DE102004057419A1

DE102004057419A1 - Gezielte Versorgung von Pflanzen mit künstlichem oder natürlichem Licht mit Hilfe von Lichtleitern

Info

Publication number: DE102004057419A1
Application number: DE102004057419A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Poisel; Olaf Dr. Ziemann; Martin Bloos; Adrian Hoffmann-Kahnt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-27
Filing date: 2004-11-27
Publication date: 2006-06-01

Abstract

Vorrichtung zum Versorgen von Pflanzen mit künstlichem oder natürlichen Licht dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle und dem zu beleuchtenden Bereich ein lichtleitendes Element eingesetzt wird.

Description

Anwendungsgebiet:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1
Stand der Technik:
Wenn kein natürliches Licht zur Verfügung steht, müssen Pflanzen künstlich beleuchtet werden. Dazu gibt es seit langem entsprechende Lösungen mit speziellen Lampen, welche die für das Gedeihen der Pflanze notwendigen spektralen Anteile der Strahlung aufweisen. Bekannt sind dazu die verschiedenen Wechselwirkungen aus der Pflanzenphysiologie (z.B. "Light and plant responses", T. H. Attridge (1990), "Photoperiodism in plants", B. Thomas & D. Vince.Prue (1997)) oder Anordnungen welche für die Raumfahrt entwickelt wurden (z.B. Produkte von Quantum Devices). Dazu werden seit geraumer Zeit auch lichtemittierende Dioden (LED) eingesetzt, welche mittlerweile den Bereich UV (365 nm) bis weit ins IR abdecken (z.B. UK Patente Application GB 2 382 014 A aus 2003)
Nachteile des Stands der Technik:
In den uns bekannten Fällen ist die Beleuchtung an einer Stelle konzentriert z.B. in Form einer Lampe mit/ohne Reflektor oder mit einer oder mehreren LED. Diese Beleuchtungseinrichtung ist dann an einer Stelle fest montiert angebracht. Die Pflanze erhält dementsprechend immer nur Licht aus einer Richtung, möglicherweise erhalten Teile der Pflanze gar kein Licht wegen Abschattungen. Zudem ist die spektrale Verteilung der Strahlung so, dass sie zwar der Pflanze nutzt, dem Betrachter jedoch die Pflanze in einem im Wortsinne "ungünstigen Licht", häufig mit einem Violett-Ton erscheinen lässt.
Aufgabe der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es, die Versorgung der Pflanze mit den benötigten Licht sicherzustellen unter Einhaltung folgender Randbedingungen:

• Versorgung möglichst der gesamten Pflanze bzw. deren Blätter, also auch der innenliegenden Bereiche und Vermeidung von Abschattungen
• Beleuchtung anpassbar an Pflanzengrösse und -form
• Beleuchtung soll die Pflanze herausstellen und nicht die Pflanze dominieren, d.h. im Bedarfsfall sollte die Beleuchtungsanordnung nahezu nicht sichtbar sein oder das "Design" der Pflanze unterstützen.
• Spektrale Verteilung einstellbar sowohl zeitlich als auch räumlich.
• Die Lichtquelle sollte mit der Pflanze einfach mitgehen können und nicht den Aufstellungsort festlegen.

Lösung der Aufgabe:
Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst: Durch die Einkopplung von Licht in Lichtwellenleiter (LWL), welche flexibel oder starr sein können, ist es möglich, Strahlung von einer auch entfernt liegenden Quelle an die Pflanze zu führen und durch Aufteilung des Lichtleiters in verschiedene Arme auch innerhalb oder um die Pflanze herum in jeder gewünschten, auch veränderbaren Konfiguration zu verteilen. Die Lichtleiter können beispielsweise Bündel aus einzelnen optischen Fasern aus anorganischen oder organischen Gläsern sein, welche nach dem zu übertragenden Spektrum ausgewählt werden können. Z.B. eignen sich polymere optische Fasern (POF) aus PMMA hervorragend für die Übertragung von Strahlung in den Bereichen um 520 nm und 650 nm, welche für das Pflanzenwachstum die grösste Bedeutung haben.
Vorteile der Erfindung:

• Auch tiefer oder abgeschattet oder innenliegende Bereiche der Pflanze bekommen Licht.
• Lichtquelle und Ort der Bestrahlung können räumlich getrennt angebracht werden, was zu geringeren Sicherheitsproblemen (z.B. Probleme mit Feuchte und el. Spannung) führt und möglicherweise schädlichen Elektrosmog nahe der Pflanze vermeidet.
• Speziell in Verbindung mit LED lassen sich die Vorteile der Miniaturisierung optimal nutzen und kompakte, unaufdringliche Einheiten bauen.
• Die Pflanze kann gleichmässiger beleuchtet werden
• Im Lichtleiter kann natürliches und künstliches Licht beliebig gemischt werden.
• In Wohn- und Büroräumen wird die künstliche Beleuchtung durch die bislang verwendeten Leuchtmittel (Lampen, LED, etc.) häufig als störend empfunden, da zwangsweise das Licht nicht nur auf die Pflanze fällt sondern auch andere Bereiche in der Umgebung. Durch gezielte Verteilung "in und an" der Pflanze wird der Wirkungsgrad erhöht, weil nur noch die relevanten Flächen beleuchtet werden.
• Die Pflanzenlampen sind häufig nicht sehr ansprechend in ihrer Gestaltung. Mit dem Einsatz von LWL kann die Lichtquelle bei Bedarf an einem abgesetzten Ort untergebracht werden und die Lichtverteilung über den LWL sogar als dekoratives Element eingesetzt werden.
• Durch entsprechend Steuerung lassen sich in Verbindung LED und LWL auch Effekte erzielen, welche die natürliche Umgebung besser nachbilden, z.B. zeitlich variierender Sonnenstand (Tagesrhythmus, Jahresrhythmus) oder spektral unterschiedliche Verteilungen für verschieden Wachstumsphasen, z.B. durch geregelte Einkopplung aus verschiedenen LED. Ein natürlicher Tagesverlauf lässt sich mit einfachen Mitteln ohne große, störende Mechanik nachbilden, spektral wie von der Winkelverteilung. Auch läßt sich während der Zeit, in der die Pflanze von Menschen betrachtet wird, diese mit weissem Licht beleuchten (z.B. durch Zumischung von grünem Licht) und in der andern Zeit energiesparend auf den für das Pflanzenwachstum unnötigen grünen Anteil verzichten. All dies lässt sich zentral erreichen und entweder gleich für alle Teile der Pflanze oder nur für bestimmte Bereiche verteilen.
• Das Spektrum kann dem Pflanzentyp angepasst werden.
• Im LWL wird das Licht gemischt, erscheint also z.B. nicht als diskreter blaugrüner oder roter Punkt einer LED
• Durch entsprechende Formung der Lichtauslässe kann eine Vielfalt von Beleuchtungsverteilungen erzeugt werden, von eng gebündelt bis weit aufgefächert.
• Man kann die Lichterzeugung an einer Stelle (ggf. gut zugänglich und damit servicefreundlich) mit leistungsstarken, auch "klobigen" Lampen, auch für mehrere Pflanzen realisieren und verschieden aufgeteilt den jeweiligen Pflanzen zuführen. Damit erreicht man eine hohe Flexibilität bei einer möglichen Änderung der Pflanzenaufstellung oder -art.

