DE102012112192B3

DE102012112192B3 - Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen

Info

Publication number: DE102012112192B3
Application number: DE102012112192.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Weiss; Sven Linow
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: JP6033458B2; US20150313090A1; JP2016507220A; WO2014090693A1; CN105142391A; US9426947B2; EP2931023A1

Abstract

Bekannte Bestrahlungsvorrichtungen zur Bestrahlung von Pflanzen weisen ein eine Anbauebene E definierendes Trägerelement zur Kultivierung der Pflanzen, mehrere Strahlungsquellen zur Bestrahlung der Pflanzen mit sichtbarer und/oder ultravioletter Strahlung und mehrere Infrarotstrahler zur Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung auf. Um hiervon ausgehend eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen anzugeben, die neben einer Bestrahlung der Pflanzen mit ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung eine gleichmäßige Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung gewährleistet, und die darüber hinaus bezogen auf die Anbaufläche eine geringe Anzahl von Infrarotstrahlern erfordert, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Infrarotstrahler für eine Temperatur von 800 °C bis 1.800 °C ausgelegt sind und jeweils ein zylinderförmiges Strahlerrohr mit einer Strahlerrohr-Länge im Bereich von 50 mm bis 500 mm aufweisen, und dass sich die Strahlerrohre parallel zueinander in einer oberhalb der Anbauebene E gelegenen Strahlerzone Z erstrecken, wobei die Infrarotstrahler-Belegungsdichte bezogen auf die Fläche der Anbauebene E im Bereich zwischen 0,2 m–2 und 1,0 m–2 liegt, und sich Bestrahlungsbereiche benachbarter Infrarotstrahler auf der Anbauebene E derart überlappen, dass die mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene E zwi schen 10 Watt/m2 und 100 Watt/m2 mit einer Schwankungsbreite von maximal 50% beträgt, und dass einer Oberseite des Strahlerrohrs ein einem Bauraum B zugewandter Reflektor zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen, aufweisend ein eine Anbauebene E definierendes Trägerelement zur Kultivierung der Pflanzen, mehrere Strahlungsquellen zur Bestrahlung der Pflanzen mit sichtbarer und/oder ultravioletter Strahlung und mehrere Infrarotstrahler zur Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Strahlermodul zur Bestrahlung von Pflanzen mit Infrarotstrahlung zum Einsatz in einer Bestrahlungsvorrichtung.
Stand der Technik
Bei der Aufzucht und Kultivierung von Pflanzen, beispielsweise in Gewächshäusern und im Etagenanbau werden künstliche Lichtquellen eingesetzt. Das Emissionsspektrum dieser Lichtquellen ist in der Regel an das Absorptionsspektrum des grünen Blattfarbstoffes des Chlorophylls und der Carotine angepasst.
Unter der Bezeichnung Chlorophyll und Carotin sind mehrere natürliche Farbstoffe zusammengefasst, die wesentlich an der Photosynthese beteiligt sind. Die Absorptionsspektren dieser in Lösungsmitteln gelösten Farbstoffe weisen zwei ausgeprägte Absorptionsmaxima auf, nämlich ein Absorptionsmaximum im violetten und blauen Spektralbereich zwischen 400 nm und 500 nm sowie ein weiteres Absorptionsmaximum, das im roten Spektralbereich zwischen 600 nm und 700 nm des sichtbaren Lichts liegt.
Um eine effiziente Bestrahlung der Pflanzen zu gewährleisten, weist das Emissionsspektrum künstlicher Lichtquellen zur Bestrahlung von Pflanzen große Strahlungsanteile in den beiden oben genannten Wellenlängenbereichen auf.
Als Lichtquellen werden beispielsweise Gasentladungslampen oder Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt. Gasentladungslampen bestehen aus einer mit einem Füllgas gefüllten Entladungskammer, in der zwei Elektroden angeordnet sind. In Abhängigkeit einer an den Elektroden angelegten Spannung findet in der Entladungskammer eine Gasentladung statt, die mit der Emission optischer Strahlung verbunden ist. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung kann durch eine Auswahl des Füllgases beeinflusst werden und an das Absorptionsspektrum des Chlorophylls angepasst werden, beispielsweise durch eine entsprechende Dotierung des Füllgases. LEDs hingegen emittieren nur Licht in einem begrenzten Spektralbereich, so dass zur Erzeugung eines an das Absorptionsspektrum des Chlorophylls angepassten Emissionsspektrums mehrere LEDs unterschiedlicher Wellenlänge miteinander kombiniert werden müssen. So ist beispielsweise aus der US 2009/0251057 A1 eine künstliche Lichtquelle mit mehreren LEDs bekannt, bei der zur Erzeugung von künstlichem Sonnenlicht Leuchtdioden mit unterschiedlichen Emissionsspektren kombiniert werden.
