksidia ja vettä hiilihydraateiksi. Tyypillisin yhteyttämisestä saatava hiilihydraatti on rypälesokeri, jon-ka lisäksi yhteyttämisreaktiosta vapautuu jäteaineena happea. Jos yhteyttämiseen käyte-tään valoenergiaa, puhutaan fotosynteesistä. Fotosynteesin reaktioyhtälö alkutuotteista lopputuotteisiin on esitetty kaavassa (1). (Hart 1988; Pankakoski 2003.)

6 CO2 + 6 H2O + valoenergiaa → C6H12O6 + 6 O2 (1) missä CO2 on hiilidioksidi H2O on vesi C6H12O6 on rypälesokeri O2 on happi.

Yhteyttäminen tapahtuu kaikkine vaiheineen viherhiukkasissa, eli ensisijaisesti kasvin lehdissä. Viherhiukkasissa yhteyttämisen fotoreseptoreina toimivat lukuisat eri klorofyl-lit (lehtivihreät) ja karotenoidit. Tärkeimmät klorofyllit ovat klorofylli A ja B. Klorofylli B toimii yhteyttämisprosessissa valoenergian vastaanottajana ja klorofylli A:n välityk-sellä valoenergia sitoutuu kemialliseksi energiaksi. (Pankakoski 2003.) Yhteyttämiseen osallistuvilla erilaisilla reseptoreilla on kaikilla yksilölliset absorptio-ominaisuudet, jonka vuoksi kasvin fotosynteettinen järjestelmä pystyy vastaanottamaan valoenergiaa lähes koko biologisen ikkunan alueelta. Tehokkaimmin yhteyttämistä ta-pahtuu kuitenkin näkyvän valon aallonpituusalueella 400 - 700 nanometriä. Klorofyllien herkimmät absorptiopisteet ovat tällä välillä kohdissa 430 nanometriä (sininen valo) ja 660 nanometriä (helakanpunainen valo). Tästä syystä tulisikin pimeänä vuodenaikana kasvien kasvatukseen käytettävän lisävalon sisältää mahdollisimman paljon punaista ja sinistä valoa, mahdollisimman vähän vihreätä eikä mielellään lainkaan fotosynteesille arvotonta infrapunaista säteilyä. Valon luonteesta johtuen punaista valoa saadaan tuotet-tua pienemmällä energialla kuin sinistä (luku 2.3.3.), joten energiankulutusta ajatellen punaisen valo käyttäminen yhteyttämisvalona olisi järkevintä. Sinistä valoa tarvitaan kuitenkin yhteyttämisessä klorofyllien synnyttämiseen ja pitkäaaltoisen säteilyn aiheut-

13

taman kasvin liikakasvun eli venymisen vastavaikuttajaksi. (Hart 1988; Pankakoski 2003.) Tutkimuksissa on havaittu, että jo yksi prosentti sinistä valoa riittää kumoamaan pitkäaaltoisen säteilyn haittavaikutukset, mutta kasvista riippuen 10 - 30 prosenttia si-nistä ja 70 - 90 prosenttia pitkäaaltoista säteilyä on optimaalisin aallonpituuksien suhde kasvuvaloa ajatellen. (Schuerger et al. 1997, Pinho 2008 mukaan; Kopcewicz & Lewak 1998, Urbonavičiǖtė et al. 2007 mukaan; Nhut et al. 2000 & Nhut 2002, Duong & Ngy-uen 2010 mukaan.)

Fotosynteesi vaatii valon lisäksi toimiakseen hiilidioksidia, sopivan lämpötilan ja vettä. Lisävalotetuissa kasvihuoneissa on yleensä riittävästi valoa tehokkaaseen fotosyn-teesiin, mutta ongelmaksi muodostuu usein hiilidioksidin riittämättömyys. Sen vuoksi kasvihuoneiden ilmaan tuotetaan usein lisää hiilidioksidia esimerkiksi polttamalla pro-paania. Monilla kasveilla fotosynteesi on mahdollista jo - 5 celsiusasteen lämpötilassa, mutta useimmiten fotosynteesi alkaa 0 celsiusasteen lämpötilassa. Kasvin kannalta foto-synteesin optimilämpötila on + 20 celsiusasteen lämpötilassa, jolloin kasvin energianku-lutuksesta ja yhteyttämisestä ylijäävän energian osuus on suurimmillaan. Tätä korke-ammissa lämpötiloissa nettotulos kasvaa vain jos hiilidioksidin ja valon saanti merkittä-västi paranee. (Pankakoski 2003.)

2.3.3. Kasvien tarvitseman valon määrä

Koska kasvien spektriherkkyyskäyrä on hyvin erilainen kuin ihmissilmän spektriherk-kyys, ei kasvin aistimaa valoa voida esittää yleisillä valaistussuureilla. Siksi kasvin saamaa säteilymäärää esitetäänkin yleensä valokvanttien eli fotonien määränä. Säteilyn aallonpituusaluetta, josta fotonisummaa lasketaan, kutsutaan PAR-alueeksi (Photosynt-hetically Active Radiation). PAR-alue kattaa näkyvän valon aallonpituudet 400 - 700 nanometriä. Nykyisellään PAR-alue ei siis kata koko biologisen ikkunan aluetta ja tule-vaisuudessa fotonisumman määrittämisessä saatetaankin siirtyä käyttämään niin sanot-tua laajennettua PAR-aluetta, jonka aallonpituusalue on 320 - 780 nanometriä. (Rea 2000; Costa & Cuello 2004, Pinho et al. 2004 mukaan) Suositeltu tapa ilmoittaa PAR-alueella säteilevien fotonien määrä on käyttää PPFD-arvoa (Photosynthetic Photon Flux Density), joka esittää alueen pinnalle aikayksikössä lankeavan PAR-säteilyn fotonivuon tiheyden. Fotonien määrää käsitellään mooleina, yksi mooli on noin 6 x 10²³ fotonia (Avogadron vakio). PPFD:n yksikkönä käytetään yleensä µmol / m² / s (mikromoolia neliömetrille sekunnissa). (Rea 2000.) Kirjallisuudessa saatetaan PPFD:n sijaan käyttää myös termiä PPF (Photosynthetic Photon Flux), jolla viitataan samaan fotonisummaan (Pinho 2008).

Fotonien energiasisältö on sitä pienempi, mitä pitempiaaltoista säteily on. Järjestel-mässä jokaisella fotonilla on kuitenkin yhtäläinen painoarvo, koska Stark-Einstein-lain mukaan absorboitunut valokvantti voi virittää vain yhden molekyylin. Esimerkiksi foto-synteesin tehokkuus riippuu kasvin PAR-alueelta sitomien fotonien määrästä, ei fotoni-en sisältämästä kokonaisenergiasta. Fotonin absorptiosta syntyvää energiaa ei kasvi pys-

14

ty ikinä hyödyntämään täydellisesti, vaan ylimääräinen energia poistuu kasvista läm-pösäteilynä. (Hart 1988.)

PPFD-arvoa mitataan tyypillisesti kvanttimittareilla, mutta joissain tilanteissa saate-taan käyttää myös radiometriseen säteilyvoimakkuuteen perustuvaa mittaustapaa. Täl-löin säteilyn irradianssi eli tehotiheys saadaan wattia per neliömetri (W / m2) arvona. Kaavasta (2) nähdään, kuinka irradianssista saadaan laskettua PPFD-arvo, jos tiedetään valonsäteilyn aallonpituusjakauma. (Pinho et al. 2005)

∑

(2)

missä Ep on fotosynteettinen fotonivuo (PPFD) (mol/m2/s) Ee on irradianssi (W/m2/nm) N on Avogadron vakio (6,02 x 1023) h on Planckin vakio (6,63 x 10-34 Js) λ on säteilyn aallonpituus (m) c on valon nopeus (3,00 x 108 m/s).

Tyypillisimpien yleisvalonlähteiden PPFD-arvo saadaan arvioitua likimääräisesti myös valaistusvoimakkuuden avulla. Tyypillisesti yksi luksi vastaa PPFD-arvoa 0,01 - 0,02 µmol / m² / s. (Rea 2000.)

Kasvien tarvitseman valon määrä vaihtelee sen mukaan, mitä kasvin mekanismia valolla halutaan stimuloida. Luonnonvalossa yhteyttäminen käynnistyy esimerkiksi noin 10 W / m2 irradianssilla, kun taas kasvin kukkiminen vaatii vain 1 W / m2 ja kasvun suuntautuminen ainoastaan 0,001 W / m2 irradianssin. Aurinkoisena päivänä ulkotilassa luonnonvalon irradianssi on noin 400 W / m2 eli PPFD-arvona noin 1800 µmol / m² / s. Tutkimuksissa on kuitenkin havaittu, että kasvista riippuen luonnonvalon irradianssin ylittäessä 200-300 W / m2 ei kasvi enää pysty hyödyntämään säteilytehon kasvua, vaan yhteyttämismekanismi saturoituu. Erittäin voimakas säteily saattaa aiheuttaa kasville jopa solujen kuumentumisvaurioita ja klorofyllien tuhoutumista. (Björn 1976, Hart 1988 mukaan; Pankakoski 2003.) Kasvihuoneviljelyssä yleensä tärkein stimuloitava meka-nismi kasvissa on yhteyttämismekanismi eli fotosynteesi, jonka vuoksi valon määrä py-ritään pitämään korkeana. Esimerkiksi kurkkua ja tomaattia viljeltäessä on kasvihuo-neessa kasvustoon lankeavan PAR-alueella säteilevän valon PPFD-arvo nykyään 300 - 400 µmol / m²/ s, jolloin kasvien valotukseen suunniteltujen suurpainenatriumlamppu-jen asennusteho (ylävalona) on noin 250 W / m2. (Pankakoski 2003.)

15

Kuva 2.4. Valon määrän vaikutus kasvien kasvuun: herneen (vasemmalla) ja perunan (oikealla) versot kuuden päivän jälkeen pimeässä ja valoisassa kasvatettuna (Hart 1988).

Valon määrän tarvetta kasville voidaan tarkastella kasvin käyttäytymisen ja ulkonäön perusteella (kuva 2.4) (Hart 1988). Vähäisessä valossa kasvit kalpeutuvat, kasvattavat enemmän vartta ja lehdet ohenevat, jolloin kasvin koko rakenne jää hennoksi ja taudin-kestävyys usein heikkenee (Pankakoski 2003.)

2.3.4. Valon periodisuuden merkitys kasveille

Valon määrän ja säteilykoostumuksen lisäksi kasvin kehitykseen voi vaikuttaa valon periodisuus eli valorytmi. Valorytmillä tarkoitetaan vuorokautisen valo- ja pimeäjakson suhdetta, josta kasvi pystyy määrittämään sekä vuorokauden- että vuodenajan. Tunne-tuin valorytmin aiheuttama vaikutus on kasvin siirtyminen kasvullisesta kehityksestä kukintaan. Muuttuminen voi vaikuttaa kuitenkin myös moniin kasvullisiin kehitysvai-heisiin, kuten lehtien varisemiseen, talvisilmujen lepokauden alkamiseen ja päättymi-seen sekä mukuloiden ja sipulien muodostumiseen. (Hart 1988; Pankakoski 2003.)

Kasvi määrittelee valon periodisuutta sinisen, punaisen ja kaukopunaisen valon avulla. Tunnetuin valorytmiä seuraava mekanismi on fytokromi-väriaineproteiinin kier-to valon pitkäaaltoisessa päässä. Muun muassa kasvin vihreissä lehdissä olevaa fyto-kromia on olemassa kahta eri muotoa. Nämä muodot ovat niin sanottu virittymätön fy-tokromi P660 (tai Pr) ja virittynyt fytokromi P730 (tai Pfr). Fytokromin muodot voivat

16

muuttua toinen toisekseen ja kasvissa olevan virittyneen ja virittymättömän muodon suhteesta kasvi selvittää esimerkiksi vuorokauden ja vuodenajat. Fytokromia on kas-veissa erittäin vähän, joten vaaditaan vain pieniä säteilytason muutoksia laukaisemaan sen välittämät kemialliset muutokset. (Hart 1988; Pankakoski 2003.)

Fytokromin muuttuminen toiseksi riippuu valon säteilykoostumuksesta. Virittyneen ja virittymättömän muodon lyhenne merkitsee sitä valon aallonpituutta, jota fytokromi imee tehokkaimmin muuttuen samalla toiseen muotoon. Virittymätön P660 fytokromi on fysiologisesti tehotonta, kun taas virittynyt P730 on tehokasta ja toimii välittäjänä mo-nenlaisissa kehitystapahtumissa, jos sitä on kasvissa riittävästi. Päivällä säteilevässä ”valkoisessa” valossa tehokkaampaa P730 fytokromia muodostuu enemmän, kun taas yöaikaan sen määrä laskee. Pimeäjakson pituudesta riippuu, laskeeko virittyneen fyto-kromin määrä alle kriittisen rajan, tässä suhteessa eri kasvilajien sietokyky on erilainen. Myös pimeäjakson katkaiseminen lyhyelläkin valojaksolla palauttaa osan tehottomaksi muuttuneesta fytokromista takaisin tehokkaaseen muotoon ja voi kumota siihenastisen pimeäjakson vaikutuksen. (Pankakoski 2003.)

Vuorokaudenaika voi vaikuttaa esimerkiksi kasvin lehtien asentoon ja kukkien au-kioloon. Koska yöllä ei ole tarvetta kerätä valoa, laskevat monet kasvit lehtensä alas. Näin kasvi energiaa säästääkseen pienentää päivällä tarpeellista, mutta yöllä jopa kohta-lokasta jäähdytys- ja haihdutuspinta-alaansa. Kuvassa 2.5 lennätinkasvin (Desmodium gyrans) lehdet päivällä ja yöllä. (Hart 1988.)

Kuva 2.5. Lennätinkasvin (Desmodium gyrans) lehdet päivällä, kun kasvi kerää yhteyt-tämisvaloa (a) ja yöllä, kun kasvi säästää energiaa (b) (Hart 1988).

17

Eri kasvit käyttäytyvät eri tavalla, osa soveltuu pitkään päivään paremmin ja toisaalta on kasveja, joille lyhyt päivä sopii paremmin. Tällaiset kasvit voivat kukkia ainoastaan, kun päivän pituus on juuri sopiva. Kukintaviritykseen riittää kuitenkin fytokromin luon-teesta riippuen varsin heikko valaistus, joissain tapauksissa jopa täydenkuun valo. Pit-kän- ja lyhyenpäivänkasvien lisäksi on olemassa päiväneutraaleja kasveja, joille päivän pituudella ei ole merkitystä. Tällaisia kasveja ovat esimerkiksi tomaatti ja kurkku. (Pan-kakoski 2003.)

Enimmissä ilmastovyöhykkeissä on jokin vuodenaika kasvin normaaleille elintoi-minnoille epäsuotuisa tai suorastaan mahdoton. Pohjoisemmilla ilmastovyöhykkeillä se on talvi ja eteläisimmillä ilmastovyöhykkeillä se on yleensä sateeton kesäkausi. Monet kasvit viettävät epäsuotuisan vuodenajan lepotilassa, joka on tyypillisesti hormonien säätelemä horros. Lähtösysäyksen lepotilan valmisteluun – eli talveentumiseen - antaa enimmille kasveille yön piteneminen. Talveentuminen pääsee siten joka vuosi käyntiin samaan aikaan säiden vaihtelusta riippumatta. Induktioon tarvittavan yön pituuden kasvi määrittää fytokromin avulla. Tarvittavan yön pituuden on todettu olevan erilainen eri kasveilla, ja se voi vaihdella jopa saman kasvilajin sisällä. Induktion jälkeen talveentu-misen kehitys riippuu ensi sijassa lämpötilasta. Horrostilassa kasvin kaikki elintoimin-not ovat lähes pysähtyneet ja kasvi on rakenteellisesti muuttunut suojaamaan itseään kuivumiselta ja pohjoisessa myös kylmyydeltä. Kun ympäristön olosuhteet ovat jälleen suotuisat kasvin normaaleille elintoiminnoille, lepotila purkautuu. Myös lepotilan pur-kautumisen käynnistää yleensä fytokromin avulla määritetty päivän piteneminen. (Hart 1988; Pankakoski 2003.)

2.3.5. Valon suuntauksen merkitys kasveille

Valon suunta vaikuttaa kasvin kasvun suuntautumiseen. Jos valoa on saatavilla, osaavat monet kasvit ohjata kasvuaan siten, että ne pystyvät elämään. Kasvin suuntautumista valon vaikutuksesta kutsutaan fototropismiksi. Fototrooppinen vaste voi olla joko posi-tiivinen tai negatiivinen, eli kasvu voi suuntautua kohti valoa tai valosta poispäin. Yleensä kasvin maanpäälliset osat suuntaavat kasvunsa kohti valoa, kun taas juuret kas-vavat valosta poispäin. Kuitenkin myös yksittäisen kasvin maanpäällisen kasvun suun-tautumisessa voi olla eroja (kuva 2.6). (Hart 1988.)

18

Kuva 2.6. Valon suunnan vaikutus murattiin (Hedera helix). Kasvi suuntaa lehtensä kohti valoa ja varren kasvun valosta poispäin. (Hart 1988.)

Suuntautumiseen vaikuttaa erityisesti biologisen ikkunan lyhytaaltoinen säteily, eli sini-nen ja ultraviolettivalo, mutta myös punaisella valolla on joissain tilanteissa vaikutuksia kasvun suuntautumiseen. Kasvun suuntautuminen johtuu kasvin solujen pituuskasvua säätelevän auksiini-kasvihormonin jakautumisesta kasvin sisällä. Sinisen valon resepto-reiden vaikutuksesta auksiinia kertyy enemmän kasvin varjonpuolelle, jolloin varjon-puoleiset solut kasvavat nopeammin ja kasvi kääntyy kohti valoa. (Hart 1988; Oksanen 2008.)

2.4. LED-valoverholle asetetut muut rakenteelliset ja sähköiset vaa-timukset

LED-valoverhon rakennetta ajatellen kasvihuoneolosuhteet asettavat siellä käytettäville materiaaleille ja ratkaisuille melko suuret laatuvaatimukset. Ympäristön jatkuva koste-us, auringon ja valaisimien lähettämä ultraviolettisäteily vaihtelevat lämpöolosuhteet rasittavat rakenteita. LED-valoverhon eliniäksi on määritelty 60 000 käyttötuntia, joka tarkoittaa kasvihuoneessa noin kymmentä vuotta. Käyttöympäristön olosuhteiden huo-mioinnin lisäksi LED-valoverhon suunnittelussa on huomioitava myös käytönjälkeinen kierrätettävyys ja materiaalien uusiokäyttö sekä käyttäytyminen poikkeavissa tilanteissa, kuten esimerkiksi tulipalon sattuessa.

LED-valoverhon tulee olla rakenteellisesti hyvin valoa ja ilmaa läpäisevää ja rullat-tavissa sekä pysty- että vaakasuunnassa. Tilaajan vaatimuksesta LED-valoverhosta tulee

19

kehittää myös modulimainen ratkaisu, jotta valoverhojärjestelmän rakentaminen ja huolto olisi mahdollisimman helppoa. SFS 6000 Pienjännitesähköasennukset -standardisarja ohjeistaa kasvihuonelaitteiden kotelointiluokaksi IP 44, mikä tarkoittaa roiskevesitiivistä kotelointia (SFS 6000-7-705 2007). LED-valoverhon, sen liitoksien ja muiden LED-valoverhojärjestelmään liittyvien sähkölaitteiden kotelointien tulee joka pisteessä täyttää vähintään tämä IP 44 -luokan kotelointivaatimus, koska kasvihuonees-sa hetkittäin jopa sataan prosenttiin nouseva ilmankosteus ei saa aiheuttaa korroosiovau-rioita sähköisiin osiin. Kuitenkin, koska itse LED-valoverhon tulee olla puhdistuksen vuoksi myös painepesun kestävää, tulee LED-valoverhon ja siihen kytkettävien liittimi-en kotelointiluokan olla vähintään IP 66 (suojattu voimakkaalta vesisuihkulta). Materi-aalien tulee olla myös ultraviolettisäteilyn kestäviä. Oman lisävaatimuksensa materiaa-leille tuovat vielä polyvinyylikloridin eli PVC-muovin pehmenninaineina käytettävät ftaalihapon esterit eli ftalaatit, joiden helposti hajoavia lyhytketjuisia muotoja ei kasvi-huoneympäristössä käytettävissä muoveissa saisi olla. Pahimmassa tapauksessa PVC-muovista ajan kanssa haihtuvat ftalaatit tappavat viljeltävät kasvit. (Murmann 2009b.) Käyttötilanteessa LED-valoverhon lämmöntuotto pitää olla hallittua ja nauhan ympäris-tön lämpötilan tulee pysyä jatkuvasti alle 30 celsiusasteen, jottei kasvien vernalisoitu-minen eli kukintavirittyminen kumoudu (Pankakoski 2003). LED-valoverhojen spektriä ja valotehoa tulee myös voida ohjata ja monitoroida keskistetysti yksinkertaisella käyt-töliittymällä. Laitteiston valmistuksessa, testauksessa ja dokumentoinnissa on huomioi-tava, mitä sähkölaitteiden ja sähkölaitteistojen sähköturvallisuudesta on säädetty sähkö-turvallisuuslaissa- ja asetuksessa (410/1996 ja 498/1996) sekä Kauppa- ja teollisuusmi-nisteriön päätöksissä KTMp 1694/1993 ”Sähkölaitteiden turvallisuus” ja KTMp 1193/1996 ”Sähkölaitteistojen turvallisuus”. Lisäksi LED-valoverhon sähköisessä toteu-tuksessa tulee huomioida koneiden sähkölaitteistostandardin SFS-EN 60204-1 ja pien-jännitesähköasennusstandardin SFS 6000 ohjeistukset.

Edellä mainittujen vaatimusten lisäksi LED-valoverhon tulee olla - sen perimmäisen kehitysidean mukaisesti - elinkaarivertailuissa sähköisesti ja rakenteellisesti kokonais-kustannuksiltaan edullisempi ja ympäristöä vähemmän rasittava kuin perinteisen, suur-painenatriumvalaisimilla toteutetun välivalaistuksen.

20

3. LED-VALOVERHON TEKNIIKKA, RAKENNE JA OMINAISUUDET

LED-valoverhoa on suunniteltu ja ideoitu jo useiden vuosien ajan. Tänä aikana tekniik-ka on kehittynyt ja valoverhon rakennetta on jouduttu miettimään alan ammattilaisten kanssa useista eri näkökulmista. Seuraavissa luvuissa esitellään LEDien ja LED-valoverhon teknistä kehitystä ja rakennetta sekä suunnittelutyön tuloksia.

3.1. LED-valonlähteet ja LED-valaistus

LED (Light Emitting Diode) on valoa lähettävä diodi, jonka toiminta perustuu elekt-roluminesenssiin. Elektroluminesenssi on ilmiö, jossa kiinteään aineeseen johdettu säh-kövirta saa aineen emittoimaan näkyvää valoa. Tekniikka on siis erilainen kuin esimer-kiksi perinteisessä hehkulampussa, jossa hehkulangan lämpeämä, termoluminenssi, synnyttää valon. (Schubert 2003).

