Technik
Licht 4 | 2021

Abkühlung für künstliche Sonnen

LED-Auswahl und Thermomanagement bei Urban Farming

Wohnen oder ernten? Die Frage ist eher: Wie effizient darf es sein? Durch Bevölkerungswachstum und klimatische Veränderungen verschiebt sich das Verhältnis zwischen Wohn- und Nutzfläche zu Ungunsten der Agrarwirtschaft. Für eine effiziente Lösung sind moderne Formen des Anbaus und passende Beleuchtungstechnologien gefragt.

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Abb.: Beim Einsatz einer »künstlichen Sonne« im Horticulture Lighting ist wirkungsvolles Thermomanagement gefragt. Zapp2photo / stock.adobe.com

Um wetter- und lageunabhängig ausreichend Getreide, Obst und Gemüse zu produzieren, sind alternative Agrarflächen nötig. Beim sogenannten Urban Farming werden hierfür bereits stillgelegte U-Bahn-Tunnel, Bunker oder die Dächer und Wände von Gebäuden umfunktioniert. Allerdings ist hier die für das Pflanzenwachstum erforderliche Sonnenenergie nicht jederzeit verfügbar. Deshalb kommen immer häufiger LED-Beleuchtungssysteme als Sonnenlicht-Alternative zum Einsatz. Doch nur die passende, ineinandergreifende Auswahl von LED, Treiber und Thermomanagement liefert ein optimales Ergebnis.

Bestmögliche Photosynthese mit dem passenden Lichtspektrum

Um die Photosynthese der Pflanzen bei der Verwendung von künstlichem Licht zu fördern, ist die richtige Kombination aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen nötig. Nur die Wellenlängen 450, 660 und 730 nm und etwas grünes Licht mit 520 bis 550 nm wirken sich auf die Photosynthese aus. Je nachdem, ob die Pflanze sich in der Keimung, der vegetativen Phase oder der Fertilisation befindet, ist eine andere Zusammensetzung ideal. Auch Pflanzen haben ein »Zeitgefühl« das aus den Wellenlängen des natürlichen Lichts im Tagesverlauf resultiert. So sind gegen Abend 730 nm (Far Red) optimal, um die Pflanzen auf die Nachtruhe vorzubereiten, während 450 nm (Deep Blue) und 660 nm (Hyper Red) für die Photosynthese benötigt werden.

Es gibt eine Vielzahl an LEDs mit den unterschiedlichen Wellenlängen, die sich für ein individuelles Horticulture-Board kombinieren lassen. Die Bandbreite reicht von High-Power-LEDs mit großer Helligkeit über UV-B- und UV-A-LEDs, die vor Keimen, Sporen und Bakterien schützen, bis hin zu Mid-Power LEDs, die zwar nicht so hell wie High-Power-Varianten, dafür aber kostengünstiger sind. Die große Menge an LEDs auf einem typischen Horticulture-Board erfordert eine leistungsstarke Energieversorgung. Versieht man die LEDs zusätzlich mit einer Sekundäroptik, lassen sich das Farbspektrum sowie der Bestrahlungswinkel des Lichts besser kontrollieren. Je nach Dichte der LEDs kann das Licht gebündelt oder gestreut werden, um die Lichtintensitäten zu variieren und den Ansprüchen der jeweiligen Pflanze gerecht zu werden.

Thermomanagement für optimierte LED-Lebensdauer

LEDs sind erheblich effizienter als herkömmliche Halogenlampen, sie nutzen bis zu 50 % der elektrischen Energie, um sichtbares Licht zu erzeugen. Damit geben sie aber immer noch rund die Hälfte der aufgenommenen Energie als Wärme ab. Da die LEDs immer kleiner werden und gleichzeitig mehr Energie benötigen, steigt auch die Wärmeentwicklung, die die Lebensdauer der LEDs nachhaltig beeinflusst. Bei zu hohen Temperaturen können sie bis zu 1/6 davon verlieren. Ein effizientes Wärmemanagement trägt wesentlich dazu bei, die Leistungsfähigkeit der LEDs so lange wie möglich zu erhalten. Damit reduzieren sie auch den Austausch- und Wartungsbedarf während des Betriebes erheblich.

Eine pauschale Lösung für das Thermomanagement gibt es nicht, da hier zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen sind: Kommen Low-Power-, Mid-Power- oder High-Power-LEDs zum Einsatz? Was für Temperaturen sind zu erwarten? Wie viel Platz steht in der Applikation zur Verfügung? Spielt die Geräuschentwicklung eine Rolle? Unterschieden wird hierbei zwischen passiven und aktiven Lösungen. Zu den passiven zählen Kühlkörper und Wärmeleitfolien von Herstellern wie Assmann, Fischer Elektronik oder 3M. Aktive Lösungen sind Lüfter und Gebläse, sie werden zum Beispiel von Adda, Delta und Jamicon angeboten.

Designfreundliche Kühlkörper

Kühlkörper werden vor allem nach ihrem Material unterschieden. Strangkühlkörper aus Aluminium sind ideal, wenn relativ viel Wärme effektiv abzuleiten ist. Auch für kostensensitive Anwendungen eignen sie sich durch ihren attraktiven Anschaffungspreis. Zudem bieten sie die Hersteller auch als kundenspezifische Lösung an, so dass ihre Größe genau an die abzuleitende Wärme angepasst ist.

Kunststoffkühlkörper sind wärmeleitend, aber elektrisch isolierend und bieten – je nach Kunststoffverbund – eine hohe Lichtreflektion. Der Kunststoff lässt sich direkt als Gehäuse nutzen, so dass kein zusätzliches Kühlelement erforderlich ist. Durch die Reflexionsfähigkeit des Kunststoffs verlieren die Lichtstrahlen nicht an Helligkeit. Kunststoffkühlkörper sind – wie Aluminium-Kühlkörper – designfreundlich, aber deutlich leichter als diese. Damit eignen sie sich hervorragend für Anwendungen, bei denen es auf jedes Gramm ankommt.

Ein Kunststoff, der sich besonders gut für die Wärmeübertragung und -ableitung eignet, ist Bornitrid, auch »das weiße Graphit« genannt. Das synthetische Material mit Graphit-ähnlicher Struktur ist rein weiß und elektrisch isolierend. Wenn die Verarbeitungseigenschaften aufrechterhalten werden, hat Bornitrid einen Wärmeableitungswert von bis zu 15W/m*K. Die Kühlfüllstoffe im Bornitrid sind so konstruiert, dass sie sich einfach und in beliebiger Richtung ausrichten lassen. Dadurch kann auch die Richtung bestimmt werden, in die die Wärme abgeleitet wird – sei es vertikal oder horizontal. Bornitrid eignet sich besonders für dünnwandige und komplexe geometrische Formen, entsprechende Kühlkörper bietet Rutronik von 3M.

Unabhängig von der Art der Kühlung und vom Material kommen praktisch ausschließlich kundenspezifische Varianten zum Einsatz – zu individuell sind die Anforderungen und die räumlichen Gegebenheiten. Umso wichtiger ist professionelle Unterstützung, um die optimale Lösung für die jeweilige Anwendung zu erhalten.

Weitere Informationen:

Autoren: Burak Duman, Technical Support Mechanics; Martin Unsöld, Senior Manager Product Marketing Mechanics; Safa Demir, Product Sales Manager Opto, alle Autoren bei Rutronik Elektronsche Bauelemente GmbH, Ispringen, www.rutronik.com

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Licht 4 | 2021

Erschienen am 25. Mai 2021