Allerdings hängt eine effiziente Aufzucht der Pflanzen nicht nur von der Anregung der Photosynthese, sondern auch vom Wasser- und Nährstofftransport in der Pflanze und von der Kohlendioxid-Assimilation ab. Sowohl der Wasser- und Nährstofftransport in der Pflanze als auch die Kohlendioxid-Assimilation werden vom Spaltöffnungsapparat der Pflanze beeinflusst. Durch die Spaltöffnungen (Stomata) der Pflanze reguliert die Pflanze den Gasaustausch mit der Umgebungsluft, insbesondere die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft und die Abgabe von Sauerstoff an die Luft. Darüber hinaus wird auch der Wasserhaushalt der Pflanze durch die Öffnungsweite der Stomata beeinflusst. So führen geöffnete Stomata zu einer verstärkten Wasserverdunstung, die einen Transpirationssog erzeugt, so dass insgesamt der Wasser- und Nährstofftransport (Saftfluss) von der Wurzel zu den Blättern gesteigert wird.
Die Öffnungsweite der Stomata kann durch mehrere Faktoren reguliert werden, zu denen beispielsweise die Temperatur, die Verfügbarkeit von Wasser, die Kohlendioxid-Konzentration im Blattinneren und die Absorption von Licht zählen. Durch eine gezielte Bestrahlung mit Infrarotstrahlung kann die Spaltöffnungsweite und damit die Effektivität der Photosynthese reguliert werden.
In der WO 2010/044662 A1 ist eine Bestrahlungsvorrichtung für Pflanzen mit einer Kammer vorgeschlagen, bei der neben Strahlungsquellen zur Bestrahlung der Pflanzen mit sichtbarer oder ultravioletter Strahlung mehrere an einer Seitenwand der Kammer angeordnete Infrarotstrahler zur Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung vorgesehen sind. Durch die Infrarotstrahler werden die Blätter der Pflanzen derart erwärmt, dass sich die Stomata öffnen, so dass eine Stimulation der Austauschvorgänge der Pflanze mit ihrer Umgebung erreicht wird.
Infolge der seitlichen Anordnung der Infrarotstrahler haben die einzelnen Pflanzen in Abhängigkeit von ihrer Pflanzposition auf der Anbauebene jeweils einen unterschiedlichen Abstand zu den Infrarotstrahlern und werden deshalb ungleichmäßig bestrahlt. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die äußeren Bereiche der Anbaufläche verglichen mit den inneren Bereichen der Anbaufläche höheren Bestrahlungsintensitäten ausgesetzt sind. Um eine effiziente Aufzucht der Pflanzen zu gewährleisten, sind ein gleichmäßiges Wachstum der Pflanzen und damit eine homogene Bestrahlung aller Pflanzen aber grundsätzlich wünschenswert.
Bei einer seitlichen Anordnung der Infrarotstrahler wird darüber hinaus bezogen auf die Anbaufläche eine große Anzahl von Strahlern benötigt, die, um die Pflanzen im äußeren Bereich der Anbaufläche nicht durch übermäßige Erwärmung zu schädigen, eine geringe Leistung aufweisen müssen. Infrarotstrahler haben aber typischerweise eine hohe Leistung; Strahler geringer Leistung sind aufwendig zu fertigen und weisen nur eine eingeschränkte Lebensdauer auf.
Darüber hinaus trägt die seitliche Anordnung der Infrarotstrahler auch zu einer Bestrahlung und Erwärmung der weiteren in der Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen Bauteile, beispielsweise der Elektroleitungen und Montageelemente für die Strahlungsquellen, sowie auch der in der Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen Strahlungsquellen bei, wobei durch die Bestrahlung die Lebensdauer dieser Bauteile verkürzt wird. Eine seitliche Anordnung der Infrarotstrahler geht daher mit hohen Betriebskosten einher.
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen anzugeben, die eine hohe Lebensdauer aufweist und neben einer Bestrahlung der Pflanzenmit ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung eine gleichmäßige Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung gewährleistet ohne die Bestrahlung mit ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung unnötig zu beeinträchtigen, und die darüber hinaus bezogen auf die Anbaufläche eine geringe Anzahl von Infrarotstrahlern erfordert.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Strahlermodul zur Bestrahlung von Pflanzen mit Infrarotstrahlung bereitzustellen, das für einen optimalen Einsatz in einer Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen ausgelegt ist.
Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Verluste bei der Umwandlung der elektrischen Energie in infrarote Strahlung, Verluste bei der Lenkung der Infrarotstrahlung auf die zu bestrahlenden Pflanzen, gegenseitige Abschattungen von Lichtquellen und andere Energieverluste zu minimieren.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich der Bestrahlungsvorrichtung wird diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Infrarotstrahler für eine Temperatur von 800 °C bis 1800 °C ausgelegt sind und jeweils ein zylinderförmiges Strahlerrohr mit einer Strahlerrohr-Länge im Bereich von 50 mm bis 500 mm aufweisen, und dass sich die Strahlerrohre parallel zueinander in einer oberhalb der Anbauebene E gelegenen Strahlerzone Z erstrecken, wobei die Infrarotstrahler-Belegungsdichte bezogen auf die Fläche der Anbauebene E im Bereich zwischen 0,2 m^–2 und 1,0 m^–2 liegt, und sich Bestrahlungsbereiche benachbarter Infrarotstrahler auf der Anbauebene E derart überlappen, dass die mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene E zwischen 10 Watt/m² und 100 Watt/m² mit einer Schwankungsbreite von maximal 50% beträgt, und dass einer Oberseite des Strahlerrohrs ein einem Bauraum B zugewandter Reflektor zugeordnet ist.
Sonnenlicht, das Pflanzen unter natürlichen Bedingungen zu ihrem Wachstum benötigen, weist Strahlungsanteile ultravioletter, sichtbarer und infraroter Strahlung auf. Für die Nachbildung natürlicher Wachstumsbedingungen weist die künstliche Bestrahlungsvorrichtung daher neben Strahlern zur Erzeugung ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung (im Folgenden auch kurz als UV- und VIS-Strahler bezeichnet) auch Infrarotstrahler auf. Durch den Einsatz dieser Strahlertypen werden die Pflanzen unter künstlichen Aufzuchtbedingungen einerseits mit der für die Photosynthese benötigten Strahlung versorgt und andererseits kann über die Infrarotstrahlung die Öffnungsweite der Spaltöffnungen der Blätter so reguliert werden, dass sich ein optimaler Wasser- und Stofftransport innerhalb der Pflanze einstellt. Durch diese Maßnahmen werden ein schnelles Pflanzenwachstum und eine hohe Produktivität gewährleistet.
Um ein möglichst gleichmäßiges Pflanzenwachstum zu gewährleisten, ist es allerdings notwendig, die Pflanzen möglichst gleichmäßig, das heißt mit einer nahezu konstanten Bestrahlungsstärke, zu bestrahlen. Dies gilt insbesondere auch für die Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung. Eine lokal zu hohe Infrarot-Bestrahlungsstärke führt zu einer Schädigung der betroffenen Pflanzen. Bei einer zu niedrigen Bestrahlungsstärke verliert sich hingegen der Effekt der Infrarotstrahlung auf die Öffnungsweite der Spaltöffnungen; sie führt zu einem geringen Pflanzenwachstum.
Bei der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung sind die Infrarotstrahler in einer oberhalb der Anbauebene E gelegenen Strahlerzone Z angeordnet. Wichtig ist dabei, dass die Infrarotstrahler eine insgesamt gleichmäßige Bestrahlungsfläche auf der Anbauebene E erzeugen. Auf ausschließlich seitlich der Bestrahlungsfläche angeordnete Infrarotstrahler kann somit verzichtet werden.
Um eine insgesamt gleichmäßige Bestrahlungsfläche auf der Anbauebene E zu erreichen, sind die Infrarotstrahler in der Strahlerzone Z derart zueinander angeordnet und gleichmäßig verteilt, dass ihre Strahlerrohr-Längsachsen parallel zueinander verlaufen. Durch die parallele Anordnung der Strahlerrohre wird eine flächenhafte Abstrahlung der Infrarotstrahlung gewährleistet, die insbesondere zur gleichmäßigen Bestrahlung einer Ebene, beispielsweise einer durch den Pflanzenwuchs festgelegten Pflanzenebene oder der Anbauebene geeignet ist.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Infrarotstrahler in der Strahlerzone Z soll nicht in Kauf genommen werden, dass die UV- und VIS-Strahler eine Abschattung auf der Anbauebene erfahren. Angestrebt wird somit nicht nur eine gleichmäßige Infrarot-Bestrahlung, sondern auch eine Minimierung der Abschattung der UV- und VIS-Strahlung auf der Anbauebene E.