3.1.1. LEDin historia

LEDin historia juontaa juurensa sadan vuoden taakse, vuoteen 1907, jolloin brittiläinen radioinsinööri ja keksijä Henry Round yritti kehittää uudenlaisia tasasuuntimia hitsaus-koneisiin. Tutkimuksissaan hän havaitsi sattumalta, että kun piikarbidikiteeseen (SiC) johdettiin elektrodein sähkövirtaa, alkoivat rajapinnat hohtaa heikkoa valoa. Ilmiö oli uusi ja tuntematon (Schubert 2003). Tämän saattoi havaita myös Roundin julkaisemasta tiedotteesta, jossa hän epäili eri aineiden rajapinnan olevan ehkä vain toisarvoinen seli-tys ilmiölle, ja että ensisijaisesti valo syntyi lämmön vaikutuksesta (Round 1907).

Seuraavien vuosikymmenien aikana piikarbidia ja muutamia uusia puolijohteita tut-kittiin jonkin verran, mutta tuloksetta. Tutkittujen puolijohteiden valontuotto-ominaisuudet olivat heikkoja ja olosuhteille herkkiä, ja myös materiaalien laatu oli vaih-televaa. Nämä kaikki yhdessä aiheuttivat lopulta sen, että mielenkiinto ilmiötä kohtaan tyrehtyi. Nimi tälle oudolle ilmiölle kuitenkin keksittiin, elektroluminenssi. (Schubert 2003.) Varsinainen moderni LED-tutkimus alkoi 50-luvulla, kun jo tunnettujen ja luon-nossa esiintyvien puolijohteiden rinnalle keksittiin uusia, keinotekoisesti seostettuja III-V-tyypin puolijohteita (mm. galliumarsenidi, GaAs). Tämän ryhmän puolijohteet osoit-tautuivat optisilta ominaisuuksiltaan hyvin aktiivisiksi, mikä alkoi nopeasti näkyä myös tekniikan kehittymisenä. Tutkittavista yhdisteistä ylitse muiden nousi jo edellä mainittu galliumarsenidi, josta valmistettiinkin ensimmäinen kaupalliseen levitykseen tullut LED vuonna 1961. GaAs-LED säteili ainoastaan infrapuna-valoa (870 nanometriä), mutta jo

21

vuotta myöhemmin keksittiin ensimmäinen näkyvää punaista valoa lähettävä LED (GaAsP). Massatuotantoon punaiset LEDit saatiin 1968, jonka jälkeen LEDien kehitys on ollut melko nopeaa (Schubert 2003). Merkittäviä tapahtumia LEDien kehitystiellä ovat olleet sinisen, ultravioletin ja niistä loisteaineilla ulos saatavan valkoisen valon keksiminen. Muita värejä tuottavat puoli-johdemateriaalit löydettiin melko helposti punaisen LED-valon jälkeen, mutta ennen kuin sinisen LEDin ongelma saatiin kunnolla ratkaistua, ehti infrapunaledin keksimises-tä kulua aikaa yli 30 vuotta. (Schubert 2003; Rantanen 2006). Lopulta vuonna 1993 jul-kaistiin ensimmäinen tehokas sinisen valon LED, jonka materiaalina toimi indiumilla seostettu galliumnitridi (InGaN). Sinisen valon kehittäminen oli suuri virstanpylväs LED-tekniikan saralla. Keksinnön merkittävyydestä kertoo esimerkiksi se, että sinisen LEDin kehittäjä, japanilainen Shuji Nakamura, sai keksinnöstään miljoonan euron Mil-lenium-teknologiapalkinnon vuonna 2006. (Schubert 2003; Rantanen 2006.)

Ennen sinistä valoa oli LEDejä käytetty lähinnä merkkilamppuina, mutta kun sini-nen LED valo keksittiin, oli tutkijoilla käytössään koko valon spektri. Tämä tarkoitti, että saatiin tuotettua myös valkoista LED-valoa. Valkoinen valo oli ratkaiseva tekijä LEDin matkalla yleisvalonlähteeksi. Viime vuosina LED-tekniikkaa onkin kehitetty mi-tä moninaisimpiin ympäristöihin ja käyttötarkoituksiin. (Schubert 2003.)

3.1.2. LEDin rakenne, toiminta ja optiset ominaisuudet

LED (Light Emitting Diode) on valoa lähettävä diodi, jonka toiminta perustuu elektro-luminenssiin, ilmiöön, jossa kiinteään aineeseen johdettu sähkövirta saa aineen emit-toimaan näkyvää valoa (Schubert 2003). Perinteisen LED-valonlähteen rakenne muo-dostuu kytkentäpinneistä, puolijohdesirusta ja kotelosta, jonka sisään tekniikka on valet-tu. Uudemman tekniikan pintaliitosledeissä valonlähde sisältää edellä mainittujen lisäksi usein myös jonkinlaisen jäähdytyselementin ja optiikkaa (kuva 3.1) (Simpson 2003).

22

Kuva 3.1. Perinteisen LEDin (vasemmalla) ja pintaliitosledin (oikealla) rakenne (Simp-son 2003). Koska LED on tasajännitteellä toimiva diodi eli puolijohde, se päästää virtaa lävitseen vain yhteen suuntaan. Itse LEDin sydän, puolijohdesiru, koostuu kahdesta yhteen liite-tystä puolijohdemateriaalista. Toinen materiaaleista on P- ja toinen N-tyyppinen, joten yleisesti puhutaankin P-N-tyypin puolijohteesta. P-tyypin materiaali on seostettu posi-tiivisesti varautuneeksi, jolloin sen atomeilla on radoillaan elektronivajausta eli aukkoja. Negatiivisesti varautuneessa N-tyypin materiaalissa taas on ylimääräisiä elektroneja, jotka liikkuvat aineessa vapaasti. N- ja P-puolijohteiden kosketuspintaa kutsutaan raja-kerrokseksi. Lepotilassa puolijohteessa ei kulje virtaa ja rajakerros on tyhjä, mutta kun puolijohteeseen kytketään riittävän korkea päästösuuntainen jännite, elektronit ja posi-tiiviset aukot alkavat siirtyä rajakerroksen yli. Kohdatessaan atomeja joilla on radoillaan aukkoja, elektronit rekombinoituvat niihin ja siirtyvät alemmalle energiatasolle vapaut-taen samalla energiaa. Energia vapautuu fotonien muodossa (kuva 3.2). Osa energiasta aiheuttaa myös värähtelyä, joka muuttuu lämpöenergiaksi. (Schubert 2003.)

Kuva 3.2. LEDin toimintaperiaate (Simpson 2003). LEDin emittoiman valon väri eli aallonpituus riippuu siitä, kuinka paljon energiaa re-kombinaatiossa vapautuu. Suurempi energiamäärä tarkoittaa korkeampaa fotonin väräh-telytaajuutta ja samalla korkeampitaajuista valoa. Valon väriin vaikutetaan käyttämällä erilaisia puolijohdemateriaaleja. Koska valon muodostus perustuu tällaiseen ilmiöön, emittoivat yksittäiset puolijohdesirut aina monokromaattista eli yksitaajuista valoa. Eri-värisiä LED-valonlähteitä saadaan aikaan yhdistelemällä erilaisia puolijohdemateriaale-

23

ja tai lisäämällä puolijohdeaineen päälle erilaisia pinnoitteita ja loisteaineita. Käytössä olevia loisteaineita ovat esimerkiksi fosforit, joilla voidaan muuttaa sinistä tai ultra-violettia säteilyä emittoivan LEDin säteily valkoiseksi (fosforikonversio). (Paakkinen 2009.) Valkoisen valon luomiseksi on myös muita vaihtoehtoja, joista yksi melko ylei-nen on sisällyttää samaan LED-valonlähteeseen useampia erivärisiä LEDejä. Yleensä tällaiset LED-valonlähteet sisältävät päävärit, eli ovat RGB-tyyppisiä. RGB-LEDissä on siis saman kotelon sisällä punainen (R), vihreä (G) ja sininen (B) LED. Kun kaikki LE-Dit säteilevät suhteessa yhtä suurella valoteholla ja käytetään oikeanlaista optiikkaa, aistii ihmissilmä RGB-LEDin lähettämän valon valkoisena. (Rea 2000; Niskanen & Sa-vela 2008.)

LEDin syttymiseen vaadittu kynnysjännite määräytyy valon väristä, sillä kynnys-jännitteen on oltava yhtä suuri tai hieman suurempi kuin rajapinnasta säteilevien fotoni-en luovuttama energia. Esimerkiksi punaisen (650 nanometriä) LEDin vaatima kynnys-jännite on noin 1,9 volttia, koska fotonit säteilevät 1,9 elektronivoltin teholla ja sinisen (470 nanometriä) LEDin noin 2,6 volttia, koska fotonit säteilevät 2,6 elektronivoltin te-holla. (Schubert 2003.)

LED emittoi valoa puoli-isotrooppisesti, joka tekee siitä suoran säteilijän. Sen vuok-si, ja koska LEDit ovat myös pistemäisiä valonlähteitä, on niiden valonjakoa usein muu-tettava optiikalla ja linsseillä. Optiikalla voidaan muuttaa LEDin valojakaumaa ja valon säteilykuviota sekä kääntää valon suuntaa. Yksittäisen LEDin optiikkaan on helpointa vaikuttaa muovista valmistetulla linssillä, joka on yleensä asennettu kiinteästi itse sirun päälle. Muovimateriaalien näkyvän valon läpäisykyky on nykyään materiaalista riippu-matta tyypillisesti yli 90 prosenttia, joten oikein suunniteltuina linssit eivät juuri hukkaa LEDin säteilemää valoa. Linssin avauskulma on yleensä 2 - 180 astetta. (Pinho et al. 2005; Niskanen & Savela 2008; Mäki 2008.)

3.1.3. LEDin hyödyt ja heikkoudet

Yksi LEDin merkittävistä eduista verrattuna muihin valonlähteisiin on sen pitkä käyt-töikä. Oletettu käyttöikä on LEDin tyypistä riippuen jopa 100 000 tuntia, mutta tyypilli-sesti 10 000 - 50 000 tuntia. Käyttöikään ei vaikuta LEDin sytytyskertojen määrä ja koska LED syttyy heti, voidaan tätä ominaisuutta hyödyntää myös sen ohjauksessa. LEDin käyttöikä määritellään sen jäljellä olevan valotehon perusteella, koska LED ei käyttöiän ylittyessäkään sammu vaan jatkaa tasaisesti himmenemistään. Käyttöikä tar-koittaa, että valotehosta on jäljellä noin 50 - 70 prosenttia. (Niskanen & Savela 2008.) Uusien pintaliitosledien tuottama valovirta ei oikeissa olosuhteissa juuri putoa ainakaan ensimmäiseen 25 000 käyttötuntiin (kuva 3.3) (Osram Opto Semiconductors 2009b).

24

Kuva 3.3. Osramin valkoista valoa lähettävän Golden Dragon LEDin prosentuaalinen valovirran tuotto suhteessa käyttötunteihin (Osram Opto Semiconductors 2009b).

LEDin valotehokkuus on hyvä verrattuna muihin valonlähteisiin (Halonen 2003). Yleis-ti käytössä olevien valkoisen valon LEDien valotehokkuus vaihtelee välillä 25 - 80 luumenta per watti (Bischoff 2008). Markkinoilla on tällä hetkellä kuitenkin jo valkoi-sen valon LEDejä, joiden valotehokkuus on 150 luumenta per watti ja laboratoriossa on päästy jo 208 luumenta per watti valotehokkuuteen (Nichia Corporation 2009; Cree, Inc 2010). Teoreettinen valkoisen valon LEDin maksimivalotehokkuus on 400 luumenta per watti (Suomen valoteknillinen seura 2004). Yksittäinen LED-siru on valonlähteenä mo-nokromaattista säteilyä lähettävä, mutta yhdistelemällä erivärisiä LEDejä tai lisäämällä LEDiin loisteaineita valon väriä saadaan muutettua. Eri materiaaleista valmistetuilla LEDeillä saadaan katettua koko näkyvän valon spektri sekä haluttaessa myös valon ult-ravioletti- ja infrapunasäteilyn alueet. Vastaavasti LEDit eivät lähetä infrapuna- ja ultra-violettisäteilyä, ellei niin haluta. Värintoistoindeksi CRI (Color Rendering Index) on uusimmilla LEDeillä jopa Ra ~ 90 - 97, joka on hyvinkin vertailukelpoinen muiden va-lonlähteiden kanssa (Niskanen & Savela 2008). Valo- ja äänisuunnittelija Ilkka Volasen mukaan LED-valaistus on myös tehokkain ja edullisin tapa tuottaa värillistä valoa (Vo-lanen 2008).

LEDin suurimpia heikkouksia on sen suuri lämpötilariippuvuus. Siksi LEDin käyt-töikä ja valovirrantuotto ilmoitetaankin aina sidottuna lämpötilaan. Esimerkiksi jos LE-Din käyttöiäksi luvataan 40 000 tuntia LED-sirun lämpötilan ollessa 40 celsiusastetta, putoaa LEDin käyttöikä 20 000 tuntiin sirun lämpötilan noustessa 50 celsiusasteeseen. Lämpötilan noustessa myös LEDin lähettämän valovirran määrä pienenee. Valovirta putoaa enemmän punaisilla kuin sinisillä LEDeillä. LED ei itsessään säteile lämpöä, vaan lämpö poistuu LEDistä johtumalla. Koska suurin osa LEDien käyttämästä energi-asta muuttuu lämpöenergiaksi, on LEDin käyttöiän ja toiminnan kannalta tärkeää että lämpö johdetaan elementistä riittävän tehokkaasti pois. Parhaimmillaankin vain noin 30 prosenttia LEDiin syötetystä sähköenergiasta saadaan muunnettua valoksi. (Niskanen & Savela 2008; Paakkinen 2009.)

25

LEDin mekaaninen kestävyys on hyvä, eikä se ole tärinälle herkkä. Rakenteellisiin etui-hin voidaan laskea myös LEDin pieni koko ja valmistusmateriaalit, jotka eivät sisällä ongelmajätteitä. (Halonen 2003.) Koska LED on elektroniikan puolijohde, on sen kote-loinnissa ja suojauksessa kuitenkin huomioitava, että se on melko herkkä sähköstaatti-sille purkauksille (Heikkinen 2007). Valonlähteenä LED on pistemäinen ja saattaa sen vuoksi aiheuttaa häikäisyä. Häikäisy voidaan kuitenkin estää oikeanlaisella optiikalla. LEDit eivät tarvitse erillistä heijastinosaa, vaan optiikka ja heijastimet voidaan integroi-da LED-moduliin valmistusvaiheessa. (Mäki 2008.)

LED toimii tasajännitteellä, jonka vuoksi se vaatii sähköverkkoon kytkettäessä aina jonkinlaisen liitäntälaitteen. Vähimmäisvaatimus liitäntälaitteeksi on oikein mitoitettu muuntaja ja tasasuuntaaja, mutta taloudellisempi ratkaisu liitäntään on hakkuriteholäh-de. On kuitenkin huomioitava, että teholähteet aiheuttavat verkkoon aina verkkohäiriöi-tä, jotka saattavat aiheuttaa tekniikan yleistyessä ongelmia. Toisaalta myös purkaus-lamppuvalaisimissa on liitäntälaitteita, joten niihin verrattaessa liitännässä ei juuri ole eroa. Vaikka LED vaatii sähköverkkoon kytkettäessä aina liitäntälaitteen, on LED toi-saalta itsessään pienoisjännitteellä toimiva valonlähde. Pienoisjännite mahdollistaa usein laitteen laajemmat käyttö- ja sovellutusmahdollisuudet. Lisäksi LED on helppo ohjata ja säätää (Halonen 2003). Ohjaaminen tapahtuu LEDin päästövirran arvoa muut-tamalla, eikä säätöön tarvita liitäntälaitteen lisäksi yleensä erillisiä säätimiä.

Kustannuksia ajatellen LED-valaistuksen heikkoja puolia on sen melko korkea hinta - verrattuna halvimpaan valaistusratkaisuun, loisteputkeen, on LED vielä noin 20 kertaa kalliimpi. Tämä arvo on saatu kun valaistusratkaisun hankinta- ja käyttökustannuksia on verrattu tuotettuun valovirtaan ja käyttötunteihin. Tulee kuitenkin pitää mielessä, että markkinoilla olevien LEDien hinta putoaa noin 20 prosentin vuosivauhtia ja valovirta kasvaa noin 35 prosenttia vuodessa. Yhtenä kansainvälisenä ongelmana LED-sovellutusten kohdalla on ollut vielä standardointi, joka on LEDien nopean kehityksen vuoksi kulkenut koko ajan perässä aiheuttaen erityisesti laatuongelmia. (Wilfried & Tet-ri 2006; Paakkinen 2009.)

3.2. LEDin säätö- ja ohjausmahdollisuudet

3.2.1. LEDin valovoimakkuuden säätö

LEDin säädöllä pyritään optimoimaan valaistuksen energiatehokkuus ja valaistusolo-suhteet. LEDin puolijohderakenteesta johtuen sen säätäminen on jännitettä muuttamalla lähes mahdotonta. Säätömenetelmät pyrkivätkin useimmiten vaikuttamaan päästövirran arvoon. Tärkeimmät säätömenetelmät ovat jatkuvan virran säätö (Constant Current Re-duction, CCR) ja pulssinleveysmodulaatio (Pulse Width Modulation, PWM). (Paakki-nen 2009).

Jatkuvan virran säädössä (CCR) LEDin päästövirran suuruutta säädetään lineaarises-ti. LEDin säätöalue jatkuvan virran säädöllä on yleensä noin 10 - 100 prosenttia. Alle kymmenen prosentin alueelle mentäessä CCR-säätö muuttuu epälineaariseksi. (Paakki-

26

nen 2009.) CCR-säätö vaikuttaa LEDin säteilemän valon väriin - kun päästövirtaa pie-nennetään, kasvaa LEDin lähettämän valon aallonpituus (Simpson 2003). Värilämpöti-laa ajatellen esimerkiksi RGB-LEDin päästövirran laskiessa 350:sta 10,5 milliampeeriin muuttuu valkoisen valon värilämpötila 5700:sta 9500 kelviniin. (Paakkinen 2009.) Ky-seessä on kuitenkin vain esimerkki, koska värilämpötilan muutokseen vaikuttaa virran muuttumisen lisäksi LEDeissä käytetyt materiaalit ja liitoksen lämpötila.

Suositellumpi ja usein helpompi tapa säätää LEDin valovoimakkuutta on käyttää pulssinleveysmodulaatiota (PWM). Pulssinleveysmodulaatiolla ohjattaessa LEDille syötettävän virran huippuarvo (Ipeak) on vakio, mutta virran keskiarvoa (Iavg) ohjataan säätämällä virtapulssin pituutta suhteessa jaksonaikaan (kuva 3.4) (Rea 2000).

Kuva 3.4. Pulssinleveysmodulaatiolla (PWM) säädetään LEDin syöttövirran (Ipeak) keskiarvoa (Iavg) säätämällä virtapulssin päälläoloaikaa (Paakkinen 2009).

LEDin PWM-ohjaus on mahdollista, koska päälle-pois kytkennällä ei ole merkitystä LEDin elinikään ja LEDin kytkentävaste on vain noin 20 nanosekuntia. Kytkentävaste mahdollistaa kymmenien tuhansien kilohertsien kytkentätaajuuden käytön, mutta kyt-kentähäviöiden ja muiden ongelmien vuoksi näin korkeita kytkentätaajuuksia ei yleensä käytetä. Tyypillisesti kytkentätaajuutena käytetään kuitenkin vähintään yli 200 hertsiä, jottei ihmissilmä huomaa valon välkkymistä. Kytkentätaajuus jonka ihmissilmä vielä erottaa on noin 120 hertsiä. (Simpson 2003, Paakkinen 2009.) PWM-säädöllä saadaan LEDin valovoimakkuutta säädettyä välillä 0,05 -100 prosenttia. (Simpson 2003.) Myös PWM-säätö vaikuttaa LEDin lähettämän valon väriin, mutta tutkimuksien perusteella aallonpituus muuttuu lyhyemmäksi, kun päästövirtaa pienennetään. [Gu et al 2006]. Pulssinleveysmodulaatiota käytettäessä RGB-LEDin päästövirran muuttuessa 350:sta 10,5 milliampeeriin muuttuu valkoisen valon värilämpötila 5800:sta 4450 kelviniin. (Paakkinen 2009.) Tässäkin tapauksessa kyseessä on vain esimerkki, koska värilämpöti-lan muutokseen vaikuttaa virran muuttumisen lisäksi aina LEDeissä käytetyt materiaalit ja liitoksen lämpötila.

3.2.2. RGB-LED ja RGB-LEDin spektrin ohjaus

RGB-LED koostuu kolmesta päävärin LEDistä, jotka on koottu saman kotelon sisään. Värit ovat punainen (R), vihreä (G) ja sininen (B). Kun RGB-LEDin kaikki LEDit sätei-levät suhteessa yhtä suurella valoteholla ja käytetään oikeanlaista optiikkaa, näyttää RGB-LEDistä säteilevä valo ihmissilmään valkoiselta. RGB-LEDin värilämpötilaa voi-

27

daan helposti muuttaa säätämällä valonlähteen eriväristen LEDien säteilytehoa. RGB-LEDiä ohjattaessa saadaan aikaan monipuolinen väriavaruus, mutta sen värintoistoin-deksi on kolmea väriä käytettäessä heikko (Ra ~ 80). RGB-LEDin valotehosta on myös ymmärrettävä, että se vaihtelee sen mukaan, miten monta LEDiä luo kyseisen väristä valoa. Esimerkiksi haluttaessa punaista valoa palaa vain yksi LED. (Niskanen & Savela 2008.)

Jos RGB-LED säteilee juuri oikeilla valon aallonpituuksilla, voidaan sitä hyödyntää kasvivalotuksessa. Oikeanlaisella RGB-LEDillä saadaan kasveille aikaan säädettävää punaista, sinistä ja vihreää valoa. Tämän vuoksi ensimmäisen sukupolven LED-valoverhossa käytettiin RGB-LEDejä (Osram MULTILED LRTB G6TG). Kyseisen LEDin valkoinen valo on luotu yhdistämällä 470, 528 ja 625 nanometrin säteilyä (Os-ram Opto Semiconductors 2009a). Osramin RGB-LEDin säteilemän valon suhteellinen säteilyjakauma ja ihmissilmän spektriherkkyyskäyrä normaaliolosuhteissa on esitetty kuvassa 3.5.

Kuva 3.5. RGB-LEDin (Osram MULTILED LRTB G6TG) suhteellinen säteilyjakauma ja ihmissilmän spektriherkkyyskäyrä (Vλ) (Osram Opto Semiconductors 2009a).

3.3. LED-valoverhon rakenne

LED-valoverho on noin metrin korkuista tekstiilineulosta, johon on valmistusvaiheessa integroitu molemmille puolille viiteen riviin erityisesti valoverhoa varten suunniteltua, kasvien keinovalotukseen spesifioitua LED-nauhaa. Nauhat on integroitu neulokseen vaakatasoon. Verhomateriaalina käytetään polyvinyylikloridia (PVC), jonka pehmen-ninaineina on heikosti hajoavia, pitkäketjuisia ftaalihapon estereitä eli ftalaatteja. Tällai-sella materiaalivalinnalla varmistutaan siitä, ettei verhosta aiheudu kasveille terveydelli-siä haittoja. Neuloksen rakenne muistuttaa sipulisäkkiä. Silmäkoko on noin 5 x 10 mil-limetriä (kuva 3.6).