Ausführungsbeispiel:
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen
1 ein Beispiel für den möglichen Aufbau eines Beleuchtungsstrangs
2 eine mögliche Konfiguration mit einer stilisierten Pflanze
3 mögliche Enden des LWL (in der Zeichnung Faser genannt) mit unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken.
In 1 ist als Lichtquelle eine Kombination aus roter, grüner und blauer LED gewählt. Diese sind in einer Halterung eingebracht, welche an einem Ende die LED (eine oder mehrere) und am anderen Ende den LWL (Dickkern oder Faserbündel oder Massives teil z.B. aus Spritzguss) aufnimmt. Dazwischen kann optional auch eine Optik eingebracht sein (reflektiv oder refraktiv), welche die Einkopplung von der LED in den LWL verbessert. Die LWL von den Lichtquellen können zu einem zusammengeführt, aber auch einzeln weitergeführt werden. Im Falle einer Zusammenführung kann es sinnvoll sein, durch den sog. Mischer eine Homogenisierung der Verteilung zu erzielen. Dieser Mischer kann z.B. ein entsprechend langer (typ. Durchmesser zu Länge = 1 : 10) massiver LWL mit rundem oder polygonalem Querschnitt sein, oder ein statistisch gemischtes Bündel aus dünneren Fasern.
Danach wird das Licht die benötigte Strecke zur Pflanze geführt.
In 2 ist beispielhaft gezeigt, dass sich die sog. LED Box (z.B. über Kabel durch ein Steckernetzteil mit Leistung versorgt), welche z.B. die Anordnung aus 1 ganz oder teilweise enthält, im Erdreich der Pflanze befindet und somit nicht ins Auge fällt. Von dort aus geht der Strang mit den LWL dem Stamm entlang nach oben (kann optional an diesem befestigt werden oder durch eingebaute Stützelemente wie z.B. einem Draht selbst stehen) und abgehende Teilstränge versorgen dann die einzelnen Bereiche der Pflanze. Dazu kann das Ende des LWL so geformt sein, dass die abgestrahlte Leistung optimal auf den zu beleuchtenden Teil fällt.
Alternativ zu diesem Beispiel ist auch vorstellbar, dass der LWL als starres Teil wie ein Gerüst innerhalb der Pflanze angebracht ist und möglicherweise neben der Beleuchtungs- auch eine Stützfunktion übernimmt.
Innerhalb der LED Box kann auch eine intelligente Elektronik eingebaut sein, welche Steuerungsfunktionen wie unterschiedliche Leistungsabgabe der einzelnen LED bewirkt oder auch eine Blendenmechanik steuert, die verschiedene LWL mit Licht versorgt und damit lokal und zeitlich veränderliche Bestrahlung generiert um z.B. den Tagesablauf zu simulieren.
Selbstverständlich kann die LWL Anordnung auch z.B. als gestalterisches Element um die Pflanze aussen angeordnet sein und somit verschiedene Beleuchtungsszenarios zu erlauben.
Bildbeschreibungen:
Die folgenden Bilder geben nur Beispiele für mögliche Ausführungsformen wieder, beinhalten aber alle wesentlichen Komponenten wie Lichterzeugung (incl. spektraler und Intensitätssteuerung), Homogenisierung, Lichtleitung und Lichtverteilung.

1

Möglicher Aufbau des Beleuchtungsstrangs

11: Gehäuse für Leuchtmittel und Steuer-Elektronik
12: Licht – Mischer
13: Halterung für LED + ggf. Anpassoptik + LWL
14, 15, 16: LED mit ggf. unterschiedlichem Spektrum

2

Eine mögliche Konfiguration der Beleuchtung mit jeweils ein oder mehr Faserende(n) an Blatt oder Blattgruppe.

21: Lichtwellenleiter (LWL) – Ende
22: LWL
23: Gehäuse für LED
24: Anschluß an Stromversorgung z.B. Steckernetzteil

3

Mögliche Formen für die Faserenden zur Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik:

31: Abstrahlung nahezu rechtwinklig zur Faserachse, eine Richtung
32: Abstrahlung nahezu rechtwinklig zur Faserachse, entgegengesetzte Richtungen
33: senkrecht zur Achse geschnittenes Ende mit Abstrahlung über den Akzeptanzwinkel der Faser.
: Weitere Formen, z.B. mit größerem oder kleinerem Abstrahlwinkel sind möglich z.B. durch Ab- bzw. Zunahme des Querschnitts.

Claims

Vorrichtung zum Versorgen von Pflanzen mit künstlichem oder natürlichen Licht dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle und dem zu beleuchtenden Bereich ein lichtleitendes Element eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element auch aus dieelektrischen Materialien besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element ein starrer Lichtleiter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element ein flexibler Lichtleiter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element ein Bündel von Einzellichtleitern ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel einen Abschnitt, "Mischer" genannt, enthält, der die eingekoppelte Strahlung über das ganze Bündel möglichst homogen verteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mischer einen Querschnitt aufweist, der den Lichtleiter eingangs flächenmässig gleich auf den Lichtleiter ausgangs anpasst
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mischer einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mischer einen polygonalen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mischer ein Verhältnis Länge zu Durchmesser größer als 5 : 1 hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mischer aus einem randomisiert gemischten Bündel von Einzellichtleitern besteht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element an eine Lichtquelle angekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element an mehrere Lichtquellen angekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht an den Enden des jeweiligen Lichtleiters ausgekoppelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht an speziell geformten Enden des jeweiligen Lichtleiters ausgekoppelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht seitlich aus dem jeweiligen Lichtleiter ausgekoppelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das ausgekoppelte Licht zur Beleuchtung eines Bereichs der Pflanze genutzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht aus einstellbaren spektralen Anteilen besteht
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht aus räumlich einstellbaren spektralen Anteilen besteht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht aus zeitlich einstellbaren spektralen Anteilen besteht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle am Pflanztopf untergebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle im Pflanztopf untergebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle abgesetzt vom Pflanztopf untergebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Pflanze versorgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mehrere Pflanzen versorgt.