Oberhalb des Strahlerrohrs weist die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung einen Bauraum B auf. In diesem Bauraum sind eine Vielzahl von Bauteilen angeordnet, die für den Betrieb der Bestrahlungsvorrichtung benötigt werden, beispielsweise Elektroleitungen oder Montageelemente für die Infrarotstrahler oder weitere Strahlungsquellen. Es ist daher grundsätzlich wünschenswert, eine übermäßige Erwärmung der Bauteile des Bauraumes durch Infrarot-/Wärmestrahlung zu vermeiden.
Eine übermäßige Erwärmung des Bauraums und der darin befindlichen Bauteile wird erfindungsgemäß dadurch verringert, dass das Strahlerrohr auf seiner Oberseite einen Reflektor aufweist, der die Ausbreitung der emittierten Infrarotstrahlung in Richtung des Bauraumes verringert. Da ein solcher Reflektor allerdings gleichzeitig die Strahlungsausbreitung der von beispielsweise in der Strahlerzone Z angeordneten UV- und VIS-Strahlern ausgehenden UV/VIS-Strahlung beeinträchtigen könnte, wird eine möglichst große Strahlungsausbreitung der UV- und VIS-Strahler dadurch gewährleistet, dass bezogen auf die Anbauebene E eine möglichst geringe Anzahl von Infrarotstrahlern eingesetzt wird, und dass der Reflektor so geformt ist, dass eine Abschattung der UV/VIS-Strahlung verringert wird.
Neben einer geringen Abschirmung der UV/VIS-Strahlung spielt die Abstrahlcharakteristik der Infrarotstrahler eine wichtige Rolle. Sie soll dafür sorgen, dass die Infrarotstrahlung nicht einfach nur nach unten reflektiert, sondern auf einen breiten Bestrahlungsbereich verteilt wird.
Eine gleichmäßige Bestrahlung der Anbauebene E bei gleichzeitig möglichst geringer Anzahl von Infrarotstrahlern wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Reflektor oberhalb des Strahlerrohrs so geformt ist, dass die aus dem Bereich oberhalb der Horizontalen durch den Mittelpunkt der Heizwendel ausgesendete Infrarotstrahlung in weiter vom Strahlungsmodul entfernte Bereiche hin ablenkt wird.
Konventionelle Reflektoren, beispielsweise Parabol- oder Hyperbol-Reflektoren, erfüllen diese Funktion nicht, da sie die Strahlung insbesondere in Bereiche direkt unterhalb des Strahlerrohrs zurückwerfen.
Eine geringe Strahler-Anzahl geht mit einer geringen Anzahl an Reflektoren einher. Diese können bei gleich niedriger Strahlungsabschirmung größer dimensioniert sein, so dass sie besser zu einer gleichmäßigen Bestrahlung in der Anbauebene E beitragen können. Ein optimaler Bereich für die Anzahl der Infrarotstrah ler bezogen auf die Anbaufläche liegt zwischen 0,2 m^–2 und 1,0 m^–2. Bei einer Anzahl von weniger als 0,2 Infrarotstrahlern pro Quadratmeter ist eine gleichmäßige Strahlungsverteilung nur aufwendig zu erreichen, beispielsweise mit großen Reflektoren, die dann die Strahlung der ebenfalls in der Strahlerzone Z befindlichen UV- und VIS-Strahler behindern. Bei einer Anzahl von mehr als 1,0 Infrarotstrahlern pro Quadratmeter ergibt sich eine verringerte Effizienz der IR-Bestrahlung da sehr kleine Infrarotstrahler eine deutlich geringere Umwandlungseffizienz von elektrischer Energie in Infrarotstrahlung aufweisen. Darüber hinaus steigt der Montage- und Wartungsaufwand mit der Zahl der Einheiten.
Eine geringe Strahler-Anzahl bezogen auf die Anbauebene ermöglicht darüber hinaus den Einsatz kleiner, aber leistungsstarker Infrarotstrahler, die im Vergleich zu größeren und leistungsschwächeren Infrarotstrahlern eine höhere Umwandlungseffizienz, damit geringere Verlustwärme sowie eine längere Lebensdauer aufweisen. Aus diesem Grund liegt die Länge der zylinderförmigen Strahlerrohre im Bereich von 50 mm bis 500 mm.