28

Kuva 3.6. Valoverhon neulos muistuttaa sipulisäkkiä. Silmäkoko on noin 5 x 10 millimetriä (Kivioja 2010a). Yksittäisen verhomoduulin pituudeksi on sähköteknisten mitoituslaskelmien ja taloudel-lisen rakenteen kompromissina määritetty 25 metriä. Verhomoduulin laskennallinen sähköinen ottoteho on noin 54 wattia per neliömetri ja tuotettu PAR-säteily molemmin puolin noin 25 µmol / s/ m eli yhteensä noin 50 µmol / s per verhometri. Tuotteen kehi-tysprosessin tässä vaiheessa LED-valoverhoon integroidaan ainoastaan LEDit ja niiden vaatima tekniikka. Tulevaisuudessa verhoon saatetaan integroida myös muuta valotuk-sen säätelyyn tarvittavaa tekniikkaa, kuten esimerkiksi varjostuspaneeleita.

Ensisijaisesti valoverhot tullaan asentamaan kasvirivien väliin (kuva 3.7), mutta joissain tapauksissa verhoja saatetaan asentaa myös penkkirivien välisille hoitokäytävil-le. Sen vuoksi, ja myös kasvihuoneen yleisten huoltotoimenpiteiden helpottamiseksi, valoverhon ripustusrakenne tullaan kehittämään sellaiseksi, että tarvittaessa verho on mahdollista nostaa tai rullata moottorein katonrajaan.

29

Kuva 3.7. LED-valoverho tullaan ripustamaan ensisijaisesti kasvirivien väliin. Toisen sukupolven LED-valoverhoa koekäytössä KKK-Vihannes Oy:n kasvihuoneella Honka-joella (Kivioja 2010a).

3.3.1. LED-nauhan rakenne ja LEDit

LED-valoverhon LEDit on asennettu polyvinyylikloridista (PVC) valmistetun läpinäky-vän nauhan sisään taipuisalle Flexi PCB -piirilevylle (kuva 3.8). Nauhamateriaalina käytetty taipuisa PVC-muovi on lääketeollisuuden hyväksymää - sen valmistuksessa ei ole käytetty pehmenninaineina ihmisille ja kasveille haitallisia lyhytketjuisia ftaalihapon estereitä, eli ftalaatteja. Optisten vaatimusten vuoksi nauhan pintaan on valettu uritus, joka toimii diffuusorina tasaten ja suunnaten valoa kasvien lehtiin. Erillisiä heijastimia ja linssejä ei edellä mainitun rakenteen vuoksi tarvita. Nauharakenne on suljettu sili-koniliimalla siten, että kotelointiluokka on IP 66.

Toisen sukupolven LED-valoverhon LEDit on valittu kasvin kasvun kannalta tär-keiden absorptioaallonpituuksien mukaan (luku 2.3.2), eli nauhaan on asennettu punai-sia (LR E6SF) ja sinisiä (LB E6SG) Osramin Power TOPLED-LEDejä. LEDien nimel-lisaallonpituudet ovat 625 nanometriä ja 460 nanometriä (Wilm 2009). Nauha toimii 48 voltin tasajännitteellä (VDC). Jännite on pienoisjännitettä, joten nauhaan voidaan sovel-taa pienjännitesähköasennusstandardin SFS 6000 pienoisjännitteisen valaistusjärjestel-män osaa SFS 6000-7-715. Tehonsyöttö nauhassa on toteutettu piirilevyn molemmilla sivuilla kulkevilla, halkaisijaltaan 1,2 millimetrin taipuisilla kuparijohtimilla (AGW 18). Johtimista teho siirretään piirilevylle juotetuilla välijohtimilla, joita on 72 senttimetrin

30

välein. Nauhan sisäisistä kytkentäryhmistä johtuen 72 senttimetriä on myös pituus, jon-ka välein nauhaa voidaan katkoa haluttuun mittaan.

Kuva 3.8. LED-nauhan poikkileikkaus (Amitytech 2009).

LEDit on asennettu nauhaan siten, että punaisia LEDejä on aina kaksi yhtä sinistä koh-den. Metrille on asennettu yhteensä 24 punaista LEDiä ja 12 sinistä LEDiä. Tällaisella sijoittelulla nauhan laskennalliseksi säteilymääräksi 30 senttimetrin etäisyydellä saadaan normaaliolosuhteissa viisi mikromoolia sekunnissa per metri, josta punaisen valon osuus on neljä ja sinisen yksi mikromooli sekunnissa. Puolittain asennettavalla viidellä nauhalla saavutetaan siis laskennallinen 25 µmol / s / m² säteilymäärä. Punaiset ja sini-set LEDit on kytketty säädettävyyden vuoksi omiin virtapiireihinsä. Punaisen LEDin normaali käyttöjännite on 2,05 VDC ja sinisen 3,4 VDC, jonka vuoksi nauhassa on sekä sarja- että rinnankytkettyjä ryhmiä. Nauhassa on myös etuvastuksia rajoittamassa kom-ponenttien jännitettä (kuva 3.9).

Kuva 3.9. LED-nauhan rakennekaavio, jossa on esitetty punaisten (DR) ja sinisten (DB) LEDien ja vastusten (R) sijoittelu (Amitytech 2009). LEDien käyttöiän takaamiseksi niiden käytönaikainen teho nauhassa on rajattu 80 pro-senttiin, jolloin nauhan laskennallinen metriteho on 5,4 wattia. Kokonaismetritehosta punaisen LED-linjan sähköteho on 3,4 wattia ja sinisen linjan 2 wattia, joka kerrottuna 25 metrin nauhalle tarkoittaa laskennallisesti 83,5 watin punaista linjaa ja 50 watin si-

31

nistä linjaa. Edellä esitettyä rakennetta käytettäessä 48 VDC syöttöjännitteellä ei ylitetä standardin ohjeistamaa viiden prosentin jännitteen alenemaa (SFS 6000-7-715 2007).

Kuva 3.10. Periaatekuva LED-nauhan liittimistä ja tehonsyötön kytkeytymisestä nauhaan (Amitytech 2009).

Tehonsyötöt teholähteeltä verhossa oleville LED-nauhoille toteutetaan eristetyillä kupa-rijohtimilla, jotka liitetään nauhoihin pistoliittimillä. Nauhaan syötetään tehoa ensisijai-sesti sen päästä, mutta nauhalle on myös suunniteltu T-haarasyöttöliitin, joka mahdollis-taa tehonsyötön nauhan väliltä. Liitoksien kiinnityksessä käytetään silikoniliimaa, jol-loin myös liitoskohdissa saavutetaan IP 66 -luokan kotelointi. Kuvassa 3.10 on esitetty nauhan tämän hetkiset liitinrakenteet.

3.3.2. Liitäntälaitteet, valoverhojärjestelmän sähköverkon rakenne ja ohjausjärjestelmä

LED-valoverhojen liitäntälaitteiksi suunnitellaan hakkuriteholähteet, joihin on integroi-tu säädettävyyden vuoksi kenttäväyläohjatut PWM-ohjausmodulit (kuva 3.11). Yhdellä liitäntälaitteella syötetään aina kahta 25 metrin LED-valoverhoa. Penkkirivien pituus on tyypillisesti noin 50 metriä, joten teholähteitä tarvitaan yksi jokaista penkkiväliä koh-den. LED-valoverhojen jännitteenaleneman minimoimiseksi teholähteet sijoitetaan ensi-sijaisesti kasvuston sekaan penkkirivien puoliväleihin, josta ne syöttävät eri suuntiin lähteviä valoverhoja. Syöttävä sähköverkko rakennetaan SFS 6000-standardin ohjeis-tuksia noudattaen. Yhden teholähteen nimellistehoksi on määritetty 3200 wattia, joka on noin 20 prosenttia yli normaalikuormituksen. Varakapasiteetti on määritetty, koska verhopituudet voivat vaihdella jonkin verran eri kasvihuoneissa. Teholähteet toteutetaan ensisijaisesti kolme-vaiheisina, jolloin vältytään kolmansien harmonisten yliaaltojen aiheuttamilta verkko-häiriöiltä. Teholähteiden kotelointiluokan on oltava kasvihuoneessa vähintään IP 44 (SFS 6000-7-705 2007).

32

Kuva 3.11. Periaatekuva LED-valoverhon verkkoliitännästä. LED-valoverhon säteilyjakaumaa ja säteilyn voimakkuutta halutaan ohjata nauhakohtai-sesti kasvin valontarpeen ja kasvihuoneen ulkopuolelta säteilevän valon suhteen. Tällai-nen ohjaus on tarpeen erityisesti kasvien ollessa taimivaiheessa. Säädettävyyden en-simmäisenä vaatimuksena on päästä manuaalisesti säätämään haluttuja suureita. Manu-aaliseen säätöön kehitetään parhaillaan tietokoneelle asennettavaa itsenäistä käyttöliit-tymäohjelmistoa. Tulevaisuudessa valoverhojen ohjaus tulee toimimaan automatiikan ohjaamana. Valoverhojärjestelmä tullaan yhdistämään jossain vaiheessa kasvihuoneen automaattisiin säätöjärjestelmiin, jotka sisältävät esimerkiksi vakiovalonsäätimiä ja vuo-rokausiohjauksia. Yleisimmät kiinteistöautomaatiojärjestelmät, joita kasvihuoneissa täl-lä hetkellä käytetään, ovat hollantilaisen kasvihuoneautomaatioyrityksen Privan toteut-tamia ratkaisuja, jonka vuoksi LED-valoverhojärjestelmän ja Privan välinen rajapinta on ensisijainen kehityskohde (Kivioja 2009b).

Valoverhojen säätölaitteina toimivat liitäntälaitteisiin integroidut PWM-modulit, joissa on oma ohjattava lähtö kaikille syötettäville nauhoille sekä niiden punaisille ja sinisille linjoille. Yhden teholähteen PWM-modulissa on täten 40 lähtöä. LED-valoverhojen käyttöliittymä asennetaan kasvihuoneen valvomokoneelle. Fyysiseksi yh-teydeksi valvomosta teholähteelle on suunniteltu PLC-tyyppistä (Powerline Com-munication) väyläyhteyttä, eli ohjaustietoa siirrettäisiin teholähteiden sähkönsyöttökaa-peleissa normaalin käyttöjännitteen yläpuolisilla taajuuskaistoilla. Tällöin vältyttäisiin ylimääräisiltä ohjausjärjestelmän kaapeloinneilta. Toinen suunniteltu ratkaisu on radio-ohjauksella toteutettu järjestelmä.

33

4. LED-VALOVERHO JA SUURPAINENATRIUMVÄLIVALAISIMET KASVIVALOTUKSESSA

Perinteinen suurpainenatriumvalaisimilla toteutettu välivalaistus ja LED-valoverhojärjestelmä poikkeavat toisistaan suuresti ja niillä molemmilla on omat vah-vuutensa ja heikkoutensa. Tässä luvussa käsitellään teoreettisella tasolla välivalotusta ja vertaillaan suurpainenatriumvälivalaistuksen ja LED-valoverhojärjestelmän ominai-suuksia.

4.1. Välivalotus ja välivalotuksen hyödyt

Perinteinen kasvihuoneiden keinovalotus on toteutettu kasveja yläpuolelta valottavilla suurpainenatriumvalaisimilla. Viimeisen kymmenen vuoden aikana Suomessa on kui-tenkin alettu kehittää kasvihuoneiden keinovalotusta täysin uudenlaiseen suuntaan - ny-kyään latvuston valotuksen sijaan tavoitteena on useimmiten saada luotua mahdolli-simman valoisat olot myös alemmas kasvustoon. Tähän pyritään pääsemään ensisijai-sesti asentamalla kasvirivien väliin niin sanottuja välivalaisimia, jolloin puhutaan väli-valotuksesta. (Murmann 2009a.) Välivalaisimien merkitys korostuu entisestään uudessa väli-istutusmenetelmässä, jossa vanhoja ja uusia kasvustoja kasvatetaan päällekkäin rii-putetuissa kouruissa (kuva 4.1).

Kuva 4.1. Kurkkujen välivalotusta väli-istutusmenetelmää hyödyntävässä kasvihuoneessa (Tahvonen 2009).

34

Tämän päivän kasvihuoneissa välivalaistuksen tyypillinen asennusteho on noin neljän-nes valaistuksen kokonaistehosta, mutta välivalon määrä valotuksen kokonaistehosta lisääntyy koko ajan. Välivalotusta käytetään yleisesti kurkun kasvatuksessa, mutta myös tomaatin ja paprikan välivalotuksesta on saatu positiivisia tuloksia. Välivalotuksen avul-la myös kasvuston alimmat osat yhteyttävät tehokkaasti ja lisäävät kokonaissadon mää-rää. Tutkimuksissa, joissa kurkkukasvuston kokonaisvalosta on pudotettu 25 prosenttia välivaloiksi, on sadon tuotto suhteutettuna kulutettuun sähköenergiaan ollut jopa 9 pro-senttia parempi kuin pelkällä ylävalotuksella valotetun kasvuston. Paprikalla välivalojen käyttö on lisännyt sähköenergian käytön tehokkuutta 23 prosenttia ja tomaatilla jopa 29 prosenttia. Välivalotus antaa hedelmille myös paremman värin, maun ja säilyvyyden ja lisää kokonaisuudessaan I-luokkaisten hedelmien määrää. (Näkkilä et al. 2006; Mur-mann 2009a; Tahvonen 2009.) Suurpainenatriumvalaisimilla ja suurpainenatriumväliva-lotuksella on kuitenkin myös heikkouksia, joita käsitellään seuraavien lukujen yhteydes-sä.

4.2. LEDien ja suurpainenatriumvalaisimien PAR-säteilyn määrä ja valon suuntaus välivalotuksessa

Suurpainenatriumvalaisimilla toteutetun välivalaistuksen teho on nykyisissä kasvihuo-neissa tyypillisesti kolmas- tai neljäsosa koko valaistuksen asennustehosta, eli 40 - 60 wattia per neliömetri (W / m2). Keskimäärin tämä tarkoittaisi noin 60 - 100 µmol / m² / s PAR-säteilyä. Valo kuitenkin jakautuu melko epätasaisesti ja säteilyn määrä riippuu voimakkaasti käytettyjen lamppujen tehosta ja asennusetäisyydestä. Kuvassa 4.2 on esi-tetty erään kohteen kasvustoon lankeavan PAR-säteilyn määrä välivalaisimien korkeu-delta, kun ylävalojen asennusteho on 190 W / m2 ja välivalojen 40 W / m2. Ilman heijas-tinta asennetuissa välivalaisimissa on valonlähteinä 400 watin suurpainenatriumlamput ja niitä on riviväleissä neljän metrin välein. Vertailuna on esitetty PAR-säteily kasvi-huoneessa, jossa on pelkästään 190 W / m2 ylävalot. (Murmann 2005a.)

Kuva 4.2 Kasvustoon välivalaisimien korkeudelta lankeavan PAR-säteilyn määrä, kun välivalaistusta on asennettu 40 W / m2 ja ylävalaistusta 190 W / m2. Välivalojen teho on 400 W / kpl. Vertailuarvona on esitetty pelkän 190 W / m2 ylävalon säteily. (Murmann 2005a).

35

Kuvasta voidaan havaita, että käytettäessä ilman heijastinta asennettuja 400 watin väli-valaisimia jakautuu valo riviväleissä epätasaisesti - toisissa paikoissa valoa on liian vä-hän ja toisissa jopa liikaa. Epätasainen lämmön ja valon jakaantuminen synnyttää kas-vustossa useita ongelmia. Käytännön viljelmillä on todettu heijastimilla varustamatto-mien lamppujen aiheuttavan kasvustoon esimerkiksi polttovioituksia, ja tutkimuksissa on havaittu myös välivalaisimien kohdalla kasvavien kasvien juuriston olevan heikom-massa kunnossa kuin muualla kasvustossa. Lisäksi epätasainen valo- ja lämpösäteily aiheuttaa epätasaisen vedentarpeen riveissä - välivalaisimia lähinnä olevat kasvuston osat lämpenevät liikaa ja valaisinten kohdalla kasvualustatkin saattavat lämmetä hieman enemmän kuin kohdissa joissa valaisimia ei ole. Käytännössä tämä lisää kasvin haihdu-tusta ja vedenkulutusta sekä muuttaa suhteellista ilmankosteutta kasvuston eri osissa. Välivalaisimien kohdalla alentunut ilmankosteus aiheuttaa esimerkiksi paprikalla lat-vamätää ja tomaatilla hedelmien lievää korkkiutumaa. Positiivista paljaan lampun pys-tyasennuksessa on kuitenkin se, että valoa säteilee suhteellisen vähän alas käytävälle ja ylös taivaalle. (Murmann 2005a; Näkkilä et al. 2006.)

Oikeanlaisilla heijastimilla ja pienempitehoisilla lampuilla välivalaistuksesta saa-daan huomattavasti tasaisempaa ja suuri osa edellä mainituista ongelmista lievenee. Ku-vassa 4.3 on esitetty yhden välivalaisimen mittaustulosten perusteella luotu teoreettinen kuvio valointensiteetistä kasvustossa, kun heijastimilla varustetut 250 watin väliva-laisimet on asennettu 150 senttimetrin välein (Murmann 2009a).

Kuva 4.3 Teoreettinen säteilykaavio valointensiteetistä kasvustossa, kun heijastimilla varustetut 250 W välivalaisimet on asennettu 150 senttimetrin välein (Murmann 2009a).

Kuvasta 4.3 voidaan kuitenkin havaita, että vaikka valaistuksen epätasaisuutta saadaan edellä mainituilla toimenpiteillä vähennettyä, ei siitä kuitenkaan päästä kokonaan eroon. Valaisimista kasvustoon lankeavan PAR-säteilyn määrä riippuu siis suuresti valaisimien asennusetäisyydestä ja asennusvälistä kasvustoon nähden. Jos oletetaan, että valaisimet asennetaan esimerkiksi 80 senttimetrin päähän kasveista, vaihtelee kasvustoon lankea-van PAR-säteilyn määrä noin 20 µmol/m²/s ja 100 µmol/m²/s välillä (Murmann 2005a).

Yhtenä ratkaisuna epätasaiselle suurpainenatriumvälivalotukselle on tarjottu liikutel-tavaa välivalotusta. Liikuteltavassa välivalotuksessa valaisimet on ripustettu kattoihin asennetuista hammastangoista, jotka liikkuvat koko ajan hitaasti edestakaisin. Liikutel-

36

tavaa välivalotusta on tutkittu Suomessa jonkin verran ja saadut viljelytulokset ovat ol-leet positiivisia, mutta tekniikka on kuitenkin melko monimutkaista. (Kauppapuutarha-liitto ry 2003; Soini 2006.)

Käytetään millaista suurpainenatriumvälivalaistusta tahansa, on selvää, että jonkin-lainen osa säteilystä menee aina kasvustoista ohi aiheuttaen häiriövaloa (luku 4.8.1). LED-valoverholla valotettaessa säteilyn jakautuminen on huomattavasti perinteisiä vä-livalaisimia tasaisempaa ja suuntaus tarkempaa. Lisäksi LED-valoverho ei juuri lähetä lämpösäteilyä, jolloin se voidaan asentaa - ja todellisuudessa asennetaankin - lähes kiin-ni kasveihin (kuva 4.4). Tämä vähentää entisestään häiriövalon määrää. LED-valoverholla ei myöskään tule ongelmia lämmön ja ilmankosteuden epätasaisesta jakau-tumisesta, joka on suurpainenatriumvälivalaisimien suurimpia haittapuolia.

Kuva 4.4 Koska LED-valoverho ei juurikaan lähetä lämpösäteilyä, voidaan se asentaa lähes kiinni kasveihin (Kivioja 2010a). Toisen sukupolven LED-valoverhon säteilymittauksista muodostettu säteilykaavio on esitetty kuvassa 4.5 (Tuominen & Murmann 2009). Säteilytason mittaukset on tehty kymmenen senttimetrin etäisyydeltä. Verhomoduulin koko on 90 x 65 senttimetriä.

Kuva 4.5 Toisen sukupolven LED-valoverhon lähettämän PAR-säteilyn määrä kymme-nen senttimetrin etäisyydeltä mitattuna (Tuominen & Murmann 2009).

37

Niin kuin kuvasta 4.5 voidaan havaita, toisen sukupolven LED-valoverhosta kasvustoon lankeavan PAR-säteilyn määrä on noin 20 - 40 µmol / m² / s, joka pitää melko hyvin paikkaansa myös laskennallisen säteilytehon kanssa (luku 3.3.1). Mittausten perusteella ensimmäisen kaupallisen valoverhon lähettämän säteilyn määrää kasvatettaan vielä noin 20 prosenttia muuttamalla hieman nauhan rakennetta, materiaalia ja säätämällä optiik-kaa. Kaupallisen LED-valoverhon kasvustoon lankeavan PAR-säteilyn määrän oletetaan nousevan siis noin 30 - 40 µmol / m² / s tasolle per puoli eli kaksipuolinen verho sätei-lee kasvustoon noin 60 - 80 µmol / m² / s. Verhomoduulin sähköinen ottoteho on noin 54 wattia metri. Suurpainenatriumvälivalaisimien asennusetäisyydestä riippuen LED-valoverhosta kasvustoon lankeavan PAR-säteilyn määrä on siis melko lähellä suur-painenatriumvälivalaisimien vastaavaa arvoa tai hieman alle sen. Jos verrataan valonlähteiden PAR-säteilyn hyötysuhteen eroja mikromooleina wattia kohti, on suurpainenatriumlampun hyötysuhde noin 1,65 - 1,8 mikromoolia per watti ja LED-valoverhon noin 1,3 mikromoolia per watti. Jotkin LED-valaisinten valmistajat väittävät tuotteidensa hyötysuhteen olevan jopa 2,0 mikromoolia per watti, mutta realis-tisesti uusimmalla tekniikalla varustetulla LED-valoverholla saatettaisiin päästä noin 1,55 mikromoolia per watti hyötysuhteeseen. (Jenkins 2010; Sleegers 2008). Tuotettaes-sa LED-valoverholla PAR-säteilyä on hyötysuhde siis heikompi kuin suurpainenatrium-lampuilla tuotetussa PAR-säteilyssä, mutta koska säteily kasvustoon on tasaisempaa ja lämpösäteilyn aiheuttamia haittavaikutuksia ei ole, saattaa LED-valoverho toimia sa-malla sähköisellä ottoteholla jopa suurpainenatriumlamppuja parempana välivalonläh-teenä. Paremman lopputuloksen saavuttaminen saattaa kuitenkin vaatia merkittäviä muutoksia esimerkiksi kasteluun, koska pienemmästä lämpösäteilystä johtuen kasvien haihdutus pienenee, ja kun muutetaan kastelua, joudutaan muuttamaan myös lannoitus-ta. Aikaisempaa pienemmällä haihdutuksella voi olla vaikutusta myös kasvualustan va-lintaan. Lisäksi kasvihuoneen lämmitysjärjestelmän ja ilmanvaihdon toiminta joudutaan LED-välivalaistukseen siirryttäessä säätämään uudelleen. (Jenkins 2010.)