Die längere Lebensdauer solcher Strahler wird erreicht, indem die einzelnen Strahler mit möglichst hohen Spannungen etwa im Bereich 24 V bis Netzspannung betrieben werden. Hierdurch wird beispielsweise nur eine geringe Anzahl an Transformatoren benötigt, so dass Transformator-bedingte Wärmeverluste gering gehalten werden. In diesem Spannungsbereich können größere, aber leistungsschwächere Strahler jedoch nur mit geringen Stromstärken betrieben werden, was eine Verwendung von geraden Filamenten mit sehr geringen Drahtdurchmessern (kleiner 0,4 mm) notwendig macht, welche typischerweise eine geringe mechanische Stabilität, inhomogene Temperaturverteilung und eine geringe Lebensdauer aufweisen.
Um eine gleichmäßige Bestrahlung der Anbauebene zu erreichen, ist beim Einsatz weniger Strahler eine Überlappung der Bestrahlungsbereiche benachbarter Strahler erforderlich, so dass die mittlere Bestrahlungsstärke eine Schwankungsbreite von maximal 50% aufweist. Unter der Schwankungsbreite wird die maximale Abweichung der tatsächlichen Bestrahlungsstärke in einem Punkt der Anbauebene E von der mittleren Bestrahlungsstärke verstanden. Gemäß der Erfindung weicht die tatsächliche Bestrahlungsstärke um höchsten ±50% von der mittleren Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene E ab. Die Abweichung von der mittleren Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene beträgt vorzugsweise 20%, besonders bevorzugt 10%. Für ein optimales Wachstum der Pflanzen ist weiterhin das Emissionsspektrum der Infrarotstrahler wesentlich. Das Absorptionsspektrum von Pflanzen ist durch hohe Absorptionen im Wellenlängenbereich unterhalb von 700 nm sowie oberhalb von 2,5 µm gekennzeichnet. Im Bereich zwischen 0,7 µm und 2,5 µm werden eine Grundabsorption von etwa 5% und eine nahezu ungerichtete Streuung beobachtet. Strahlung mit Wellenlängen in diesem Bereich ist geeignet, die obersten Blattschichten einer Pflanze zu durchdringen; sie steht grundsätzlich auch für eine Bestrahlung der unteren Blattschichten zur Verfügung, wird jedoch nur zu geringen Anteilen absorbiert. Es hat sich gezeigt, dass ein optimales Pflanzenwachstum erzielt wird, wenn das Heizfilament für eine Temperatur von 800 °C bis 1.800 °C, vorzugsweise für eine Temperatur im Bereich von 850°C bis 1.500°C, ausgelegt ist.
Strahler, die bei Nennspannung eine Filament-Temperatur im oben genannten Bereich aufweisen, emittieren Strahlung mit einem Intensitätsmaximum bei Wellenlängen im Bereich zwischen 0,7 µm und 3,5 µm.
Dabei ist zu unterscheiden zwischen Anwendungen, die auf eine optimale Bestrahlung nur der oberen Blattebenen abzielen, und solchen, bei denen auch die unteren Blattebenen bestrahlt werden sollen. Der Einsatz mittelwelliger thermischer Infrarotstrahler ist vorteilhaft, wenn nahezu die gesamte Strahlung an der obersten Blattschicht absorbiert oder reflektiert werden soll. Derartige Strahler weisen bei Nennspannung eine Filament-Temperatur im Bereich zwischen 800 °C und 1.000 °C auf. Kurzwellige thermische Infrarotstrahler mit einer Filament-Temperatur bei Nennspannung im Bereich zwischen 1.400 °C und 2.200 °C, vorzugsweise zwischen 1.400 und 1.800 °C, sind insbesondere zur Durchdringung der oberen Blattschichten geeignet.
Strahlung die bei Filament-Temperaturen im Übergangsbereich zwischen 1000 °C und 1400 °C erzeugt wird, erzielt eine Mischung aus beiden Mechanismen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene 10 Watt/m² bis 50 Watt/m² beträgt.
Die notwendige mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene hängt von der zu kultivierenden Pflanzenart sowie weiteren Umgebungsbedingungen ab. Es hat sich gezeigt, dass für viele Pflanzenarten eine Bestrahlungsstärke im Bereich von 10 Watt/m² bis 50 Watt/m² zu einem beschleunigten Wachstum und somit zu einer kürzeren mittleren Verweildauer der Pflanzen in der Aufzuchtkammer führt.
In einer weiteren ebenso bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass mehrere Infrarotstrahler in Richtung ihrer Längsachsen hintereinander angeordnet sind, und dass benachbarte Infrarotstrahler in Richtung ihrer Längsachse einen Abstand zueinander zwischen 0,9 m bis 2,3 m, bevorzugt zwischen 1,1 m bis 1,7 m, aufweisen.
Um eine gleichmäßige Bestrahlung der Anbauebene sowohl mit ultravioletter/sichtbarer Strahlung als auch mit Infrarotstrahlung möglichst kostengünstig zu gewährleisten, sind zueinander im Widerstreit stehende oder sich gegenseitig beeinflussende Eigenschaften zu optimieren, wie etwa die Strahlerleistung, Strahlergröße und Strahler-Belegungsdichte. Grundsätzlich ist eine geringe Strahlerdichte der Infrarotstrahler wünschenswert. Ein Abstand benachbarter Infrarotstrahler von weniger als 0,9 m führt jedoch zu einer vergleichsweise hohen Strahlerdichte, einhergehend mit einer geringen Nennleistung pro Strahler und hohen Installations- und Betriebskosten. Weisen benachbarte Infrarotstrahler in Richtung ihrer Längsachsen einen Abstand von mehr als 2,3 m auf, ist eine gleichmäßige Bestrahlung der Anbauebene mit Infrarotstrahlung nur aufwendig zu erreichen.
Vorzugsweise sind die Infrarotstrahler in parallelen Reihen angeordnet, wobei benachbarte Reihen derart verlaufen, dass die Infrarotstrahler benachbarter Reihen nebeneinander angeordnet sind.
Das heißt, die Infrarotstrahler benachbarter Reihen sind gerade nicht versetzt zueinander, „auf Lücke“ gesetzt, sondern sie beginnen und enden – bei gleicher Länge – an denselben Längspositionen des Beleuchtungsfeldes innerhalb der Strahlerebene Z. In Verbindung mit der Form der Reflektoren ergibt sich dadurch eine geringere gegenseitige Beeinflussung und eine optimal homogene Bestrahlungsdichte auf der Pflanzenebene.
In diesem Zusammenhang hat es hat sich auch bewährt, wenn parallel zueinander angeordnete, benachbarte Infrarotstrahler einen Abstand zueinander zwischen 1 m bis 3 m, vorzugsweise zwischen 1,3 m bis 2,5 m, besonders bevorzugt zwischen 1,5 m bis 1,8 m, aufweisen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Infrarotstrahler von der Anbauebene einen Abstand im Bereich von 1,0 m ± 0,5 m aufweisen. Für größere Abstände sind alle Maß- und Leistungsangaben entsprechend zu skalieren.
Der Abstand der Infrarotstrahler und der Anbauebene beeinflusst die Bestrahlungsstärke und deren Verteilung auf der Anbauebene E. Je nach Pflanzenart hat sich ein Abstand der Infrarotstrahler von der Anbauebene von 0,5 m bis 1,5 m bewährt. Bei einem Abstand von weniger als 0,5 m können nur Pflanzen bis zu einer geringen Wuchshöhe bestrahlt werden. Ein Abstand der Infrarotstrahler von mehr als 1,5 m beeinträchtigt eine kompakte Bauform der Bestrahlungsvorrichtung.
In einer bevorzugten Modifikation der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung weist der Reflektor – in Richtung der Längsachse gesehen – eine Länge im Bereich zwischen 70 mm und 650 mm, bevorzugt zwischen 250 mm und 450 mm und eine Breite im Bereich zwischen 50 mm und 160 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 80 mm und 130 mm, auf.
Die Länge des Reflektors ist an die Länge des Strahlerrohrs angepasst. Eine Reflektorlänge von weniger als 70 mm ist bei einer Strahlerrohrlänge des Infrarotstrahlers von mindestens 50 mm nur bedingt geeignet, eine Emission von Infrarotstrahlung in Richtung des Bauraums zu verringern. Bei derart kurzen Strahlerrohren ist zudem eine hohe Anzahl von Infrarotstrahlern nötig, womit die Ausfallwahrscheinlichkeit, der Installationsaufwand und die Betriebskosten steigen. Ein Reflektor mit einer Länge von mehr als 650 mm bei einer Strahlerrohrlänge von maximal 500 mm führt zur einer vermehrten Abschirmung ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung. Zudem ist die Verwendung größerer Reflektoren nachteilig, da dann auch größere, jedoch leistungsschwächere, mit geringen Stromstärken betriebe Strahler verwendet werden müssten, was wiederum die Verwendung von geraden Filamenten mit sehr geringen Drahtdurchmessern (kleiner 0,4 mm) notwendig macht, welche typischerweise eine schlechte mechanische Stabilität, inhomogene Temperaturverteilungen und geringe Lebensdauern aufweisen.