4.3. LEDien ja suurpainenatriumvalaisimien säteilyn aallonpituus-alue ja vaikutukset kasvien välivalotuksessa

Luvussa 2.3.2 käsiteltiin kasvin yhteyttämistä ja todettiin, että fotosynteesiin osallistu-villa fotoreseptoreilla on kaikilla yksilölliset absorptio-ominaisuudet, jonka vuoksi kas-vin fotosynteettinen järjestelmä pystyy vastaanottamaan valoenergiaa koko PAR-alueelta (400 - 700 nanometriä). Tärkeimpien yhteyttämiseen osallistuvien fotoresepto-rien - klorofyllien ja karotenoidien - herkimmät absorptioalueet ovat kuitenkin PAR-alueen päissä, sinisen ja punaisen valon alueilla. Siksi kasvien kasvatukseen käytettävän lisävalon tulisi sisältää mahdollisimman paljon punaista ja sinistä valoa, mahdollisim-man vähän vihreätä eikä mielellään lainkaan fotosynteesille arvotonta infrapunaista sä-teilyä. (Pankakoski 2003.) Suhteelliset kuvaajat kasvivalotukseen suunnitellun suur-painenatriumlampun ja LED-valoverhon säteilyjakaumista on esitetty kuvassa 4.6.

38

Kuva 4.6. Toisen sukupolven LED-valoverhon (LED) ja kasvien kasvatukseen tarkoitetun suurpainenatriumlampun (SPN) suhteelliset säteilyjakaumat. Kuvasta voidaan havaita, että suurpainenatriumlampun lähettämän säteilyn aallonpi-tuusalue on melko laaja, mutta se on jakautunut lähinnä keltaisen, oranssin ja punaisen valon alueelle jatkuen infrapuna-alueelle. Koska kyseinen suurpainenatriumlamppu on tarkoitettu kasvien valotukseen, on sen säteilyaluetta jatkettu kuitenkin jonkin verran myös siniseen valoon päin. Suurpainenatriumin tekniikasta johtuen kasville täysin op-timaalista punaisen ja sinisen valon spektriä ei kuitenkaan pystytä muodostamaan.

Suurin osa perinteisen keinovalotuksen energiasta muuttuu heti infrapunasäteilyksi ja erilaisiksi häviöiksi, joiden voidaan olettaa muuttuvan kokonaan lämmöksi. Lisäksi 70 prosenttia näkyvästä säteilystä muuttuu kasveissa lämpöenergiaksi. Kun nämä tekijät lasketaan yhteen, saadaan tulokseksi että perinteisessä kasvihuonevalaistuksessa jopa 93 prosenttia käytettyjen keinovalonlähteiden ottotehosta muuttuu suoraan tai välillisesti lämpöenergiaksi. Esimerkiksi kasvivalotukseen tarkoitetun General Electricsin Lucalox suurpainenatriumlampun 1000 watin sähkötehosta kasvi pystyy hyödyntämään suoraan vain noin 124 wattia. (Annala 1992 & Österman 2001, Äystö & Rahtola 2004 mukaan; LEDtronics, Inc 2007.)

LED-valaistuksella oikeanlaisen säteilyjakauman muodostaminen on kohtuullisen helppoa, jos vain halutut aallonpituudet ja punaisen ja sinisen valon suhde tiedetään. Tällä hetkellä suurimman ongelman LED-kasvuvalaistuksen kehittämisessä aiheuttaakin vielä tutkimustiedon puutteellisuus monien kasvilajien kohdalla - eri kasvit hyödyntävät sinisen ja punaisen valon aallonpituuksia eri tavalla ja optimaalisen tuloksen saavutta-miseksi valon säteilyjakauman tulisi olla juuri oikea. Energiamielessä pelkän punaisen valon käyttäminen yhteyttämisvalona olisi järkevintä, mutta sinistä valoa tarvitaan yh-teyttämisessä aina klorofyllien synnyttämiseen ja pitkäaaltoisen säteilyn aiheuttaman kasvin liikakasvun eli venymisen vastavaikuttajaksi. Punaisessa valossa kasvit alkavat siis äkkiä kellastua klorofyllien vähenemisen vuoksi, jolloin vähintäänkin vihannesten

39

ulkoinen laatu kärsii. Liika sininenkään valo ei kuitenkaan ole kasveille hyväksi, sillä sinisen valon on ainakin LED-välivalotuksessa todettu madaltavan kasvustoja ja kihar-tavan lehtiä hävittäen aktiivista valotuspintaa. (Trouwborst et al. 2009). Optimaalinen sinisen ja punaisen valon suhde vaihtelee eri kasvilajien välillä, mutta kurkusta ja to-maatista tehtyjen tutkimusten ja vallitsevan nykykäsityksen perusteella LED-valoverhossa on päädytty käyttämään sinisen valon (470 nanometriä) ja punaisen valon (625 nanometeriä) LEDejä suhteessa 20 prosenttia sinistä ja 80 prosenttia punaista. Va-littujen LEDien aallonpituus on sinisen valon osalta halutunlainen, mutta punaisen kanssa on tehty kompromissi aallonpituuden, teknisen toteutuksen ja nauhakustannusten välillä. Luvussa 2.3.2 todettiin, että klorofyllit absorboivat pitkäaaltoisessa päässä par-haiten 660 nanometrin valoa, mutta nauhaan ei vielä nykyisellä tekniikalla saatu tällaisia LEDejä järkevästi integroitua. Valittavista mahdollisista vaihtoehdoista 625 nanomet-rinm aallonpituudella säteilevä LED oli lähimpänä haluttua aallonpituutta, ja lisäksi hy-vin lähellä klorofylli B:n herkintä absorptiopistettä.

Edellä on käsitelty ainoastaan kasvun kannalta tärkeää yhteyttämisvaloa, mutta valo-tuksessa käytettävän valon säteilyjakauma vaikuttaa myös kasvin ajalliseen käyttäyty-miseen, tuotteiden sisäiseen ja ulkoiseen laatuun ja kasvustossa käytetyn biologisen tor-junnan eliöihin (Murmann 2010). Siksi LED-valoverhosta on kehitetty tutkimushank-keita varten myös kaksi muuta mallia, joista toisessa on sinisiä (470 nanometriä), hela-kanpunaisia (660 nanometriä) ja kaukopunaisia (735 nanometriäm) LEDejä ja toisessa vihreitä (523 nanometriä) LEDejä. Ensin mainitulla LED-valoverholla on tarkoitus tut-kia, miten keinovalotuksella voidaan vaikuttaa eräiden kasvilajikkeiden talvilevon kes-toon ja kukintavirittymiseen. Teoreettinen säteilyjakauma tästä valoverhosta on esitetty kuvassa 4.7. Jälkimmäisellä LED-valoverholla tullaan tutkimaan vihreän valon vaiku-tusta kasvien taudinsietokykyyn ja tuholaisiin. Vihreällä valolla on jo tehdyissä tutki-muksissa todettu olevan edellä mainittuja vaikutuksia (Kudo et al. 2009).

Kuva 4.7. Tutkimustarkoituksiin kehitetyn sinisen (470 nm), helakan punaisen (660 nm) ja kaukopunaisen (735 nm) aallonpituuksilla säteilevän LED-valoverhon teoreettinen säteilyjakauma.

40

Varsinaisen kasvien kasvatukseen tarkoitetun LED-valoverhon säteilyjakaumaa vastaa-villa LED-välivaloilla (20 prosenttia sinistä ja 80 prosenttia punaista valoa) on tehty kurkun (Cucumis Sativus) valotustutkimuksia muun muassa Wageningenin yliopistossa Hollannissa. Tutkimuksissa osa kattoon asennetuista suurpainenatriumvalaisimista on korvattu LED-välivaloilla siten, että kasvustoon lankeavan PAR-säteilyn määrä on mo-lemmilla valotustilanteilla pysynyt yhtä suurena. Tutkimuksissa on havaittu LED-välivaloilla lisävalotettujen kurkkukasvustojen jääneen matalammiksi ja harvalehti-semmiksi kuin pelkillä ylävaloilla valotettujen. Kasvuston lehdet ovat LED-välivalossa alkaneet myös kihartua, joka on heikentänyt kokonaisuudessaan kasvuston hyödyntä-män valon määrää. Samalla lehtien fotosynteesiominaisuudet ovat kuitenkin parantuneet ja lehtien biomassa kasvanut verrattuna pelkästään ylävalotettuihin kasvustoihin. Yhte-nä syynä edellä mainittuun käyttäytymiseen on pidetty ylävalon liian pientä suhteellista määrää (ylävaloa 62 prosenttia ja välivaloa 38 prosenttia), jolloin kasvit ovat alkaneet suuntautua kohti sivuilta tulevaa sinistä valoa. Siksi onkin tärkeää, ettei ylävalon määrää LED-valoverhoa käytettäessä pudoteta liian alhaiseksi. Wageningenin yliopistossa teh-dyissä tutkimuksissa todettiin lopputuloksena, että - kurkkujen erilaisesta käyttäytymi-sestä huolimatta - molemmissa valotustilanteissa biomassan määrä ja hedelmien tuotan-to oli lähes yhtä suuri. (Trouwborst et al. 2009.) Norjassa tehdyissä tutkimuksissa on havaittu punaisten (70 prosenttia) ja sinisten (30 prosenttia) LED-välivalojen loisteessa kasvaneiden kurkkujen olleen vihreämpiä ja terveemmän näköisiä kuin pelkässä suur-painenatriumylävalossa kasvaneiden. Lisäksi niiden sokeri- ja C-vitamiinipitoisuus on ollut korkeampi ja säilyvyys parempi kuin pelkällä ylävalolla kasvatettujen vihannesten. Pelkillä sinisillä LEDeillä välivalotettaessa C-vitamiinipitoisuus on ollut jopa kaksin-kertainen verrattuna pelkällä ylävalolla valotettuun kasvustoon, mutta samalla on myös näissä tutkimuksissa alettu havaita lehtien kihartumista, joka saattaa johtua liian voi-makkaan sinisen säteilyn aiheuttamasta stressistä. Tutkija Sissel Toren mielestä pelkkää sinistä valoa käytettäessä 80 - 100 µmol / m² / s on liikaa kurkulle. Kokonaisuudessaan ylävalojen ja välivalojen suhde on ollut Norjassa tehdyissä tutkimuksissa hieman pie-nempi kuin Hollannin tutkimuksissa, eli 65 prosenttia ylävaloa ja 35 prosenttia väliva-loa. (Murmann 2010.)

4.4. LEDien ja suurpainenatriumlamppujen käyttöikä ja valovirran alenema ajan kuluessa

Kasvihuoneiden valotuksen käyttömäärät vaihtelevat maittain melko paljon, mutta esi-merkiksi Suomessa normaali vuosittainen valotusaika on kurkulla jopa 6000 tuntia ja tomaatilla 3000 tuntia (Kivioja 2009c). Suurpainenatriumlampun käyttöikä on maksi-missaan noin 32 000 tuntia, mutta lampun prosentuaalinen elinkaari alkaa laskea jo 6000 polttotunnin kohdalla. Lisäksi suurpainenatriumlampun lähettämä valovirta alkaa alentua välittömästi, kun lamppu otetaan käyttöön. Suurpainenatriumlampun elinikä kasvihuoneessa on noin 8 000 tuntia (Annala 1992, Äystö & Rahtola 2004 mukaan). Tasaisen ja riittävän valotehon saavuttamiseksi kasvihuoneiden lamput vaihdetaankin

41

yleensä kahden vuoden välein. Asennuksen valontuotto on silloin noin 90 prosenttia al-kuperäisestä, ellei likaantumista huomioida (kuva 4.8). (Philips 2009; Luopajärvi 2009).

Kuva 4.8. Philipsin MASTER Agro suurpainenatriumlampuilla toteutetun valaistuksen valontuotto suhteessa polttotunteihin (Philips 2009) LED-valoverholle suunniteltu käyttöikä on kymmenen vuotta, joka tarkoittaa valotetta-vasta kasvustosta riippuen noin 30 000 - 60 000 käyttötuntia. Pintaliitosledien elinikä on tällä hetkellä 30 000 - 50 000 tuntia, joka tarkoittaa, että valovirrasta on jäljellä 50 pro-senttia tai 70 prosenttia (Niskanen & Savela 2008). Pintaliitosledeillä valon intensiteetti ei oikeissa olosuhteissa putoa ensimmäiseen 15 000 käyttötuntiin ja esimerkiksi verhos-sakin käytetyt Osramin LEDit ovat tutkimuksissa säilyttäneet alkuperäisen valovirran tuottonsa vielä 25 000 tunnin käyttökokeissa (kuva 4.9). (Schubert 2003; Osram Opto Semiconductors 2009b.)

Kuva 4.9. Osramin Golden Dragon LEDin prosentuaalinen valovirran tuotto suhteessa käyttötunteihin (Osram Opto Semiconductors 2009b). LEDeillä päästään siis jo nykyisellä tekniikalla huomattavasti pidempään valonlähteen käyttöikään kuin suurpainenatriumlampuilla, kunhan on huolehdittu siitä, että olosuhteet - erityisesti ympäristön lämpötila - ovat suunnitelluille LEDeille oikeanlaiset. Tämän lisäksi LED-valonlähteen rakenne ja asennus on suunniteltava siten, että lämpö pääsee johtumaan pois valonlähteestä. Nykyisellään LED-valoverhon rakenne on sellainen, että LEDien kehittämä lämpö saadaan kasvihuoneolosuhteissa johdettua tehokkaasti pois sekä puolijohdesirusta että nauhasta. Jos nauhatehoa tulevaisuudessa lisätään, on raken-ne ja jäähdytys mietittävä uudelleen.

42

4.5. Valaistuksen ohjaus valotustarpeen mukaan

Moderneissa kasvihuoneissa keinovaloa käytetään luonnonvalon lisäksi vain sen verran, että kasvien vuorokaudessa tarvitsema säteilysumma saavutetaan. Tällaisilla säädetyillä ratkaisuilla saavutetaan jopa 20 prosentin sähköenergiansäästö verrattuna perinteisiin, aikaohjattuihin valotusratkaisuihin (Kivioja 2010b; Andersson et al. 1999 & Rystedt 1999, Äystö & Rahtola 2004 mukaan.) Käytössä olevan tekniikan vuoksi säädetyissä ratkaisuissa valaisimia joudutaan monesti ohjaamaan vuorokaudessa useita kertoja pääl-le ja pois, vaikka jonkin verran on kokeiltu myös himmennettäviä suurpainenatriumva-laisimia (Kivioja 2010b). Säädön vaatima tekniikka on kuitenkin vielä kallista ja vaatii myös erilaiset lamput, joten nykyisissä säätöratkaisuissa valaisin yleensä siis joko palaa tai on sammuksissa. Koska ylimääräiset sytytykset kuluttavat aina valaisimia ja lamppu-ja lyhentäen niiden elinikää, ei tämä ratkaisu ole taloudellisesti paras mahdollinen.

Koska LEDien lähettämän säteilyn määrää on helppo säätää lineaarisesti syöttövir-ran tehollisarvoa muuttamalla, voidaan LED-valoverhoa käyttää vaikka läpi vuorokau-den. Säteilytason mittauksesta saatava valotustason ohjearvo voidaan syöttää LED-valoverhon ohjattaviin teholähteisiin automaatioväylän kautta. LED-valoverhon helppo ohjattavuus ja mahdollisuus säätää valoverhon sisäistä säteilyjakaumaa antaa tulevai-suudessa mahdollisuuden vaikuttaa myös kasvin valorytmiin, eli vuosi- ja vuorokausi-periodiseen käyttäytymiseen. Lisäksi mahdollisuus sytyttää LEDiä ilman sen kulumista mahdollistaa valon pulssittaisen ohjauksen, jolla voidaan säästää energiaa. Suomalainen tutkimus pulssituksen vaikutuksista kasvuun valmistuu syksyllä 2010. (Timonen 2010.)

4.6. Valaistuksen sijoitus, huolto ja käytönaikainen ylläpito

Suurpainenatriumvälivalaisimet sijoitetaan yleensä hoitokäytäville kiinteistä rakenteista roikkumaan. Tämä vaikeuttaa kulkemisen järjestämistä riviväleissä, joka edelleen aihe-uttaa ongelmia kasvuston päivittäisen hoidolle, sadonkorjuulle ja valaistuksen huollolle (Murmann 2005a). LED-valoverhon kanssa tällaisiin ongelmiin ei törmätä, koska se tul-laan asentamaan paririvien väleihin omiin nostolaitteisiin. Hoitokäytävät jäävät siis rau-haan ja kulkeminen on esteetöntä (kuva 4.10). Nostolaitteistolla LED-valoverho voi-daan vielä nostaa esimerkiksi kasvualustojen vaihdon ajaksi pois henkilökunnan tieltä.

Kuva 4.10. Suurpainenatriumvälivalaisimet asennetaan yleensä hoitokäytäville, kun taas LED-väliverho asennetaan paririvin väliin (Aðalsteinsson 2004; Kivioja 2010a).

43

Eräs suuri käytönaikainen ongelma suurpainenatriumvälivalaistuksen kohdalla on va-laisinten herkkä likaantuminen ja hankala puhdistettavuus. Välivalaisimet likaantuvat esimerkiksi kasvinsuojeluruiskutuksen takia. (Murmann 2005a.) LED-valoverhon ja sen liitäntöjen kotelointiluokaksi on suunniteltu juuri puhdistusta ajatellen IP66 (suojattu voimakkaalta vesisuihkulta), jolloin valoverho voidaan helposti puhdistaa esimerkiksi painepesurilla ja kasvihuoneympäristöön sopivilla pesuaineilla, kuten mäntysuovalla (Kallioharju 2007). Teholähteiden kotelointiluokka on vähintään IP44 (roiskevesitiivis), joka on kotelointivaatimus kasvihuoneeseen sijoitetuille sähkölaitteille. Siksi myös te-holähteiden puhdistus voidaan suorittaa suihkuttamalla, mutta varsinaista painepesua ei voida käyttää.

Suurpainenatriumvälivalaisimet tarvitsevat elinikänsä aikana myös muutakin huol-toa kuin pelkkää puhdistusta. Välivalaisimiin joudutaan vaihtamaan esimerkiksi kon-densaattoreita, lampunkantoja ja sytyttimiä. Kondensaattoreita joudutaan vaihtamaan heikentyneen kompensointitehon tai rikkoutumisen vuoksi yleensä 5 - 10 vuoden välein. Myös sytyttimien kestoikä on tyypillisesti 5 - 10 vuotta. Komponenttien vaihdon työ-kustannus nousee kasvihuoneessa yleensä merkittäväksi. (Luopajärvi 2009.) Mikäli vä-livalaisimissa on käytetty heijastimia, joudutaan myös niitä vaihtamaan. Heijastimet vaihdetaan tyypillisesti joka toisen lampunvaihtokerran yhteydessä pinttyneen lian vuoksi. Ellei heijastimia vaihdeta, on heijastimen likaisuudesta johtuva valaistustason alenema noin 30 prosenttia vuodessa (Annala 1992, Äystö & Rahtola 2004 mukaan).

LED-valoverhon on tarkoitus olla huoltovapaa kymmenen vuoden käyttöperiodilla, mutta jos yksittäiseen valoverhomoduuliin tulee vikaa, se voidaan pikaliitinrakenteen ansiosta vaihtaa helposti uuteen. Yksittäisiä nauhoja ei nykyiseen LED-valoverhoon kuitenkaan voida vielä uusia. Valoverhon nauhamateriaali on likaa hylkivää, eikä se sumene ajan myötä, joten materiaaleista johtuvaa valotehokkuuden alenemista ei pitäisi nauhassa esiintyä. LED-valoverhoja syöttävien teholähteiden vikaantumisväli on val-mistajan mukaan 300 000 käyttötuntia, joten myös ne ovat kymmenen vuoden käyttöpe-riodilla huoltovapaita, mikäli kotelointi ja ilmanvaihto saadaan kehitettyä riittävän hy-väksi (Kaasalainen 2009). Liittimien kestosta ei pystytä vielä varmaksi sanomaan mi-tään, eli niiden kestävyydestä saadaan tietoa vasta ajan myötä.

4.7. Kasvihuoneen valaistuksen energiankulutus, lämmöntuotto ja sähkön hintakehitys

Yksi LED-valoverhon tavoitelluimmista ominaisuuksista - kasvuston laadun parantami-sen lisäksi - on energiansäästö. Esimerkiksi moderni kurkkutuotanto tarvitsee energiaa noin seitsemän kilowattituntia kurkkukiloa kohti ja suurin osa tästä energiasta kuluu va-lotukseen (Tahvonen 2009). Juuri lisääntyneen keinovalotuksen vuoksi kasvihuoneiden sähköenergian kulutus on kasvanut Suomessa rajusti viimeisen 20 vuoden aikana. Tut-kimusten mukaan vuonna 1991 Suomen kasvihuoneet kuluttivat sähköenergiaa 52 300 megawattituntia (MWh), kun taas vuonna 2006 kulutus oli jo noin 444 000 MWh ja 2008 476 000 MWh (Maa- ja metsätalousministeriö 2003, Äystö & Rahtola

44

2004 mukaan; Tike, puutarhayritysrekisteri 2009). Esimerkkinä kasvihuoneen sähkön-kulutuksesta voidaan ottaa KKK-Vihannes Oy:n Honkajoella sijaitseva kasvihuone, jonka koko on 1,85 hehtaaria. Kasvihuoneessa viljellään tomaattia ja valotusteho on noin 180 wattia per neliömetri. Tällaisella valotusteholla kasvihuoneen valaistus kulut-taa vuodessa noin 7500 megawattituntia sähköenergiaa. Näin suurella sähköenergianku-lutuksella on ymmärrettävää, että jo pienillä prosentuaalisilla säästöillä saavutettaisiin vuodessa suuria taloudellisia ja ympäristöllisiä hyötyjä. Samalla kun sähköenergiankulutus kasvihuoneissa lisääntyy, nousee myös sähkö-energian hinta. Tällä hetkellä kasvihuoneiden sähköenergian ja sähkönsiirron hinta pyö-rii noin 70 eurossa megawattitunnilta (Kivioja 2009c). Suomessa suhteellinen sähkö-energian hinnannousu määritettynä Nord Pool ASA:n Elspot aluehintatilastoista on noin 20 prosenttia vuosi (kuva 4.11) (Nord Pool ASA 2010).

Kuva 4.11. Nord Pool ASA:n tilastojen perusteella muodostettu kuvaaja Suomen sähkö-energian aluehinnan suhteellisesta kehityksestä aikavälillä 01/2001- 03/2010. Keskimääräinen siirtohinnan hinnannousu keskisuurelle teollisuudelle (T4) Energia-markkinaviraston tilastojen perusteella on noin prosentti vuodessa (kuva 4.12) (Ener-giamarkkinavirasto 2010). Tulevaisuuden sähköenergian ja siirron hintakehitystä on vaikea lähteä tarkasti arvioimaan, mutta havaittavissa on, että hinta nousee tasaisen varmasti. Hinnan nousua saattaa kuitenkin tulevaisuudessa hillitä esimerkiksi energia-poliittiset ratkaisut ja sähköenergian kuluttajarakenteiden muutokset. Tämän diplomi-työn kustannuslaskelmia (luku 6) varten arvioitiin näiden kuvaajien perusteella abso-luuttisen sähköenergian ja siirron hinnan nousevan yhteensä noin kymmenen prosenttia vuodessa.

45

Kuva 4.12. Energiamarkkinaviraston tilastojen perusteella muodostettu kuvaaja Suomen keskisuuren teollisuuden (T4) sähköenergian siirto- hinnan suhteellisesta kehityksestä 01/1998- 03/2010. Japanissa LEDeillä on saavutettu jopa 60 prosentin energiansäästöjä verrattuna perintei-sin menetelmin valotettuihin kasvihuoneisiin, mutta myös Euroopassa vihanneksia ja leikkokukkia on kasvatettu LEDien loisteessa siten, että energiansäästöä on syntynyt. (Leino 2005; Sleegers 2008) Eräällä Eurooppalaisella gerberaviljelmällä on 80 prosent-tia pienemmällä sähköteholla saatu jopa 25 prosentin tuotannonlisäys verrattuna perin-teisesti valotettuun kasvustoon. Myös tomaattia on valotettu 20 - 40 prosenttia perinteis-tä valotusta pienemmillä sähkötehoilla hyvin tuloksin. Yhtenä ongelmana kokeissa on kuitenkin ollut luonnonvalon pääsyn estyminen kasvustoon - tiheään asennetut LED-ylävalot ovat varjostaneet kasvustoja liikaa. Joillain viljelmillä on myös todettu, että va-lo on riittänyt kasvien kasvatukseen, mutta LEDien määrää on haluttu silti jatkossa kas-vattaa. (Sleegers 2008). Edellä mainituista ylävalokokeista on kuitenkin jo muutamia vuosia aikaa ja koska LEDien yksikköteho ja hyötysuhde kasvavat koko ajan (luku 3.1.3), voidaan todeta, että LED-valaistuksella on runsaasti potentiaalia nousta jo lähitu-levaisuudessa energiatehokkaimmaksi kasvien välivalotusratkaisuksi.

Kasvihuoneiden valotuksesta puhuttaessa mainitaan usein, että suurpainenatriumva-laistuksen hukkalämmöllä, tai siis hukkaenergialla, lämmitetään nykyisiä kasvihuoneita merkittäviä määriä. Tämä on Suomessa totta ainakin talvisaikaan, mutta kesäisin va-laisimista tulee usein jopa liikaa lämpöä, jolloin kasvihuonetta joudutaan jäähdyttämään esimerkiksi avaamalla tuuletusaukkoja. Jos kasvihuonetta joudutaan tuulettamaan, pää-see mahdollisesti yhteyttämisen tehostamiseksi ilmaan lisätty hiilidioksidi karkaamaan ja kasvien kasvulle luodut optimaaliset olosuhteet heikkenevät. Juuri edellä mainitusta syystä kasvihuoneista saadaan usein jopa parempi sato talvisaikaan kuin kesällä (Tah-vonen 2009; Näkkilä et al. 2006). LED-valoverho saattaisi tarjota osaltaan ratkaisun myös tähän perinteisen järjestelmän aiheuttamaan liikaan lämpöön. LED-valoverhon lämpöenergiantuotto tulee jo nykyisellään olemaan kasvihuoneisiin suunnitelluilla valo-

46

tustehoilla pienempää kuin suurpainenatriumvälivalaisimien, jolloin kesällä lämpö saa-taisiin mahdollisesti pidettyä kurissa ilman tuuletusluukkujen avaamista.

Valaisimien vähentynyt lämmöntuotto saattaisi vaikuttaa myös siihen, että kasvi-huoneiden lämmitysenergiaa jouduttaisiin tuottamaan varsinaisilla lämmitysjärjestelmil-lä enemmän. Tämä uudenlainen lämpö- ja sähköenergian suhde mahdollistaisi kuitenkin sen, että kasvihuoneet voisivat halutessaan alkaa tuottaa kuluttamansa lämpö- ja sähkö-energian itse. Tällä hetkellä kauppapuutarhoilla on nimittäin turha tuottaa omaa sähkö-energiaa, koska sähköntuotannosta vain neljäsosa saadaan sähköenergiana ja loput on lämpöä. Lämpöenergiaa tulee siis suhteessa niin paljon liikaa, ettei hukkalämmölle normaalitilanteessa löydy järkevää käyttöä. (VTT 1999, Äystö & Rahtola 2004 mu-kaan.) Jatkossa tämäkin voisi kuitenkin olla toisin. Paikallisella energiantuotannolla väl-tyttäisiin myös turhalta energiansiirrolta niin lämmön kuin sähkönkin osalta. Sähkön tuotantoon liittyen pitää myös huomata se, että LED-valaistus ei rasita verkkoa induktii-visella loisteholla toisin kuin suurpainenatriumvalaistus.

4.8. Muut ympäristövaikutukset

4.8.1. LEDien ja suurpainenatriumvalaistuksen aiheuttama häiriöva-lo ja häikäisy

Häiriövalolla tarkoitetaan kasvihuoneympäristöissä sitä valoa, joka valotuksesta karkaa kasvihuoneen ulkopuolelle ja häiritsee näin muuta lähiseudun elämää ja asutusta (luku 2.1.2). Suuri osa kasvihuoneen ulkopuolelle säteilevästä valosta syntyy ylävaloista, mut-ta myös välivalaisimet synnyttävät aina - mallista riippuen - jonkin verran häiriövaloa.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että kasvuston alaosan valaisuun käytetystä paljaasta pystysuorasta lampusta säteily kohdistuu tehokkaasti kasviriviin ja sitä hukkaantuu var-sin vähän ylös taivaalle ja alas käytäville, kun taas heijastimellisen valaisinmallin sätei-lyn suuntautuminen riippuu täysin heijastimesta ja valaisimen asennosta. (Murmann 2005a.) Kuvassa 4.13 on esitetty erään Kauppapuutarhaliiton tutkimuksissa käytetyn heijastimella varustetun suurpainenatriumvälivalaisimen säteilykuvio, josta nähdään, että valoa säteilee heijastimesta huolimatta myös jonkin verran ylös- ja alaspäin.

Kuva 4.13. Lisäheijastimella varustetun SCH-rivivälivalaisimen säteilemä valokuvio kolmiulotteisena (Murmann 2005a).

47

Jos käsitellään kasvihuonetta kokonaisuutena, on nykyisten valaistusratkaisujen kohdal-la häiriövalon vähentämiseksi muutamia keinoja. Edullisin ratkaisu vähentää häiritsevää valoa on kallistaa kasvihuoneen reunimmaisia ylävalaisinrivejä kasvihuoneen keskiosaa kohti. Tällä voidaan rajoittaa hajasäteilyä ainakin jonkin verran. Toinen, yleisesti Suo-messa käytössä oleva keino on käyttää verhoja, jotka voidaan levittää kasvuvalotuksen ajaksi kasvihuoneen kattoon ja näin estää säteilyn pääseminen kasvihuoneen ulkopuo-lelle. Verhojen ongelmana on vielä nykyäänkin kuitenkin se, että ne saattavat nostaa niiden alapuolella olevan kasvuston lämpötilan ja kosteuden liian suureksi. Kolmantena vaihtoehtona on kiinnittää valoa läpäisemätön muovi sille seinäosuudelle, jonka läpi valon säteilyä halutaan vähentää. (Schetelig 2003 & Ludvig Svensson 2003, Äystö & Rahtola 2004 mukaan)

LED-valoverho tulee jo nykyisellään varmasti vähentämään häiriövalon määrää. Kasvuston sekaan sijoitetun LED-valoverhon läheltä valaisevat, tarkasti kasveille suun-natut LEDit eivät juuri säteile valoa kasvuston ohi. Koska LED-valoverho säteilee pu-naista ja sinistä, ei sen valo myöskään ole niin häiritsevää ihmissilmälle kuin suur-painenatriumlampun keltainen ja oranssi valo.

Toinen huomioitava seikka valon vaikutuksista kasvihuoneympäristössä on valaisi-men aiheuttama häikäisy. Työterveysmääräyksissä on annettu ohjeistuksia työtilojen valaistuksen minimimääristä, mutta liian voimakkaasta valosta ei ole mainintoja (Äystö & Rahtola 2004). Standardi SFS-EN 12464 antaa kuitenkin ohjeet häikäisyn rajoituk-sesta, joka saattaa tulla eteen LED-valoverhon kohdalla. LEDien luminanssi eli pinta-kirkkaus (cd / m²) on valonlähteen pienen koon vuoksi tyypillisesti huomattavasti suur-painenatriumlamppua korkeampi ja se saattaa häiritä työskentelyä. LEDien pintakirkka-us voi Philips Lumiledsin mukaan nousta aina 38 megakandelaan per neliömetri suur-painenatriumlamppujen luminenssin jäädessä noin kuuteen megakandelaan neliömetrillä (LEDs Magazine 2006; Williamson & Cummins 1983). Koska valoverhoa ei tarvita luomaan työskentelyn kannalta riittäviä valaistusolosuhteita, voidaan häikäisyongelma kuitenkin välttää sammuttamalla valoverho sadonkorjuun ja muun työskentelyn ajaksi.

4.8.2 Materiaalien kierrätettävyys

Suurpainenatriumlamput ovat tavanomaisimpia kasvihuonetuotannosta syntyviä ongel-majätteitä (Heinonen 2000, Äystö & Rahtola 2004 mukaan). Keskimäärin kahden vuo-den välein vaihdettavista lampuista tuleekin merkittävä määrä ongelmajätettä valaistus-järjestelmän elinkaaren aikana. Toisin kuin lamput, suurpainenatriumvalaisimet ja hei-jastimet ovat kuitenkin kohtuullisen helposti kierrätettävissä.

LED on valonlähteenä sellainen, ettei se sisällä lainkaan ongelmajätettä ja on siksi helposti kierrätettävä (Halonen 2003). LED-valoverhon ja syöttölaitteiden materiaalit ovat muutenkin sellaisia, etteivät ne sisällä terveydelle haitallisia aineita ja ovat sen vuoksi yksinkertaisesti kierrätettävissä tuotteen elinkaaren päättyessä.

48

4.9 Yhteenveto teoreettisesta vertailusta LED valoverhon ja suur-painenatriumvälivalaistuksen välillä

Teoreettisesti LEDin tuottaman PAR-säteilyn mikromoolia per watti määrä ei ole vielä aivan yhtä hyvä kuin suurpainenatriumlampun, mutta se kehittyy nopeasti. LED-valoverhon synnyttämä tasainen säteilymäärä, kasvun kannalta oikeanlainen säteilyja-kauma ja lämpösäteilyn puuttumisen mahdollistama lyhyt asennusetäisyys kasveihin aiheuttavat kuitenkin sen, että LED-valoverho saattaa jo nyt olla oikeanlaisissa olosuh-teissa laadukkaampi ja tehokkaampi välivalonlähde kuin suurpainenatriumlamppu. Tätä ajatusta vahvistaa myös tieto siitä, että LEDeillä on jo vuosia sitten kasvatettu lehtisa-laattia jopa 60 prosenttia pienemmällä sähköenergiankulutuksella (Leino 2005). Pie-nempi valaistuksen sähköenergiankulutus ja samalla lämpöenergian tuotto mahdollistaa omalta osaltaan myös uudenlaiset energiantuotantomahdollisuudet ja kasvihuoneolosuh-teiden helpomman kontrolloinnin, joka johtaa omalta osaltaan parempaan satoon. LED-valoverho ei myöskään aiheuta kasveille lämpösäteilystä aiheutuvia muita ongelmia, kuten polttovioituksia, kasvitauteja ja juuriston kuivumista. LED-valoverholla voidaan vaikuttaa myös kasvin ulkoiseen ja sisäiseen laatuun. Tästä on jo saatu viitteitä, sillä LED-välivalolla kasvatettujen kurkkujen on tutkimuksissa todettu olleen vihreämpiä ja terveemmän näköisiä kuin verrokkiryhmän vihannekset. Lisäksi niiden sokeri- ja C-vitamiinipitoisuus on ollut korkeampi ja säilyvyys parempi kuin pelkässä ylävalossa kasvaneiden. (Murmann 2010.) Tulevaisuudessa säädettävällä LED-valoverholla tulta-neen vaikuttamaan myös kasvin valorytmiin ja tuholaisten ja tautien esiintymiseen, jol-loin kasvien käyttäytymisen ja terveyden hallinta on entistä helpompaa.

Oikeanlaisissa olosuhteissa LED-valoverho on huoltovapaa kymmenen vuoden käyttöperiodilla ja sen valovirran pysyvyys on hyvä, toisin kuin suurpainenatriumvalais-tus johon pitää lamput uusia vähintään kahden vuoden välein puhumattakaan muusta huollosta (Pankakoski 2009). Puhdistus on helppoa ja asennuspaikasta johtuen kasvi-huoneessa liikkuminen ei LED-valoverholla toteutetun välivalotuksen tapauksessa vai-keudu. Myös kasvihuoneen ulkopuolelle säteilevän häiriövalon määrä pienenee LED-valoverhoa käytettäessä. Käyttöiän lopussa LED-valoverhon kierrätys on helppoa, sillä se ei sisällä ongelmajätteitä toisin kuin suurpainenatriumlamput.

49

5. LED-VALOVERHON KENTTÄTUTKIMUKSET

Ensimmäisen sukupolven LED-valoverhon kenttätutkimukset tehtiin Helsingin yliopis-ton soveltavan biologian laitoksella Helsingin Viikissä. Lisäksi joitain tarkentavia säh-kö- ja valoteknisiä mittauksia tehtiin Tampereen ammattikorkeakoululla. Käytännön tutkimusten tarkoituksena oli selvittää pienessä mittakaavassa, mutta kuitenkin todelli-sessa kasvihuoneympäristössä kattoon asennetun suurpainenatriumvalaistuksen ja LED-valoverhon sähköisiä ja valoteknisiä ominaisuuksia ja kasvatuskokeiden avulla vaiku-tusta kurkun (Cucumis Sativus) kasvuun ja käyttäytymiseen.

5.1. Tutkimuksissa käytetty LED-valoverhojärjestelmä

Tutkimuksissa käytetty ensimmäisen sukupolven LED-valoverho ei varsinaisesti ollut neulosta, vaan teräsverkkoa. Noin viiden metrin mittaisiin ja metrin korkuisiin verkkoi-hin oli jokaiseen sidottu toiselle puolelle viisi kappaletta LED-nauhoja (kuva 5.1). Nau-haan asennetut LEDit olivat ensimmäisen sukupolven LED-valoverhon mukaisesti RGB-tyyppisiä. Verhot olivat täysin säädettäviä sekä valotehon että spektrijakauman suhteen.

Kuva 5.1. Ensimmäisen sukupolven LED-valoverhoa koekasvatuksissa Helsingin yliopiston soveltavan biologian laitoksella Helsingin Viikissä.

50

Verkkomoduulissa käytetyn RGB-LEDin (Osram MULTILED LRTB G6TG) valkoinen valo on luotu yhdistämällä 470, 528 ja 625 nanometrin säteilyä. Teoreettinen säteilyja-kauma on esitetty kuvassa 5.2. (Osram Opto Semiconductors 2009a.)

Kuva 5.2. RGB-LEDin (Osram MULTILED LRTB G6TG) teoreettinen säteilyjakauma ja ihmissilmän spektriherkkyyskäyrä (Vλ) (Osram Opto Semiconductors 2009a). LED-valoverhon ohjauslaitteistoa ja samalla koko valoverhoa syötettiin 230 VAC / 24 VDC yksivaiheisella hakkuriteholähteellä. Teholähteen tarkempi merkki ja malli oli Mascot 8921. Viiden metrin verkkomodulin sähköinen ottoteho verkosta oli täydellä teholla käytettäessä noin 300 wattia ja optimaalisella spektrillä (80 prosenttia sinistä ja 20 prosenttia punaista valoa) noin 130 wattia. Asennuksen tehokerroin (cos φ) oli noin 0,99.

5.2 Tutkimuksien suoritustavat ja menetelmät

Kurkun (Cucumis Sativus) kasvatuskokeet tehtiin marraskuun 2008 ja huhtikuun 2009 välisenä aikana Helsingin yliopiston soveltavan biologian laitoksella Helsingin Viikissä. Kokeissa tutkittiin erilaisten valotustilanteiden vaikutusta kurkun satoon, biomassaan, kasvuun ja käyttäytymiseen. Sähkö- ja valoteknisissä mittauksissa tarkasteltiin LED-valoverhon ja suurpainenatriumvalaistuksen yhteiskäyttötilanteiden aiheuttamia verk-kovaikutuksia sekä valaistusominaisuuksia.

Syöttävästä sähköverkosta analysoitiin valaistuksen vaihe- ja nollavirtoja, jännittei-tä, tehojakaumaa, tehokertoimia, harmonisten yliaaltojen esiintymistä ja verkkosymmet-riaa. Myös yhteiskäyttötilanteen tuottama valon säteilyjakauma mitattiin. Tampereen ammattikorkeakoululla selvitettiin lisäksi erilaisten säätötapojen, tarkemmin pulssinle-veysmoduloinnin (PWM) ja jatkuvan virran säädön (CCR) vaikutuksia LED-valoverhon lähettämän säteilyn määrään ja säteilyjakaumaan. Näitä mittauksia varten rakennettiin

51

oma pulssinleveysmodulointilaite, joka asennettiin ohjaustapamittauksissa hakkuriteho-lähteen ja LED-valoverhon väliin. LED-valoverhon sähkötekniset mittaukset tehtiin pääosin Fluken 435 verkkoanalysaattorilla ja säteilymittaukset Licorin kannettavalla Li-1800 spektroradiometrillä.

Kasvustoista mitattiin tutkimusten ajan kasvien kokonaiskasvua, biomassaa, pituut-ta, tuorepainoa ja kuivapainoa. Kasvustojen kasvua ja biomassaa mitattiin kolme kertaa viikossa, lehtien ja hedelmien määrää ja painoa kaksi kertaa viikossa. Hedelmät kerät-tiin kaikista kasveista samalla periaatteella - ensimmäisellä kerralla kuusi alinta hedel-mää, seuraavalla kerralla neljä alinta hedelmää ja tämän jälkeen kahdeksan viikon ajan hedelmät, jotka koskettivat maata. Kahdeksan viikon jälkeen kasvustoista kerättiin kaikki hedelmät 40 senttimetrin korkeuteen saakka. (Chen 2009.)

Tutkimuksia varten oli kasvihuoneeseen rajattu kolme 7,25 metriä pitkää ja 4,7 met-riä leveää kasvihuonetilaa. Jokaiseen kasvihuonetilaan istutettiin tutkimuksen alkaessa kahteen lasikuituiseen kasvualustaan yhteensä 20 kurkkua. Ympäristön lämpötila vaih-teli tiloissa päivän 23 celsiusasteen ja yön 19 celsiusasteen välillä. Suhteellinen ilman-kosteus oli 70 prosenttia. Kasvustoja oli tarkoitus lannoittaa koko tutkimuksen ajan lan-noiteliuoksella, mutta liuoksen syöttöjärjestelmään tuli häiriö, joka katkaisi lannoiteliu-oksen syötön noin kahden viikon ajaksi. Häiriön vaikutuksia arvioidaan lopputuloksien yhteydessä luvussa 5.3. (Chen 2009.)

Kasvihuonetiloihin oli asennettu ylävaloiksi suurpainenatriumvalaisimia, mutta nii-den lisäksi osaa kasveista lisävalotettiin LED-valoverhoilla (kuva 5.3). Luonnonvalon vaikutus oli minimoitu varjostusverhoja käyttämällä.

Kuva 5.3. Osassa kasvihuonetiloista kasveille annettiin lisävalotusta LED-valoverhoilla. Kuvan kasvihuonetilassa on käytössä valotustilanne T2 (Chen 2009).

52

Keinovalotusta annettiin kasveille 20 tuntia vuorokaudessa. Pimeä ajanjakso oli puo-lenyön ja aamuneljän välillä. LED-valoverhon korkeutta säädettiin kasvun aikana siten, että se valotti kasveja mahdollisimman tasaisesti - aluksi verhon etäisyys maasta oli 40 senttimetriä, mutta kasvien kasvaessa verho nostettiin 80 senttimetriin. (Chen 2009.) LED-valoverhon säteilyjakauma oli alussa 80 prosenttia punaista ja 20 prosenttia sinistä valoa. Säteilyjakauma nostettiin kuitenkin muutaman näytteenottokerran jälkeen täyteen tehoon, jolloin sinisen valon osuus kasvoi ja mukaan tuli myös vihreää valoa.

Kasvihuonetilojen valotustilanteita muutettiin tutkimusten aikana yhden kerran. Taimivaiheessa ja satokaudella 1 (13.11.2008 - 17.3.2009) valotustilanteet olivat seu-raavat: T1: Katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia (141 W / m2). T2: Katossa kuusi kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia ja molempia

kasvirivejä valottamassa yksipuoleinen 300 watin LED-valoverho (88 W / m2). T3: Katossa 12 kappaletta 400 suurpainenatriumvalaisimia ja molempia kasvirivejä

valottamassa yksipuoleinen 300 watin LED-valoverho (158 W / m2). LED-valoverhon intensiteettiä haluttiin kasvattaa 18.3.2009, jonka vuoksi valotustilan-teesta T3 siirrettiin LED-valoverhot valotustilannetta T2 täydentämään. Satokaudella 2 (18.3.2009 - 2.4.2009) valotustilanteet olivat tästä johtuen seuraavat:

T1: Katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia (141 W / m2). T4: Katossa kuusi kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia ja kumpaakin

riviä valottamassa molemmilta puolilta 300 watin LED-valoverhot (106 W / m2). T5: Katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia (LED-valoverho

poistettu) (141 W / m2).

5.3. Tulokset

5.3.1 Valaisimien sähkötekniset mittaukset

Sähköteknisten mittausten tarkoituksena oli tutkia erityisesti valaistustapojen yhteis-käyttötilanteen aiheuttamia verkkovaikutuksia. Suurpainenatriumvalaistus on suuri lois-tehon kuluttaja ja verkkohäiriöiden aiheuttaja - kasvihuoneissa loistehoa kompensoidaan ja virran harmonisia yliaaltoja suodatetaan yleisesti. Siksi myös LED-valoverhon vaiku-tus loistehoon ja sähköverkon ominaisuuksiin haluttiin selvittää.

53

Tutkimuksissa mitattiin erikseen täydellä teholla käytettyä LED-valoverhoa, kahta 400 watin suurpainenatriumvalaisinta ja lopuksi näiden rinnankytkentää. Tärkeimmät mitta-ustulokset on esitetty taulukossa 5.1.

Taulukko 5.1. Suurpainenatriumvalaistuksen, LED-valoverhon ja niiden yhteiskäytön tärkeimmät sähkötekniset mittaustulokset.

Mittaustuloksista voidaan nähdä, että LED-valoverhoa tutkimuksissa syöttänyt Mascot 8921 hakkuriteholähde näyttäytyi syöttävälle sähköverkolle lähes resistiivisenä kuor-mana. Suurpainenatriumvalaistuksesta ei voida sanoa samaa - sen perusaallon tehoker-roin (cos φ) oli vain 0,74.