Die Reflektor-Breite zwischen 50 mm und 160 mm stellt aus denselben Gründen einen geeigneten Kompromiss zwischen der Abschirmung der Infrarotstrahlung nach oben und Behinderung der Bestrahlung der Anbauebene mit ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung dar.
In einer ebenso bevorzugten Modifikation der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung weist der Reflektor eine diffus reflektierende Oberfläche auf.
Eine diffuse Reflektion von Licht tritt beispielsweise auf, wenn Licht auf eine raue Oberfläche trifft, die mehrere Flächenelemente mit unterschiedlichen Orientierungen aufweist. Ein auf eine diffus reflektierende Oberfläche auftreffender Lichtstrahl wird durch die Oberflächenstruktur in viele verschiedene Richtungen zurückgeworfen, so dass Streulicht erhalten wird. Streulicht ist insbesondere für eine Erzeugung gleichmäßiger Bestrahlungsintensitäten geeignet, da Maxima in der Bestrahlungsstärke abgeschwächt werden und der Unterschied zwischen minimaler und maximaler Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene E verringert wird.
Hierbei hat es hat sich bewährt, wenn die Oberfläche eine mechanisch geprägte Strukturierung aufweist, also beispielsweise aus gehämmertem Aluminium gefertigt ist. Geeignet wären hierzu beispielsweise die MIRO^®-DESSIN Materialien der ALANOD Aluminium-Veredlung GmbH.
Eine Oberfläche aus gehämmertem Aluminium wirkt diffus reflektierend, führt aufgrund ihrer groben Oberflächenstruktur zu geringen Strahlungsverlusten und ist darüber hinaus einfach und kostengünstig zu fertigen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass auf einem seitlichen Bereich der Mantelfläche des Strahlerrohrs ein in Richtung der Längsachse verlaufender erster Reflektorstreifen aufgebracht ist.
Ein auf die Mantelfläche des Strahlerrohrs aufgebrachter Reflektorstreifen verhindert in diesem Bereich der Mantelfläche eine Abstrahlung von Infrarotstrahlung. Dadurch wird nicht nur die seitliche Abstrahlung in Richtung der ebenfalls in der Strahlerzone Z befindlichen UV-/VIS-Strahlungsquellen, sondern auch die Abstrahlung in Richtung des Bauraums verringert, und zwar je nach der Größe des Bedeckungswinkels. Das Aufbringen von Reflektorstreifen direkt auf das Strahlerrohr ermöglicht eine Verkleinerung der Reflektoren oberhalb der Strahlerrohre bei gleicher Effektivität, was die Verringerung der Ausbreitung der Infrarotstrahlung in Richtung des Bauraums anbelangt. Kleinere Reflektoren oberhalb der Strahlerrohre beeinträchtigen darüber hinaus die von in der Strahlerzone Z montierten UV/Vis-Strahlern emittierte optische Strahlung weniger, so dass eine gleichmäßigere Bestrahlung mit ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung ermöglicht wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Reflektorstreifen aus Gold, opakem Quarzglas (Siliziumdioxid) oder aus Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) gefertigt ist.
Reflektorstreifen aus diesen Materialien zeichnen sich durch eine starke Reflektion im IR-Bereich, eine gute chemische Beständigkeit und teilweise eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Sie können darüber hinaus einfach auf dem Strahlerrohr aufgebracht werden.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das Strahlerrohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei der Reflektorstreifen einen Kreisbogen des Strahlerrohrs bedeckt, der mit einer durch den Filamentmittelpunkt verlaufenden Horizontalen einen Bedeckungswinkel zwischen –40° und +40°, vorzugsweise –30° und +30° einschließt.
Ein Reflektorstreifen mit einem derartigen Bedeckungswinkel bedeckt das Strahlerrohr in seitlicher Richtung oberhalb und unterhalb der Horizontalen. Der Bedeckungswinkel kann oberhalb und unterhalb der Horizontalen unterschiedlich sein, wobei gegebenenfalls der Betrag des Bedeckungswinkels unterhalb der Horizontalen bevorzugt kleiner ist als der oberhalb der Horizontalen. Dadurch, dass der Reflektorstreifen im Bedeckungswinkelbereich oberhalb und unterhalb der Horizontalen angeordnet ist, kann einerseits eine Abstrahlung von Infrarotstrahlung mit einem auf die Horizontale bezogenen flachen Abstrahlwinkel in Richtung des Bauraums und der UV-/VIS-Strahlungsquellen in der Strahlerzone und andererseits eine seitliche, nach unten gerichtete Abstrahlung von Infrarotstrahlung mit flachem Abstrahlwinkel verringert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ist ein weiterer Reflektorstreifen auf die Mantelfläche aufgebracht, der spiegelsymmetrisch zu einer durch einen Filamentmittelpunkt verlaufenden Vertikalen zum ersten Reflektorstreifen angeordnet ist.