Molemmat valotustilanteet synnyttivät kuormien luonteesta johtuen runsaasti virran harmonisia yliaaltoja, jotka näkyivät syöttövirroissa. Virran harmonisten yliaaltojen määrää suhteessa kokonaisvirran tehollisarvoon esitetään kokonaissäröprosentti THDr:llä. Tässä tutkimuksessa valaisinten yhteiskäyttötilanteessa sähköverkon koko-naissäröprosentti - hieman yllättäen - pieneni 7,5 prosenttia verrattuna pelkän suur-painenatriumvalaistuksen virran säröön. Säröprosentin pieneneminen johtui todennäköi-simmin juuri oikeanlaisesta vaihesiirrosta suurpainenatriumvalaistuksen ja LED-valoverhon syöttövirran välillä, jolloin vastakkaiseen vaiheeseen sattuneet yliaaltovirrat kumosivat toisiaan. Kuvaajat pelkän suurpainenatriumvalaistuksen sekä suurpainenatri-umvalaistuksen ja LED-valoverhon yhteiskäyttötilanteen synnyttämien virran harmonis-ten yliaaltojen spektristä on esitetty kuvassa 5.4.

Kuva 5.4. Suurpainenatriumvalaistuksen (vasemmalla) ja suurpainenatriumvalaistuk-sen ja LED-valoverhon yhteiskäyttötilanteen (oikealla) syöttövirran harmonisten yliaal-tojen suhteelliset spektrikuvaajat.

valaistustilanne pätöteho (W) tehokerroin, cos φ THDr (%) näennäisteho (VA) Irms (A)

LED 300 0,99 78 490 2,1

SPN 670 0,74 36,8 920 4

SPN + LED 1020 0,85 29,3 1200 5,2

54

5.3.2 Valotustilanteiden valotekniset mittaukset ja vertailu

LED-valoverhon säteilymäärän ja -jakauman vaikutuksen selvittämiseksi määritettiin valotustilanteen T3 (12 suurpainenatriumvalaisinta ja LED-valoverho) suhteellinen PAR-säteilyn määrä kasvuston tasolla. Säteily mitattiin metrin korkeudelta kasvuston reunasta LED-valoverhon suuntaan. LED-valoverhoa käytettäessä PAR-säteilyn irra-dianssi (W / m2) kasvoi optimaalisella spektrillä noin 40 prosenttia ja täydellä spektrillä noin 57 prosenttia verrattuna pelkkään suurpainenatriumvalaistukseen (kuva 5.5).

Kuva 5.5. Valotustilanteen T3 säteilymäärä ja -jakauma kasvuston reunasta LED-valoverhon suuntaan, kun LED-valoverho on sammutettuna (ylin), palaa optimispektril-lä (keskellä) ja täydellä spektrillä (alin).

55

Valaistukselle syötetyn sähkötehon kasvu oli optimaalisella spektrillä noin 25 prosenttia ja täydellä spektrillä noin 43 prosenttia. PAR-säteilyn hyötysuhde (irradianssi verrattuna syötettyyn sähkötehoon) kasvoi siis optimispektrillä valotettaessa noin 12 prosenttia ja täydellä spektrillä valotettaessa noin kymmenen prosenttia.

5.3.3 Säätötavan vaikutus LED-valoverhon ominaisuuksiin

Tampereen ammattikorkeakoulun sähkölaboratoriossa tehdyissä erillisissä mittauksissa ja käyttökokeissa tutkittiin säätötavan vaikutusta LED-valoverhon ominaisuuksiin ja hyötysuhteeseen. Tutkittavina säätötapoina olivat pulssinleveysmodulointi (PWM) ja jatkuvan virran säätö (CCR) (luku 3.2). Mittauksissa LED-valoverhon valotehoa säädet-tiin välillä 0 - 100 prosenttia ja tarkasteltavina suureina olivat säteilyjakauma, kulutettu sähköteho ja valaistusvoimakkuus.

LED-valoverhon rakenteesta johtuen sitä ei voitu jatkuvan virran säädöllä himmen-tää kuin noin 55 prosentin valotasoon, jonka jälkeen LED-valoverho sammui. Jatkuvan virran säädöllä RGB-LEDien huippuaallonpituudet myös siirtyivät himmennyksen lop-puvaiheessa melko paljon (kuva 5.6).

Kuva 5.6. LED-valoverhon lähettämän säteilyn aallonpituushuippujen siirtymä suhtees-sa valotasoon, kun käytetään eri himmennysmenetelmiä (Valdivia Navarro 2010). Kuten kuvasta voidaan havaita, onnistui himmennys PWM-säätöä käytettäessä koko välillä (0 - 100 %) ja huippuaallonpituuksien siirtyminen oli pienempää kuin CCR-säädöllä. Lisäksi pulssinleveysmodulaatiolla saavutettiin himmennettäessä kokonaisuu-dessaan parempi hyötysuhde, kun tuotetun valon määrää verrattiin käytettyyn sähkö-energiaan (Valdivia Navarro 2010.)

56

5.3.4 Kasvien kasvu, biomassa ja hedelmien tuotto eri valotustilan-teissa

Taimivaihe (viikot 0 - 3):

Kurkuntaimet istutettiin Helsingin Viikissä kasvihuonetiloihin 13.11.2008. Ensimmäiset kaksi viikkoa taimien kasvu oli hyvin tasaista, mutta kolmannella viikolla pelkkien suurpainenatriumvalaisinten (T1: 141 W / m2) alla kasvaneet taimet olivat selvästi pi-dempiä kuin LED-valoverholla välivalotetut kasvustot (T2: 88 W / m2 ja T3: 158 W / m2). Suurimman neliötehon omaavan valotustilanne T3:n taimet olivat kaikista lyhyimpiä. Lehtien määrä kasveissa oli kolmen viikon jälkeen valotustilanteen T1 ja T3 kohdalla sama, keskimäärin yhdessä kasvissa oli noin 22 lehteä. Valotustilanteen T2 kasveilla lehtiä oli keskimäärin 19 kappaletta (kuva 5.7.). (Chen 2009.)

Kuva 5.7. Kasvihuonetiloihin 13.11.2008 istutettujen taimien pituuskasvu eri valotusti-lanteiden vaikutuksessa (Chen 2009).

Satokausi 1: Valotus LED-valoverholla yhdeltä puolelta (viikot 4 - 12): Kurkkusadon määrässä oli selkeät erot valotustilanteiden välillä. Täyden suurpainenat-riumvalaistuksen rinnalle lisätty LED-valoverho (T3) nosti satoa noin 12 prosenttia. Kuitenkin, koska myös sähköteho oli suurempi, oli kurkkukiloa kohti käytetyn sähkö-energian määrä sama kuin pelkällä täydellä suurpainenatriumvalaistuksella (T1) kasva-tetun kasvuston, eli noin 18,8 kilowattituntia per kilogramma. Puolitetulla suurpainenat-riumvalaistuksella ja LED-valoverholla (T2) sähköenergian määrä suhteutettuna korjat-tuun kurkkusatoon oli ylivoimaisesti huonoin. Yhden kurkkukilon tuottaminen valotus-tilanteella T2 kulutti energiaa 29,4 kilowattituntia.

57

Lukumäärällisesti tarkasteltuna valotustilanne T1 tuotti hedelmiä keskimäärin 2,8 kap-paletta vuorokaudessa, kun taas valotustilanne T2 tuotti 2,2 ja T3 2,6 kappaletta. Kilo-määrällisesti valotustilanne T1 tuotti keskimäärin 5,1 kilogrammaa, T2 tuotti 2,0 kilo-grammaa ja T3 tuotti 5,7 kilogrammaa hedelmiä vuorokaudessa. Valotustilanne T3:n vaikutuksessa kasvaneiden hedelmien keskikoko oli suurin. Edellä esitetyt tulokset löy-tyvät koottuna taulukosta 5.1.

Taulukko 5.1. Eri valotustilanteiden tärkeimmät tulokset ensimmäiseltä satokaudelta.

Valotustilanne W / m2 kWh / kg hedelmiä vuoro-kaudessa (kpl)

satoa vuoro-kaudessa (kg)

SPN (täysi) (T1) 141 18,7 2,8 5,1

SPN (puoli) + LED (T2) 88 29,4 2,2 2,0

SPN (täysi) + LED (T3) 158 18,9 2,6 5,7

Satokausi 2: Valotus LED-valoverholla kahdelta puolelta (viikot 13 - 14): Kahden viimeisen viikon aikana täysi suurpainenatriumvalaistus (T1) kulutti sähkö-energiaa 13,1 kilowattituntia yhden kurkkukilon tuottamiseen. Puolella suurpainenatri-umvalaistuksella ja kahdella LED-valoverholla (T4) valotetun kasvuston sähköener-giankulutus oli noin 18,7 kilowattituntia per kurkkukilo. Täydellä suurpainenatriumva-laistuksella varustettu kasvihuonetila, josta poistettiin LED-valoverho (T5) oli koko energiatehokkain tuottaen kilon kurkkuja 9,3 kilowattitunnilla sähköenergiaa. Lukumäärällisesti tarkasteltuna valotustilanne T1 tuotti hedelmiä keskimäärin 22,9 kap-paletta vuorokaudessa, kun taas valotustilanne T4 tuotti 19,1 ja T5 21,2 kappaletta. Ki-lomäärällisesti valotustilanne T1 tuotti vuorokaudessa 7,3 kilogrammaa, T4 3,8 kilo-grammaa ja T5 10,3 kilogrammaa hedelmiä. Valotustilanne T5:n vaikutuksessa kasva-neiden hedelmien keskikoko oli suurin. Edellä esitetyt tulokset löytyvät koottuna taulu-kosta 5.2.

Taulukko 5.2. Eri valotustilanteiden tärkeimmät tulokset toiselta satokaudelta.

Valotustilanne W / m2 kWh / kg hedelmiä vuoro-kaudessa (kpl)

satoa vuoro-kaudessa (kg)

SPN (täysi) (T1) 141 13,1 22,9 7,3

SPN (puoli) + 2 x LED (T4) 106 18,7 19,1 3,8

SPN (täysi) (T5) 141 9,3 21,2 10,3

5.4 Kenttätutkimusten yhteenveto ja johtopäätökset

Sähköteknisesti ajatellen LED-valoverho soveltuu kasvihuoneeseen kohtuullisen hyvin. Positiivista on, että suurpainenatriumvalaistukseen verrattuna LED-valoverholaitteisto ei juuri kuluta loistehoa, sillä sen perusaallon tehokerroin (cos φ) on noin 0,99. Se ei siis aiheuta uutta kompensointikuormaa kasvihuoneeseen. Sähköteknisenä haasteena voi-

58

daan nähdä se, että LED-valoverholaitteisto synnyttää virran harmonisia yliaaltoja, jotka saattavat aiheuttaa syöttävään sähköverkkoon häiriöitä. Valmiudet LED-valoverhon synnyttämien yliaaltovirtojen suodattamiseen ovat kuitenkin olemassa, sillä jo nykyään kasvihuoneissa suodatetaan valaistuksen aiheuttamia kolmansia yliaaltoja.

Näissä kenttätutkimuksissa LED-valoverhon yliaaltovirrat eivät pahentaneet verk-kovirran kokonaissäröä (THDr), vaan valaisinten yhteiskäytössä kokonaissäröprosentti pieneni 7,5 prosenttia verrattuna pelkän suurpainenatriumvalaistuksen synnyttämään virran säröön. Tämä ilmiö on kuitenkin melko tapauskohtainen, sillä säröprosentin pie-neneminen aiheutui juuri oikeanlaisesta vaihesiirrosta suurpainenatriumvalaistuksen ja LED-valoverhon syöttövirtojen välillä.

Säätötapana LED-valoverholle kannattaa tulevaisuudessa käyttää tämän tutkimuk-sen perusteella pulssinleveysmodulointia (PWM), joka antaa mahdollisuuden säätää jär-jestelmää välillä 0 - 100 prosenttia. PWM-ohjauksella myös säädönaikainen hyötysuhde pysyy parempana ja säteilyjakauman huiput liikkuvat vähemmän. (Valdivia Navarro 2010.)

Kasvatuskokeissa vertailtiin suurpainenatriumvalaistusta ja erilaisia suurpainenatri-umvalaistuksen ja LED-valaistuksen yhdistelmiä kurkun kasvatuksessa. Taimivaiheessa kasvustot kasvoivat kaikilla valotustavoilla pituutta miltei yhtä nopeasti. Kuitenkin täy-dellä suurpainenatriumvalaistuksella ja LED-valoverholla (T3) valotetut taimet olivat suurimmasta sähköisestä neliötehosta huolimatta kaikista lyhyimpiä. Tämä saattaa joh-tua liian suuresta sinisen LED-välivalon määrästä, jota on epäilty lyhyempien kasvusto-jen aiheuttajaksi myös muissa välivalotutkimuksissa (luku 4.3.).

Ensimmäisellä satokaudella täydellä suurpainenatriumvalaistuksella (T1) ja LED-valoverholla lisävalotetulla täydellä suurpainenatriumvalaistuksella (T3) valotettujen kasvustojen suhteellinen hedelmien tuotto (kWh / kg) oli suurin piirtein sama (taulukko 5.3). Puolitetun suurpainenatriumvalaistuksen ja LED-valoverhon (T2) suhteellinen he-delmien tuotanto oli huomattavasti huonompi, koska kahta muuta valotustilannetta rei-lusti alempi kokonaisvalotusteho ei soveltunut tutkimuksissa käytettyyn matalaan kas-vihuonetilaan. Tutkimuksissa valotustilanne T2:n vaikutuksessa kasvaneiden kurkkujen pituuskasvu oli normaalia, mutta sadon kehitys hitaampaa, jolloin kurkkukasvustoja jouduttiin laskemaan alaspäin ja sato keräämään ennen kuin hedelmät olivat täysikas-vuisia. Tämä on havaittavissa myös kurkkujen keskipainokuvaajista (kuva 5.8). Kurkku-jen hidas kehittyminen ei muuttunut edes viimeisen kahden tutkimusviikon aikana, vaikka LED-valoverhon määrä, ja samalla siis teho, kasvihuonetilassa tuplattiin (valo-tustilanne T4). Ilmeisesti valotustehoa ei vieläkään ollut riittävästi näihin olosuhteisiin. Helsingin soveltavan biologian laitoksen professori Juha Heleniuksen ja projektitutkija Jukka Kivelän mukaan korkeammassa kasvihuonetilassa olisi myös valotustilanteiden T2 ja T4 suhteellinen sadontuotto ollut käytettyä kilowattituntia kohden suurempi kuin tässä tutkimuksessa. (Chen 2009; Helenius & Kivelä 2009.)

59

Kuva 5.8. Eri valotustilanteiden vaikutuksessa kasvaneiden kurkkukasvustojen hedelmien keskipaino (Chen 2009).

Toisella satokaudella valotustilanne T5, eli täysi suurpainenatriumvalaistus josta LED-valoverhot oli poistettu, tuotti selvästi energiatehokkaimmin satoa. Sähköenergiaa kului vain 9,3 kilowattituntia kurkkukiloa kohden (taulukko 5.3). Syynä tähän on mahdolli-sesti parempikuntoinen kasvusto - ensimmäisellä satokaudella LED-valoverholla lisäva-lotettu kasvusto oli terveempää kuin muut ja jaksoi tuottaa tehokkaasti satoa pelkällä suurpainenatriumvalaistuksella vielä viimeisen kahden viikon ajan. Tosin myös koko ajan käytössä ollut täysi suurpainenatriumvalaistus (T1) tuotti toisella satokaudella he-delmiä huomattavasti paremmalla hyötysuhteella kuin ensimmäisellä satokaudella. Tup-lattu valoverho ja puolitettu suurpainenatriumvalaistus (T4) tuotti toisella satokaudella satoa heikoimmalla hyötysuhteella. Syynä oli jo edellisessä kappaleessa mainittu kes-kenkasvuisena korjattu sato, joka johtui vielä tämänkin valotustilanteen kohdalla liian pienestä valotustehosta verrattuna kasvihuoneen korkeuteen. Valotustapa T4:n hyö-tysuhde oli kuitenkin parempi kuin yhtä valoverhoa käytettäessä (T2) ja itse asiassa sa-ma kuin täydellä suurpainenatriumvalaistuksella (T1) ja täydellä suurpainenatriumva-laistuksella ja LED-valoverholla (T3) oli ensimmäisellä satokaudella. Taulukko 5.3. Valotustilanteiden laskennallinen valoteho neliömetrille ja sadontuotto suhteessa kulutettuun sähköenergiaan.

Satokausi 1 Valotustilanne W / m2 kWh / kgSPN (täysi) (T1) 141 18,7 SPN (puoli) + LED (T2) 88 29,4 SPN (täysi) + LED (T3) 158 18,9

Satokausi 2 SPN (täysi) (T1) 141 13,1 SPN (puoli) + 2 x LED (T4) 106 18,7 SPN (täysi) (T5) 141 9,3

60

Yhteenvetona kenttätutkimuksista voidaan todeta, että LED-valoverholla ei vielä näissä kasvatuskokeissa saavutettu odotettua tuotanto- ja energiatehokkuutta. Syynä tähän saattoi olla ainakin liian matala kasvihuonetila - hedelmät piti poimia kasvustojen ala-osista keskenkasvuisina, koska kasveja piti laskea ennen kuin ne polttavat latvansa. Myös kasvustojen lannoitusjärjestelmä vikaantui kesken tutkimusten ja kesti kaksi viik-koa ennen kuin lannoituksen puuttuminen huomattiin. Varsinkin LED-valotusta käytet-täessä ympäristön olosuhteiden olisi oltava täysin kunnossa ja lannoitusongelma saattoi osaltaan huonontaa satoa merkittävästi. Lisäksi käytetyn LED-valoverhon punaisen va-lon huippuaallonpituus ei ollut aivan halutunlainen. Punainen valo säteili 625 nanomet-rin aallonpituudella, kun optimaalinen aallonpituus olisi ollut 660 nanometriä. Jatkotut-kimuksissa tullaankin keskittymään erityisesti ympäristön olosuhteiden ja LED-valoverhon säteilyjakauman hienosäätöön. LED-valoverhon hyvänä puolena tutkimuk-sissa tuli esille, että LEDeillä lisävalotetut kasvustot ja hedelmät olivat koko tutkimuk-sen ajan vihreämpiä ja terveempiä kuin pelkästään ylävalotetut. LEDeillä myös kasvi-taudit, kuten härmä ja homesienet, näyttivät pysyvän paremmin kurissa. Samansuuntai-sia tuloksia on saavutettu myös muissa LED-välivalotutkimuksissa (luku 4.3). (Chen 2009; Helenius & Kivelä 2009; Kivelä 2009.)

61

6. KUSTANNUS- JA ENERGIATEHOKKUUSLASKELMAT

LED-valoverhon ja perinteisen suurpainenatriumvälivalaistuksen kustannukset jakautu-vat hyvin eri tavalla tuotteiden elinkaaren ajalle, jonka vuoksi järjestelmille tehtiin kus-tannusvertailu esimerkkikohteeseen kymmenen vuoden käyttöperiodille. Nykyisissä kasvihuoneissa LED-valoverhon suunniteltu käyttöikä on kymmenen vuotta, eikä KKK-Vihannes Oy:n Esa Kiviojan mukaan suurpainenatriumvalaisimenkaan käyttöikä ole juuri tätä pidempi. Tässä luvussa on tutkittu järjestelmien elinkaarikustannuksia ja lo-puksi kustannuksista on tehty vertaileva yhteenveto.

6.1. Kustannuslaskelmien lähtötiedot

6.1.1. Tekniset lähtötiedot

Laskelmissa välivalaisimet asennetaan olemassa olevaan 5000 neliömetrin kasvihuonee-seen, jossa on katossa 400 watin suurpainenatriumvalaisimet (190 W / m2) ja valotetta-vana kasvustona kurkku. Perinteisessä ratkaisussa suurpainenatriumvälivalaisimia lisä-tään 60 W / m2 jolloin kasvihuoneen valotuksen sähkötehoksi muodostuu yhteensä 250 W / m2.

Koska kasveille optimaalisen LED-valoverhon oletetaan valottavan kasveja yhtä te-hokkaasti pienemmällä sähköteholla kuin suurpainenatriumvälivalaisimien, on LED-valoverholla välivalotetun kasvihuoneen valotuksen sähkötehoksi määritetty 70 prosent-tia perinteisen ratkaisun tehosta eli 175 W / m2. LED-valoverhon teho on 50 W / m2,

joten ylävalotehoksi jää siis 125 W / m2. 175 W / m2 kokonaisvalotehosta ylävaloa on siis noin 71 prosenttia ja välivaloa 29 prosenttia. Vaikka jatkossa esitetyt laskelmat on suoritettu edellä mainituilla ratkaisuilla, esitellään yhteenvedossa (kohta 6.6) lyhyesti myös skenaario jossa ylävalon määrää ei ole laskettu, vaan LED-valoverho on lisätty suoraan kasvihuoneeseen ylävaloista välittämättä (valotuksen kokonaisteho 240 W / m2 eli 96 prosenttia suurpainenatriumlampuilla välivalotetun kasvihuoneen tehosta).

Laskelmissa ei ole huomioitu järjestelmien asennuskustannusta, mutta tiedetään, että se on kokonaisuuden kannalta mitättömän pieni kuluerä ja nykytekniikkaa käytettäessä molemmilla järjestelmillä suurin piirtein sama.

62

6.1.2. Muut lähtötiedot

Laitteistojen investointiaika on kymmenen vuotta ja laitteistojen jäännösarvon oletetaan investointiajan jälkeen olevan nolla. Investointeja ja vuosittaisia kustannuksia käsitel-lään nykyarvomenetelmällä. Inflaatiosta, rahoituksesta ja yrityksen omista liikevoitto-tavoitteista muodostuva laskentakorkokanta huomioidaan kahdella erilaisella kehityss-kenaariolla, joissa käytetään viiden prosentin ja kymmenen prosentin korkokantaa. Kymmenen prosentin korkokannan tulokset esitetään vain loppuyhteenvedossa. Kaikki laskelmissa esiintyvät kustannukset ovat verottomia (alv 0 %). Laskelmissa kasvuston vuosittaisena valotusaikana on käytetty kurkkukasvustolle tyypillistä 6000 tuntia (Ki-vioja 2009c). Kasvihuoneen sähköenergian ja sähkönsiirron nykyhinnaksi on asetettu KKK-Vihannes Oy:n Esa Kiviojan tietojen perusteella 70 euroa megawattitunti (Kivioja 2009c). Sähkön siirto- ja energiahinnan arvioidaan kohdan 4.7 perusteella kasvavan kymmenen prosenttia vuodessa.

6.2. Suurpainenatriumvälivalaistuksen hankintakulut

Suurpainenatriumvälivalaistuksen hankintakulut on arvioitu KKK-Vihannes Oy:n pyy-tämän välivalotarjouksen perusteella. Tarjouksen on antanut merkittävä suomalainen puutarha-alan yritys. Tarjous on pyydetty pinta-alaltaan 2500 neliömetrin kasvihuoneen välivalotukseen, joten 5000 neliömetrin kasvihuoneen kustannuslaskelmiin kaikki tarjo-uksen hinnat on kaksinkertaistettu. Tämä ei välttämättä vastaa aivan todellista hankinta-kustannusta, mutta on hyvin lähellä sitä.

Kasvihuoneen välivalotukseen suunnitellut suurpainenatriumvalaisimet ovat Gavita As:n 3 x GAN 250 W / 230 V välivaloja (kuva 6.1.) ja lamput ovat Lucalox PSL 250 watin suurpainenatriumlamppuja, jotka on tarkoitettu kasvien valotukseen.

Kuva 6.1. Kustannusvertailussa suurpainenatriumvalaisimina käytettiin Gavita 3 x GAN 250 W /230 V välivalaisimia (Seppä-Murto 2009).

63

Valaisimia tulee 5000 neliömetrin kasvihuoneeseen 400 kappaletta, jolloin valonlähteitä on hoitokäytävillä noin 2,6 metrin välein. Tällä ratkaisulla saavutetaan laskennallinen 60 W/m2 välivalotusteho. Valaisimen yksikköhinta lamppuineen on à 200,45 euroa, jol-loin valaisinten hankintahinnaksi tulee 80 180 euroa.

6.3. LED-valoverhojärjestelmän hankintakulut

LED-valoverhojärjestelmän hankintakuluihin on sisällytetty LED-valoverho- ja teho-lähdekustannukset, järjestelmän sisäiset johdotukset, kuljetukset, yrityksen henkilöstö-, kirjanpito- ja markkinointikulut sekä kohtuullinen kate (10 prosenttia). Varastointi- ja toimipaikkakuluja ei ole huomioitu, koska yritys toimii yhteisen sopimuksen mukaan KKK-Vihannes Oy:n tiloissa ja tuotteet kulkevat suoraan alihankkijoilta asiakkaalle. Yhden verhomoduulin hinta on noin 3000 euroa ja 5000 neliömetrin kasvihuoneeseen verhomoduuleja asennetaan 128 kappaletta. Valoverhojen hinnaksi tulee täten noin 385 000 euroa. Ohjattavia teholähteitä kasvihuoneeseen tulee 64 kappaletta ja yhden teholähteen hinnaksi on arvioitu 900 euroa, jolloin teholähteiden kustannus on 58 000 euroa. LED-valoverhojärjestelmän kustannus (LED-valoverhot + teholähteet) on siis noin 443 000 euroa. Kun tähän lisätään vielä kuljetuskustannukset, yrityksen sivukulut ja kate, saadaan 5000 neliömetriä kattavan valoverhojärjestelmän hankintahinnaksi noin 555 000 euroa.

6.4. Suurpainenatriumvalaisimilla välivalotetun kasvihuoneen ener-gia- ja ylläpitokustannukset kymmenen vuoden käyttöperiodilla

Suurpainenatriumvalaisimilla toteutetun kasvihuonevalaistuksen tehoksi on laskelmissa määritetty uudessa kasvihuoneessa tyypillinen 250 W / m2, josta ylävalon osuus on 190 W / m2 ja välivalon 60 W / m2. Kasvihuoneen valaistuksen kokonaissähkötehoksi saadaan siis 1250 kilowattia. Kymmenen vuoden energiankulutus on edellä esitetyllä valaistuksella 7500 megawattituntia ja sähköenergian ja sähkönsiirron kustannuksien nykyarvo viiden prosentin korkokannalla on noin 6 841 400 euroa.

Valaistuksen huolto- ja ylläpitokustannuksiin sisältyy lamppujen vaihto 10 000 polt-totunnin välein, heijastimien vaihto 20 000 polttotunnin välein sekä mahdollinen va-laisimien huolto ja korjaus vikaantumistapauksissa. Huolto- ja korjaustöiden kustannus-arvio sisältää myös henkilöstökulut, mutta vaihtotöistä aiheutuvia henkilöstökuluja ei näissä laskelmissa otettu käytännön syistä johtuen huomioon. Suurpainenatriumlampun nykyhinnaksi on määritetty 15 euroa kappale ja heijastimen 7 euroa kappale. Materiaa-lien inflaatiosta poikkeavaa hinnannousua ei oleteta tapahtuvan, koska tekniikka on melko vakiintunutta. Ylä- ja välivalaisimia on kasvihuoneessa yhteensä 3575 kappalet-ta, jolloin lamppujen ja heijastimien vaihtokustannuksien kymmenen vuoden nykyar-voksi muodostuu viiden prosentin korkokannalla noin 234 100 euroa. Huolto- ja korja-ustöihin sekä tarvittaviin varaosiin on varattu kymmenen vuoden ajanjaksolle viiden prosentin korkokannalla noin 2300 euroa.

64

6.5. LED-valoverhojärjestelmällä välivalotetun kasvihuoneen ener-gia- ja ylläpitokustannukset kymmenen vuoden käyttöperiodilla

LED-valoverhon oletetaan valottavan kasveja yhtä tehokkaasti pienemmällä sähkötehol-la kuin suurpainenatriumvälivalaisimien, joten LED-valoverholla välivalotetun kasvus-ton valotuksen sähkötehoksi on määritetty 70 prosenttia suurpainenatriumvalaistuksen tehosta. Valotusteho on siis 175 W / m2, josta ylävalojen osuus on 125 W / m2 ja LED-valoverhon osuus 50 W / m2. Kasvihuoneen valotuksen kokonaissähkötehoksi saadaan edellä mainitulla toteutuksella 881 kilowattia. Kymmenen vuoden energiankulutus on 5286 megawattituntia ja sähköenergian kustannukset viiden prosentin korkokannalla 4 821 900 euroa.

Valaistuksen huolto- ja ylläpitokustannuksiin sisältyy suurpainenatriumlamppujen ja heijastimien vaihto samoilla perusteilla ja hinnoilla kuin kohdassa 6.4. Ylävaloja on kasvihuoneessa yhteensä 1563 kappaletta, jolloin lamppujen ja heijastimien vaihtokus-tannuksien kymmenen vuoden nykyarvo on viiden prosentin korkokannalla noin 107 900 euroa. Valaisimien huolto- ja korjaustöihin sekä tarvittaviin varaosiin on varat-tu kymmenen vuoden ajanjaksolle viiden prosentin korkokannalla noin 1600 euroa. Li-säksi LED-valoverhon puhdistamiseen eli käytännössä painepesuun on varattu noin 800 euroa. Teholähteet eivät valmistajien mukaan tarvitse huoltoa kymmenen vuoden (60 000 käyttötunnin) periodilla, koska niiden vikaantumisväli on keskimäärin 300 000 käyttötuntia (Kaasalainen 2009). Sen vuoksi teholähteiden huoltoon ja korjaukseen ei varattu erillistä kustannuserää.

6.6. Yhteenveto järjestelmien kustannuksista ja kustannusvertailu

Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka LED-valoverhojärjestelmän hankintahinta on lähes seitsenkertainen verrattuna perinteiseen suurpainenatriumvälivalaistukseen, on kymmenen vuoden kustannuksien nykyarvo LED-valoverholla välivalotetussa kasvi-huoneessa kaikilla laskentakorkokannoilla huomattavasti - jopa 25 prosenttia - pienempi kuin suurpainenatriumvalaisimia käytettäessä. Yhteenveto nykyarvomenetelmällä laske-tuista kustannuksista on esitetty taulukossa 6.1.

65

Taulukko 6.1. LED-valoverholla ja suurpainenatriumvalaisimilla välivalotetun 5000 neliömetrin kasvihuoneen investointikustannusten nykyarvo, kun investointiajaksi on määritetty kymmenen vuotta. Ylävalot ja välivalot suurpainenatriumvalaisimia (250 W / m2) 0 % korkokanta 5 % korkokanta 10 % korkokanta

Välivalaistuksen hankintahinta 80 180 € 80 180 € 80 180 €

Sähköenergian ja sähkönsiirron kustannukset 10 vuodessa 9 204 000 € 6 841 400 € 5 250 000 €

Ylä- ja välivalaistuksen ylläpito- ja huoltokustannukset 10 vuodessa 304 000 € 236 400 € 188 700 €

Kymmenen vuoden investointikustannuksien nykyarvo yhteensä 9 588 180 € 7 157 980 € 5 518 880 €

Ylävalot suurpainenatriumvalaisimia ja välivalona LED-valoverho (175 W / m2) 0 % korkokanta 5 % korkokanta 10 % korkokanta

Välivalaistuksen hankintahinta 555 000 € 555 000 € 555 000 €

Sähköenergian ja sähkönsiirron kustannukset 10 vuodessa 6 487 000 € 4 821 900 € 3 700 200 €

Ylä- ja välivalaistuksen ylläpito- ja huoltokustannukset 10 vuodessa 142 000 € 109 700 € 87 800 €

Kymmenen vuoden investointikustannuksien nykyarvo yhteensä 7 184 000 € 5 486 600 € 4 343 000 €

LED-valoverholla toteutetun välivalotuksen pienempiin kokonaiskustannuksiin vaikut-taa ensisijaisesti olettamus siitä, että kasvihuoneen kokonaisvalotus voidaan toteuttaa 30 prosenttia pienemmällä sähköteholla kuin suurpainenatriumeilla valotettaessa. Kustan-nuksiin vaikuttaa kuitenkin myös alhaisemmat huolto- ja ylläpitokustannukset. LED-valoverholla välivalotetussa kasvihuoneessa huollon ja ylläpidon kustannukset ovat kymmenessä vuodessa noin 53 prosenttia pienemmät kuin perinteisessä ratkaisussa. Kuvaaja kustannusten nykyarvon kertymisestä investointiaikana viiden prosentin las-kentakorkokantaa käyttäen on esitetty kuvassa 6.2.

Kuva 6.2. LED-valoverholla (LED) ja suurpainenatriumvalaisimilla (SPN) välivalote-tun 5000 neliömetrin kasvihuoneen nykyarvoon diskontatut valotuskustannukset, kun käytetään viiden prosentin laskentakorkokantaa ja LED-valotetun kasvihuoneen valo-tuksen sähköteho on 70 prosenttia suurpainenatriumvalotetun kasvihuoneen tehosta.

66

Kuvaajasta voidaan päätellä, että 30 prosenttia pienemmällä asennusteholla ja skenaa-riolla jossa sähköenergian ja siirron hinta nousee yhteensä kymmenen prosenttia vuosit-tain, leikkaavat LED-valoverholla välivalotetun ja suurpainenatriumvalaisimilla väliva-lotetun kasvihuoneen kustannuskuvaajat viiden prosentin laskentakorkokantaa käyttäen noin 2,7 vuoden kohdalla. Laskentakorkokannan ollessa kymmenen prosenttia leikkaa-vat kustannukset hieman aiemmin - noin kahden vuoden kohdalla. Jos ylävalon määrää ei kasvihuoneessa pudotettaisi lainkaan, kun LED-valoverho asennetaan, näyttäisivät kustannuskuvaajat kuvan 6.3 kaltaisilta. Kuvassa 6.3 LED-välivalotetussa kasvihuo-neessa kokonaisvaloteho on siis 240 W / m2 eli 96 prosenttia suurpainenatriumlampuilla välivalotetun kasvihuoneen tehosta (ylävalot 190 W / m2 ja LED-valoverho 50 W / m2).

Kuva 6.3. LED-valoverholla (LED) ja suurpainenatriumvalaisimilla (SPN) välivalote-tun kasvihuoneen nykyarvoon diskontatut valotuskustannukset, kun käytetään viiden prosentin laskentakorkokantaa ja LED-valoverhokohteen valotusteho on 96 prosenttia suurpainenatriumlampuilla välivalotetun kasvihuoneen tehosta.

Kuvaajasta voidaan päätellä, että jos LED-valoverhon tuottaman PAR-säteilyn määrä pyritään nostamaan lähelle suurpainenatriumvälivalotuksen vastaavaa arvoa, on LED-valoverho kustannusmielessä vielä nykytekniikalla niukasti - noin 100 000 euroa - pe-rinteistä valotusta kalliimpi ratkaisu. Koska tutkimusten perusteella LED-valaistuksen energiansäästömahdollisuudet ja kasvuston saamat hyödyt perustuvat kuitenkin juuri oikeanlaisen spektrijakauman saavuttamiseen PAR-alueen sisällä (luku 4.2), saattaa sähköisesti saman tehoinen LED-valoverho olla jo nykyisellään perinteistä järjestelmää tehokkaampi ja laadukkaampi kasvien valottaja kompensoiden hieman suuremman elin-kaarikustannuksen tuotetun sadon määrällä ja laadulla.

67

7. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET

Tässä diplomityössä selvitettiin kasvien välivalotukseen tarkoitetun LED-valoverhon nykytilaa ja tulevaisuuden mahdollisuuksia kasvihuoneympäristössä. Tarkoituksena oli luoda selkeä kuva LED-valoverhon eduista ja haasteista, jotta tuotteen jatkokehitykselle voitaisiin vetää selkeitä linjoja. Seuraavissa luvuissa on tiivistetty yhteenveto työn tu-loksista aihepiireittäin sekä pohdintaa aiheeseen ja jatkotoimenpiteisiin liittyen.

7.1. Yhteenveto teoreettisesta vertailusta

Teoreettisesti LEDin lähettämän PAR-säteilyn määrä wattia kohden ei ole vielä aivan yhtä hyvä kuin suurpainenatriumlampun, mutta se kehittyy nopeasti. LED-valoverhon synnyttämä tasainen säteilymäärä, kasvun kannalta oikeanlainen säteilyjakauma ja läm-pösäteilyn puuttumisen mahdollistama lyhyt asennusetäisyys kasveihin aiheuttavat kui-tenkin sen, että LED-valoverho saattaa jo nyt olla oikeanlaisissa olosuhteissa laaduk-kaampi ja tehokkaampi välivalonlähde kuin suurpainenatriumlamppu. Tätä ajatusta vahvistaa myös tieto siitä, että LEDeillä on jo vuosia sitten kasvatettu lehtisalaattia jopa 60 prosenttia pienemmällä sähköenergiankulutuksella (Leino 2005). Pienempi valais-tuksen sähköenergiankulutus ja samalla lämpöenergian tuotto mahdollistavat tulevai-suudessa myös uudenlaiset energiantuotantomahdollisuudet ja kasvihuoneolosuhteiden helpomman kontrolloinnin, joka johtaa omalta osaltaan parempaan satoon.

LED-valoverholla voidaan vaikuttaa kasvin ulkoiseen ja sisäiseen laatuun ja säily-vyyteen. Tulevaisuudessa säädettävällä LED-valoverholla tultaneen vaikuttamaan myös kasvin valorytmiin ja tuholaisten ja tautien esiintymiseen. Koska LEDit eivät juuri sätei-le lämpöä, ei LED-valoverho myöskään aiheuta kasveille lämpösäteilystä syntyviä on-gelmia.

Teknisessä mielessä LED-valoverho on oikeanlaisissa olosuhteissa kymmenen vuo-den käyttöperiodilla huoltovapaa ja sen valovirran pysyvyys on hyvä. LED-valoverhon puhdistus on helppoa ja asennuspaikasta johtuen kasvihuoneessa liikkuminen ei LED-valoverholla toteutetun välivalotuksen tapauksessa vaikeudu. Myös kasvihuoneen ulko-puolelle säteilevän häiriövalon määrä pienenee LED-valoverhoa käytettäessä. Käyttöiän lopussa LED-valoverhon kierrätys on helppoa, sillä se ei sisällä ongelmajätteitä.

7.2. Yhteenveto kenttätutkimuksista

Sähköteknisesti LED-valoverho soveltuu kasvihuoneeseen hyvin. Suurpainenatriumva-laistukseen verrattuna LED-valoverholaitteisto ei juuri kuluta loistehoa, joten siitä ei aiheudu uutta kompensointikuormaa kasvihuoneeseen. On kuitenkin huomioitava, että

68

LED-valoverholaitteisto aiheuttaa sähköverkkoon harmonisia yliaaltoja, jotka saattavat synnyttää verkkohäiriöitä. Valmiudet LED-valoverhon synnyttämien yliaaltovirtojen suodattamiseen kasvihuoneessa ovat kuitenkin olemassa, sillä jo nykyään kasvihuoneis-sa suodatetaan suurpainenatriumvalaistuksen aiheuttamia kolmansia yliaaltoja.

Tämän diplomityön kenttätutkimuksissa LED-valoverhon yliaaltovirrat eivät pahen-taneet verkkovirran kokonaissäröä, vaan valaisinten yhteiskäytössä kokonaissäröpro-sentti pieneni verrattuna pelkkään suurpainenatriumvalaistukseen. Tämä ilmiö on kui-tenkin melko tapauskohtainen, sillä säröprosentin pieneneminen aiheutui juuri oikean-laisesta vaihesiirrosta suurpainenatriumvalaistuksen ja LED-valoverhon syöttövirtojen välillä.

Säätötapana LED-valoverholle kannattaa tulevaisuudessa käyttää pulssinleveysmo-dulointia (PWM), joka antaa mahdollisuuden säätää järjestelmää välillä 0 - 100 prosent-tia. PWM-ohjauksella myös säädönaikainen hyötysuhde pysyy parempana ja säteilyja-kauman huiput liikkuvat vähemmän. (Valdivia Navarro 2010.)

Luultavasti ympäristön olosuhteista johtuen LED-valoverholla ei näissä kasvatusko-keissa saavutettu odotettua sadon tuotanto- ja energiatehokkuuden paranemista. Perin-teisen valaistuksen kanssa päästiin kuitenkin samaan tuotantotehokkuuteen, mikä jo si-nällään oli hyvä merkki. LED-valoverhon hyvinä puolina tutkimuksissa tuli myös esille, että LEDeillä lisävalotetut kasvustot ja hedelmät olivat koko tutkimuksen ajan vihreäm-piä ja terveempiä kuin pelkästään ylävalotetut. LEDeillä myös kasvitaudit, kuten härmä ja homesienet, näyttivät pysyvän paremmin kurissa. Kenttätutkimukset vahvistivat siis jo teoriatutkimusten pohjalta muodostunutta käsitystä siitä, että LED-välivalotuksella kasvustot pysyvät kaikin puolin terveempinä. (Helenius & Kivelä 2009; Kivelä 2009.)

7.3. Yhteenveto elinkaarikustannuslaskelmista

Laskelmien perusteella LED-valoverhojärjestelmän hankintahinta on lähes seitsenker-tainen verrattuna perinteiseen suurpainenatriumvälivalaistukseen. Jos kuitenkin olete-taan, että optimaalista LED-valoverhoa käytettäessä kattovalaistusta voidaan vähentää 30 prosenttia, on kymmenen vuoden kokonaiskustannuksien nykyarvo LED-valoverholla välivalotetussa kasvihuoneessa jopa 25 prosenttia pienempi kuin suur-painenatriumvalaisimia käytettäessä. Rahassa tämä tarkoittaa hieman korkokannasta riippuen noin 1 - 1,5 miljoonan euron kustannussäästöjä (taulukko 7.1). Suurin vaikutta-ja pitkän ajan kustannussäästöissä on alhaisempi sähköenergian kulutus, mutta myös LED-valoverhon alemmat huolto- ja ylläpitokustannukset vaikuttavat kokonaiskustan-nuksiin merkittävästi. LED-valoverho tulee tällaisella valotusratkaisulla hieman lasken-takorkokannasta riippuen perinteistä järjestelmää halvemmaksi sen jälkeen, kun sitä on käytetty 2 - 3 vuotta.

69

Taulukko 7.1. LED-valoverholla ja suurpainenatriumvalaisimilla välivalotetun kasvi-huoneen investointikustannusten nykyarvo, kun investointiajaksi on määritetty kymme-nen vuotta. Ylävalot ja välivalot suurpainenatriumvalaisimia (250 W / m2) 0 % korkokanta 5 % korkokanta 10 % korkokanta

Välivalaistuksen hankintahinta 80 180 € 80 180 € 80 180 €

Sähköenergian ja sähkönsiirron kustannukset 10 vuodessa 9 204 000 € 6 841 400 € 5 250 000 €

Ylä- ja välivalaistuksen ylläpito- ja huoltokustannukset 10 vuodessa 304 000 € 236 400 € 188 700 €

Kymmenen vuoden investointikustannuksien nykyarvo yhteensä 9 588 180 € 7 157 980 € 5 518 880 €

Ylävalot suurpainenatriumvalaisimia ja välivalona LED-valoverho (175 W / m2) 0 % korkokanta 5 % korkokanta 10 % korkokanta

Välivalaistuksen hankintahinta 555 000 € 555 000 € 555 000 €

Sähköenergian ja sähkönsiirron kustannukset 10 vuodessa 6 487 000 € 4 821 900 € 3 700 200 €

Ylä- ja välivalaistuksen ylläpito- ja huoltokustannukset 10 vuodessa 142 000 € 109 700 € 87 800 €

Kymmenen vuoden investointikustannuksien nykyarvo yhteensä 7 184 000 € 5 486 600 € 4 343 000 €

Jos ylävalon määrää ei kasvihuoneessa pudoteta lainkaan kun LED-valoverho asenne-taan, on LED-valoverhon elinkaarikustannus vielä nykytekniikalla niukasti perinteistä välivalotusta kalliimpi ratkaisu. Koska sähköisesti saman tehoinen LED-valoverho saat-taa kuitenkin jo nykyisellään olla perinteistä järjestelmää tehokkaampi ja laadukkaampi kasvien valottaja, voidaan sen olettaa kompensoivan hieman suuremman elinkaarikus-tannuksen tuotetun sadon määrällä ja laadulla.

7.4. Johtopäätökset ja jatkotoimenpiteet

LED-valaistuksella on paljon ominaisuuksia, joiden johdosta sillä on runsaasti potenti-aalia nousta yhdeksi merkittävimmistä keinovalonlähteistä kasvihuoneissa. Kasvihuo-neiden kokonaisvalotusratkaisuja LEDeillä ei vielä pystytä tehokkaasti toteuttamaan, mutta välivalonlähteinä LEDit ovat jo toimiva ratkaisu. Kattoon asennetun suur-painenatriumvalaistuksen ja LED-välivalotuksen yhteiskäytöllä saavutetaan merkittäviä hyötyjä erityisesti korkeiden kasvustojen valotuksessa. LED-välivalotuksen avulla kas-vihuoneissa pystytään kasvattamaan tehokkaasti laadukkaampaa kasvustoa kuin pelkkää suurpainenatriumvalaistusta käytettäessä. Kaikki tehdyt tutkimukset viittaavatkin siihen, että LED-välivalotus tulee lisääntymään kaupallisissa kasvihuoneissa jo lähivuosina.

Diplomityössä tutkittu LED-valoverho on kaikin puolin toimiva LED-välivalotusratkaisu, jonka kehitystyötä tulisi aktiivisesti jatkaa. LED-valoverholla saa-vutetaan merkittäviä hyötyjä perinteisiin suurpainenatriumvälivalaisimiin verrattuna, ja se on myös nykyisiin LED-välivalotusratkaisuihin verrattuna kilpailukykyinen tuote niin teknisesti kuin toiminnallisestikin. Aktiivisesti ja huolella kehitettynä LED-valoverhosta saattaa tulevina vuosina tulla yksi merkittävimmistä tuotteista kasvihuo-neiden välivalotuksessa. Tutkimus- ja kehitystyötä tulisi jatkossa kuitenkin tehdä erityi-sesti LED-valoverhon säteilyjakauman, säteilymäärän ja tulevaisuudessa entistä tärke-ämmän ohjattavuuden parissa. Samassa yhteydessä voisi olla tarpeellista miettiä myös

70

LED-valoverhon rakennetta uudelleen, ettei sen lämpötila pääsisi nousemaan käytetyille LEDeille liian korkeaksi. LED-valoverhon lämpötila on tutkimuksen perusteella ainoita tekijöitä, joka saattaa tuotteen kehitystä jarruttaa.

Sisällöllisesti diplomityö onnistui päällisin puolin hyvin, ja se tarjoaa lukijalle mel-ko kattavan tietopaketin LED-tekniikasta, kasvihuonevalotuksesta ja kasvien ja valon välisestä maailmasta. Tietoa diplomityöhön yritettiin kerätä laajalta alueelta eri alojen tutkimuksista ja julkaisuista, jotta työhön olisi saatu mahdollisimman riippumattoman näkökanta alan tilasta ja kehityksestä. Toivottavasti tämä kattava taustatutkimus näkyy positiivisessa mielessä myös lukijalle. Koska työn aihealue oli melko laaja, jouduttiin työn useita osa-alueita käsittelemään kuitenkin valitettavan pintapuolisesti. Aihepiirin rajaamisella tältä olisi voitu välttyä, mutta toisaalta rajaaminen olisi ollut melko hanka-laa. Työn tavoitteena oli kuitenkin koota yksiin kansiin neljä vuotta kestäneen valover-hoprojektin tärkein aineisto.

Joitain suoranaisia ongelmiakin työn tekemisessä oli. Erityisesti päänvaivaa aiheut-tivat käytännön mittausten ja tutkimusten tulokset, joissa oli suuria epäselvyyksiä. Kent-tätutkimusten analyysivaiheessa tulosten tulkinnassa ja esittämisessä jouduttiin käyttä-mään suurta harkintaa, ja paljon tutkimustietoa jouduttiin myös jättämään kokonaan pois lopullisesta työstä. Onneksi kuitenkin loppujen lopuksi myös kenttätutkimukset onnistuttiin raportoimaan kohtuullisella tarkkuudella.

Toivon, että tästä diplomityöstä tulee olemaan tulevaisuudessa hyötyä niin NetLED Oy:n tuotekehitysväelle kuin myös muille alan tutkimus- ja kehitystyötä tekeville ihmi-sille eri tutkimuslaitoksissa ja yrityksissä. Aihepiiri on kiinnostava ja ainakin tämän dip-lomityön perusteella myös kehityksen suunta on oikea. LED-tekniikan kanssa on hyvä jatkaa kohti energia- ja ympäristöystävällisempää maailmaa, myös kasvihuoneissa.

71

LÄHDELUETTELO

Aðalsteinsson, S., Gunnlaugsson, B. 2004. Millilýsing í vetrarræktun tómata. Garðyrk-jufréttir 216, 27, 7 s. [Viitattu 27.1.2010] Saatavissa: http://www.landbunadur.is/landbunadur/wgsamvef.nsf/0/42f310d4fdf0ee2c00256fa8003b2a1b/$FILE/0216.pdf Akkerhuis, F. J. 2003. Uitgebalanceerd verduisteringsdoek maakt doorbelichten roos mogelijk. Vakblad voor de Bloemisterij. s. 46-47. Andersson, N. E., Rystedt, J. & Skov, O. 1999. Er du indstillet på lyssumstyring? Gart-ner Tidende 115. Vol 42. s. 1 - 17. Annala, T. 1992. Valaistuksen ja energiankäytön tehostaminen ympärivuotisessa kasvi-huoneviljelyssä. Diplomityö. Helsingin teknillinen korkeakoulu. Bischoff, J. 2008. Osram Opto Semiconductors. Ledit - valaistuksen uudet mahdolli-suudet. Helsinki 27-28.2008. Seminaarimateriaali. 22 s. Björn, L. O. 1976. Light and Life. London. Hobber & Stoughton. 249 pp. Chen, L. 2009. The Yield and Biomass Response of Cucumbers to Solid State Lighting. Helsinki. Helsingin yliopisto - Soveltavan biologian laitos. Julkaisematon selvitys. 14 s. Cree, Inc. 2010. Cree Breaks 200 Lumen Per Watt Efficacy Barrier. Press release. [Vii-tattu 16.3.2010] Saatavissa: http://www.cree.com/press/press_detail.asp?i=1265232091259. da Costa, G. J. C. & Cuello, J. L. 2004. The phytometric system: A new concept of light measurement for plants. Journal of the Illuminating Engineering Society, Vol 33 (1). pp. 33-42. Du, H., Fuh, R. A., Li, J., Corkan, A. & Lindsey, J. S. 1998. PhotochemCAD: A com-puteraided design and research tool in photochemistry. Photochemistry and Photo-biolog. Vol. 68. pp. 141-142. Energiamarkkinavirasto. 2010. Sähkön hinnan kehitys 1.3.2010. [Viitattu 20.4.2010]

72

Saatavissa: http://www.energiamarkkinavirasto.fi/files/Kehitys1003.xls Gu, Y. Narendran, N., Dong, T. & Wu, H. 2006. Spectral and luminous efficacy change of high power LEDs under different dimming methods. Sixth International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE 6337, 63370J. [Viitattu: 12.2.2010] Saata-vissa: http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/pdf/Gu-SPIE6337-17.pdf Halonen, L. 2003. LED-valaistusjärjestelmä lähellä läpimurtoa. CUBE - Talotekniikan teknologiaohjelma 2002-2006 - Vuosiseminaari 2003. Helsinki 10.10.2003. Seminaari-materiaali. [Viitattu 8.12.2009] Saatavissa: http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/CUBE/fi/Dokumenttiarkisto/Viestinta_ja_aktivointi/Seminaarit/Seminaarit_2003/vuosiseminaari_2003/ 41_Liisa_Halonen.pdf Halonen, Liisa. Professori, tekniikan tohtori, Teknillinen korkeakoulu, valaistuslabora-torio. Helsinki. Haastattelu 3.11.2006. Hart J. W. 1988. Light and Plant Growth – Topics in Plant Physiology: 1. London. Un-win Hyman. 204 pp. Heikkinen, V. 2007. Edessämme loistava tulevaisuus – Ledit tulevat. Esselloo. 1, s. 28 - 29. Heinonen, T. 2000. Ongelmajäteopas. Forssa. Ekokem Oy Ab. 272 s. Helenius, J. & Kivelä, J. 2009. Tilaustutkimus: Led-valon käyttö kurkun viljelyssä. Hel-sinki. Helsingin yliopisto - Soveltavan biologian laitos. Tutkimusyhteenveto. 2 s. Hovi, T. 2002. Tekovalojen uusi sijoitustapa tehostaa kasvihuonetuotantoa. Koetoiminta ja käytäntö 59, 4, s. 6. Jenkins, D. 2010. Ledit kasvihuonevalotuksessa - faktaa vai fiktiota. Puutarha & Kaup-pa 14, 6, s. 14 - 15. Jenkins, Daniel. 2009. Key Account Manager, Philips Oy, Lighting OEM. Honkajoki. Haastattelu 3.2.2009. Jokiniemi, J. 2003. Päivänsäde vai menninkäinen. Seminaarityö. Tekninen korkeakoulu. Kaasalainen, Eero. 2009. Area Sales Manager, Powernet Oy. Vantaa. Haastattelu 26.8.2009.

73

Kallioharju, K. 2007. LED-valaistuksen soveltaminen kasvihuoneympäristössä. Opin-näytetyö. Tampere. Tampereen ammattikorkeakoulu. 53 s. [Viitattu 4.5.2010]. Saatavis-sa: https://publications.theseus.fi/bitstream/handle/10024/9852/Kallioharju.Kari.pdf?sequence=2 Kauppapuutarhaliitto ry. 2003. Talviviljelyn kehittämishanke, kurkunviljelijöiden han-keryhmä. Kokousmuistio 7.1.2003. 8 s. Kauppapuutarhaliitto ry. 2009. Jäsenkirje 6, 1 s. Kauppapuutarhaliitto ry. 2009. [Viitattu 30.11.2009]. Saatavissa: www.kauppapuutarhaliitto.fi Kivelä, Jukka. 2009. Projektitutkija. Helsingin yliopiston soveltavan biologian laitos. Sähköpostiviesti 18.2.2009. Kivioja, Esa. 2009b. Toimitusjohtaja, KKK-Vihannes Oy. Sähköpostiviesti 28.1.2009. Kivioja, Esa. 2009c. Toimitusjohtaja, KKK-Vihannes Oy. Sähköpostiviesti 2.9.2009. Kivioja, Esa. 2010b. Toimitusjohtaja, KKK-Vihannes Oy. Puhelinhaastattelu 4.5.2010. Kivioja, Niko. 2009a. Diplomi-insinööri, Project Manager, NetLED Oy. Sähköposti-viesti 22.9.2009. Kivioja, Niko. 2010a. Diplomi-insinööri, Project Manager, NetLED Oy. Sähköposti-viesti 6.4.2010. Kopcewicz J. & Lewak S. 1998. Podstawy fizjologii roślin. Warsaw:PWN. 725 pp. Kudo, R., Ishida, Y., Yamamoto, K., Suekane, A & Komatsu, S. 2009. Effects of Green Light Irradiation on Induction of Disease Resistance in Plant. Takamatsu. Sikoku Re-search Institute Inc, Biotechnology Department. Report. 1 p. LED Stripe Presenation. 2009. Amitytech. Unpublished report. 8 p. LEDtronics, Inc. 2007. LED Plant Light Technology Comparison. Research Lab Re-port. 4 pp. [Viitattu 27.4.2010]. Saatavissa: http://dl.ledtronics.com/pdf/LED_Plant_Light_Technology_Comparison_Ledtronics.pdf

74

Lehtovaara, J. 2008. LED-tutkimukset ja -mittaukset TKK:ssa. Ledit - valaistuksen uu-det mahdollisuudet. Helsinki 27.8.2008. Seminaarimateriaali. 15 s. Leino, R. 2005. Salaatti rakastaa LED-valoa. Tekniikka & Talous. [Viitattu 30.11.2009] Saatavissa: http://www.tekniikkatalous.fi/energia/article29167.ece Ludvig Svensson. 2003. Saatavissa: http://www.ludvigsvensson.com Lumileds claims LED luminance records. 2006. LEDs Magazine. [Viitattu 30.11.2009]. Saatavissa: http://ledsmagazine.com/articles/news/3/6/23/1 Luopajärvi, Juhani. 2009. Toimitusjohtaja, Insinööritoimisto Luopajärvi Oy. Sähköpos-tiviesti 26.7.2009. Maa- ja metsätalousministeriö. 2003. Maa- ja metsätalousministeriön tietopalvelukeskus TIKE. Murmann, T. 2005a. Kurkun ja tomaatin talviviljelyn kehittäminen. Hankeraportti. Kauppapuutarhaliitto ry. 97 s. Murmann, T. 2006. Miten kasvihuonetuotanto voi kehittyä? Puutarha & kauppa 10, 6, s. 24 - 25. Murmann, T. 2009a. Tomaatin talviviljely. Tieto & Tulos, Puutarha & Kaupan erikois-julkaisu 13, 14, 4 s. Murmann, T. 2010. Apua vihannesviljelyyn väli- ja LED-valoilla. Puutarha & Kauppa 14, 3, s. 12 - 13. Murmann, Tom. 2009b. Maa- ja metsätaloustieteiden maisteri, vihannesviljelyn asian-tuntija, Kauppapuutarhaliitto ry. Sähköpostiviesti 24.9.2009. Mäki, J. 2008. Muovioptiikka ja LED-valojen hyötykäyttö. Ledit - valaistuksen uudet mahdollisuudet. Helsinki 27.8.2008. Seminaarimateriaali. 7 s. Nhut, D. T. 2002. In Vitro growth and physiological aspects of some horticultural as-pects cultured under red and blue light-emitting diodes (LEDs). Doctoral Thesis. Kaga-wa University. Japan. Nhut, D. T., Takamura, T. Watanabe, H. & Tanaka, K. 2000. Light Emitting Diodes (LEDs) as radiation source for micropropagation of strawberry. In: Kubota C, Chun C (Eds.) Transplant Production in the 21st Century. Kluwer Academic Publishers. pp.

75

114-118. Nhut, T. D. & Nam, N. B. 2010 Light Emitting Diodes (LEDs): An Artificial Lighting Source for Biological Studies. In: Proceedings of the 3rd International Conference on the Development of BME in Vietnam. 11-14th Jan 2010, pp. 133 - 138. Nichia Corporation. 2009. Specifications for Nichia White LED. Mo-del:NSPWR70CSS-K1. 2009.. [Viitattu 7.10.2009]. Saatavis-sa:http://www.nichia.co.jp/specification/led_09/NSPWR70CSS-K1-E.pdf Niskanen H. & Savela K. 2008. ST-kortti 57.52 - LED Valaistusjärjestelmät. Espoo. Sähkötieto Ry. 12 s. Nord Pool ASA. 2010. Elspot monthly prices. [Viitattu 20.4.2010] Saatavissa: http://www.nordpool.com/system/flags/elspot/area/all/ Näkkilä J., Särkkä, L. & Tahvonen R. 2001. Ympärivuotinen tuotanto tehostaa kasvi-huoneviljelyä. Koetoiminta ja käytäntö 58, 3, s. 12. Näkkilä, J., Hovi-Pekkanen, T. & Tahvonen, R. 2006. Ympärivuotisen kasvihuonevi-hannestuotannon tehostaminen. Suomen maataloustieteellisen seuran tiedote, 21, 6 s. (Viitattu 16.11.2009). Saatavissa : http://www.smts.fi/pos06/0101.pdf Oksanen, E. 2008. Kasvifysiologian luennot 140133, moniste II. Joensuun Yliopisto. Opetusmateriaali. [Viitattu 16.11.2009]. 55s. Saatavissa: http://www.joensuu.fi/biologia/oksanen/Kasvifysiologia_II.pdf Osram Opto Semiconductors. 2009b. Reliability Test Data 060287C3. [Viitattu 6.5.2010] Saatavissa: http://www.luxbetter.com/pdf/z/Osram%201W%20LED%E5%85%89%E8%A1%B0%E6%9B%B2%E7%BA%BF%E5%9B%BE.pdf Osram Opto Semiconductors. 2009a. 6-Lead MULTILED Enhanced optical Power LED (ThinFilm/ThinGaN) LRTB G6TG. Preliminary Data acc. to OS-PCN-2006-006-A1-B. [Viitattu 23.11.2009]. Saatavissa: http://catalog.osram-os.com/catalogue/catalogue.do;jsessionid=CD68301D2C427C179B82A5C9003E54E9?act=downloadFile&favOid=020000010003f0ee000100b6 Paakkinen, M. 2009. LED, Light Emitting Diode. Teknillinen korkeakoulu. Opetusma-teriaali. [Viitattu 10.2.2010]. 67 s. Saatavissa: https://noppa.tkk.fi/noppa/kurssi/s-118.3216/materiaali/S-118_3216_led-kalvot.pdf Pankakoski, A. 2003. Puutarhurin kasvioppi. Helsinki. Opetushallitus. 314 s.

76

Pinho, P. 2008. Usage and Control of Solid-state Lighting for Plant Growth. Disserta-tion. Espoo. Helsinki University of Technology, Department of Electronics – Lighting Unit. Report 49. 60 pp. Pinho, P., Moisio, O., Tetri, E., Halonen, L. 2004. Photobiological aspects of crop plants grown under light emitting diodes. In: Proceedings of the CIE Symposium 04, LED Light Sources: Physical Measurements and Visual and Photobiological Assess-ment. Tokyo, Japan. pp. 71-74. Pinho, P., Tetri, E. & Halonen, L. 2005. Design and performance assessments of solid state light sources for plant growth. In: Proceedings of the 10th European Lighting Con-ference Lux Europa 2005: Lighting for Humans. Berlin, Germany. 19 - 21 September 2005, pp. 297-301. Rantanen, K. Palkitut ledit syntyivät sisulla ja tuurilla. Tiede 26, 6, s. 16-23. Rea, M. S. 2000. The IESNA LIGHTING HANDBOOK. Ninth Edition. New York. Illuminating Engineering Society of North America. 1004 pp. Round, H. J. 1907. Discovery of electroluminescence - blue light emission from Silicon Carbide (SiC). Electron World. Vol. 19. pp. 309. Ruukki, J. 2003. Valosta syöpää. Tiede 23, 6, s. 28-29. Rystedt, J. 1999. Lyssumstyring og elbesparelse i væksthusgartnerier. Gartner Tidende 115. Vol 41. s. 10-11. Sager, J. C., Smith, W. O.,Edwards, J. L. & Cyr, K. L. 1988. Photosynthetic efficiency and phytochrome photoequilibria determination using spectral data. Trans. ASAE. Vol. 31. pp. 1882-1889. Schetelig. 2003. Saatavissa: http://www.schetelig.com Schubert, E. F. 2003. Light-emitting diodes. Cambridge. Cambridge University Press. pp. 315. Schuerger, A. C. & Brown, C. S. 1997. Spectral quality affects disease development of three pathogens on hydroponically grown plants. HortScience. Vol. 32. pp. 96-100.

77

Schuerger, A. C., Brown, C. S. & Stryjewski, E. C. 1997. Anatomical features of pepper plants (Capsicum annuum L.) grown under red light-emitting diodes supplemented with blue or far-red light. Ann. Bot. London. Vol. 79. pp. 273-282. Schuerger, A. C., Brown, C. S. & Stryjewski, E. C. 1997. Anatomical features of pepper plants (Capsicum annuum L.) grown under red light-emitting diodes supplemented with blue or far-red light. Ann. Bot. London. Vol. 79. pp. 273-282. Selvitys valoviljelymarkkinoista maailmalla. 2006. Helsinki. Finpro. Julkaisematon sel-vitys. 39 s. Seppä-Murto, Auvo. 2009. Myynti-insinööri, Oy Schetelig Ab. Sähköpostiviesti 1.6.2009. SFS 6000-7-705. 2007. Pienjännitesähköasennukset. Osa 7-705: Erityistilojen ja -laitteistojen vaatimukset. Maa- ja puutarhatalouden laitteistot. Helsinki. Suomen stan-dardoimisliitto. 13 s. SFS 6000-7-715. 2007. Pienjännitesähköasennukset. Osa 7-715: Erityistilojen ja -laitteistojen vaatimukset. Pienoisjännitteiset valaistusjärjestelmät. Helsinki. Suomen standardoimisliitto. 5 s. SFS-EN 12464-1. 2003. Valo ja valaistus. Työkohteiden valaistus. Osa 1: Sisätilojen työkohteiden valaistus. Helsinki. Suomen Standardisoimisliitto. 69 s. Simpson, R. S. 2003. Lighting Control - technology and applications. Boston. Focal Press. 564 pp. Sleegers, J. 2008. Eerste led-proeven met wisselend success. Vakblad voor de Bloemis-terij 12. S. 36-37. [Viitattu 6.5.2010] Saatavissa: http://www.vakbladvoordebloemisterij.nl/pdf/930d14e183f87cb059336d50b6b99928.pdf Soini, M. 2006. Valot väliin ja liikkeelle. Puutarha & Kauppa 10, 6, s. 10-11. Särkkä L., Luomala E-M., Hovi-Pekkanen T., Kaukoranta T., Tahvonen R., Huttunen J. & Alanikula M. 2008. Kasvihuoneen jäähdytyksellä parempaan ilmastoon ja satoon. Maa- ja elintarviketalous 122. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus. 102 s. Särkkä, L.E., Hovi-Pekkanen, T., Tahvonen R. & Huttunen, J. 2006. Greenhouse cool-ing in summer in Finland - Preliminary results of climate control and plant response. In: International Symposium on Greenhouse Cooling: methods, technologies and plant re-

78

sponse : book of abstracts : Almeria, Spain, 24-27 April 2006. International Society for Horticultural Science. pp. 67. Tahvonen, R. 2009. Nykyaikainen kasvihuone on energiatehokas. Puutarha & Kauppa 13, 17, s. 4-6. Tike, Puutarhayritysrekisteri. 2009. Energian käyttö yrityksissä, joissa yli 1 000 m2 lämmitettävää kasvihuonealaa vuosina 2006 ja 2008. [Viitattu 20.4.2010] Saatavissa: http://www.maataloustilastot.fi/sites/default/modules/pubdlcnt/pubdlcnt.php?file=http://www.maataloustilastot.fi/sites/default/files/Energian_kulutus_kasvihuoneissa_2006_ja_2008.xls&nid=88. Timonen, P. 2010. Led-valoilla säästöä sähkökuluihin. PUUTARHA-sanomat 9, 5, s. 29. Trouwborst, G., Oosterkamp J., Hogewoning, S. W., Harbinson, J. & van Ieperen, W. 2009. The responses of light interception, photosynthesis and fruit yield of cucumber to LED-lighting within the canopy. Physiologia Plantarum. Vol 138. pp. 289-300. Tuominen, J & Murmann, T. 2009. LED-valoverhomittauksia. Helsinki. Kauppapuutar-haliitto. Julkaisematon selvitys. 13 s. Tuote-esite. 2010. MASTER Agro 400W E40 1SL. Philips. 5 s. [Viitattu 30.4.2010]. Saatavissa: http://www.prismaecat.lighting.philips.com/FredhopperPDFWebServiceInter/docts/ff6f4d97-34eb-4b9e-8d18-fbc5a7b6a010/MASTER_Agro_400W_E40_1SL.pdf Urbonavičiūtė, A., Pinho, P., Samuolienė, G., Duchovskis, P., Vitta, P., Stonkus, A., Tamulaitis, G., Žukauskas, A. & Halonen, L. 2007. Effect of short-wavelength light on lettuce growth and nutritional quality. Scientific Works of the Lithuanian Institute of Horticulture and Lithuanian University of Agriculture. Sodininkystė ir Daržininkystė, Vol. 26, 1, pp 157-165. Valdivia Navarro, S. 2010. DIMMING HIGH-POWER LEDs. Final Thesis. Tampere. Tampere University of Applied Sciences. pp. 43. Vildaphoto. 2009. [Viitattu 30.11.2009] Saatavissa: http://www.vildaphoto.net/photo.php?id=4698 Volanen, I. 2008. Valosta, Led jyrää. Ledit - valaistuksen uudet mahdollisuudet. Hel-sinki 27.8.2008. Seminaarimateriaali. 34 s.

79

VTT. 1999. Energia Suomessa, tekniikka, talous ja ympäristövaikutukset. VTT Energia. Oy Edita Ab. Wilfried, P. & Tetri, E. 2006. Luminaires with LEDs. E³Light - Annex 45 Energy Effi-cient Electric Lighting for Buildings. Biannual Newsletter. 1, pp. 4. Williamson S. J. & Cummins H. J. 1983. Light and Color in Nature and Art. New York. Wiley-VCH. pp. 512. Wilm, Alexander. 2009. Greenhouse simulation. Singapore. Osram Opto Semiconduc-tors. Unpublished report. 5 p. Äystö, H. & Rahtola, M. 2004. Kasvihuoneyrittäjän ympäristöopas. Helsinki. Kauppa-puutarhaliitto ry. 139 s. Österman, P. 2001. Valokurkun tuotantokustannus ja kannattavuus. Taloustutkimus (MTTL), selvityksiä 21/2001.