Ein spiegelsymmetrisch zum ersten Reflektorstreifen aufgebrachter weiterer Reflektorstreifen trägt zu einer symmetrischen und gleichmäßigen Bestrahlung der Anbauebene bei.
Es hat sich bewährt, wenn der Reflektorstreifen eine diffus reflektierende Oberfläche aufweist.
Ein solcher Reflektorstreifen trägt zu einer homogenen Bestrahlung der Anbauebene E bei.
In einer bevorzugten Modifikation der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass seitlich des Strahlerrohrs zusätzliche Reflektoren in jeweils einer Reflektorebene angeordnet sind, wobei die Reflektorebenen mit der Horizontalen einen Winkel zwischen 25° bis 70° einschließen und deren Abmessungen und Entfernung vom Strahlerrohr derart eingestellt sind, dass sie eine direkte Abstrahlung der vom Infrarotstrahler emittierten Infrarotstrahlung in einen Raumbereich verhindern, der ausgehend von einem Filamentmittelpunkt des Strahlerrohrs durch zwei Ebenen beschrieben wird, die jeweils mit der Horizontalen einen Winkel zwischen –40° und +40°, vorzugsweise zwischen –30° und +30°, einschließen.
Die beiden seitlich des Strahlerrohrs angeordneten zusätzlichen Reflektoren sind gerade oder als Kegelschnitt geformt. Die seitlichen Reflektoren reflektieren die Strahlung aus dem Bereich eines Kreisbogens des Strahlerrohrs, der mit einer durch den Mittelpunkt des Filaments verlaufenden Horizontalen einen Winkel zwischen –40° und +40°, vorzugsweise –30° und +30° einschließt. Die seitlichen Reflektoren stehen in einem Winkel zwischen 25° bis 70° zu der Horizontalen.
Der Bedeckungswinkel kann oberhalb und unterhalb der Horizontalen unterschiedlich sein, wobei gegebenenfalls der Betrag des Bedeckungswinkels unterhalb der Horizontalen bevorzugt kleiner ist als der oberhalb der Horizontalen. Dadurch, dass die seitlichen Reflektoren den Winkelbereich oberhalb und unterhalb der Horizontalen abdecken, kann einerseits eine Abstrahlung von Infrarotstrahlung mit einem auf die Horizontale bezogenen flachen Abstrahlwinkel in Richtung des Bauraums und der UV-/VIS-Strahlungsquellen in der Strahlerzone verringert werden und andererseits die seitliche, nach unten gerichtete Abstrahlung von Infrarotstrahlung durch die Einstellung des Reflektorwinkels zur Horizontalen, oder durch die Art und Form des Kegelschnitts reguliert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung weisen die seitlichen Reflektoren eine diffus reflektierende Oberfläche auf.
In einer anderen bevorzugten Modifikation der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass mit dem Reflektor zwei Seitenflügel verbunden sind, wobei die Seitenflügel mit der Horizontalen jeweils einen Winkel im Bereich zwischen 20° bis 40° einschließen.
Die Seitenflügel verringern insbesondere eine Abstrahlung von Infrarotstrahlung in Richtung des Bauraums. Darüber hinaus können die Seitenflügel auch eine seitliche Abstrahlung von Infrarotstrahlung in Richtung der UV-/VIS-Strahlungsquellen in der Strahlerzone verringern. Sie tragen daher – wie oben ausgeführt – zu einer hohen Energieeffizienz der Bestrahlungsvorrichtung bei.
Es hat sich bewährt, wenn der Reflektor eine Spiegelsymmetrie zu einer Reflektor-Spiegelebene aufweist, wobei in Schnittdarstellung senkrecht zur Reflektor-Spiegelebene die Form einer Symmetriehälfte des Reflektors durch einen Kegelschnitt beschrieben wird, wobei der Reflektor zur Mitte hin spitz in Richtung auf das Strahlerrohr zuläuft.
Ein Kegelschnitt ist ein Schnitt der Oberfläche eines Kreiskegels bzw. Doppelkreiskegels mit einer Ebene. Kegelschnitte sind beispielsweise Ellipsen, Parabeln oder Hyperbeln und durch die Gleichung y² = 2Rx – (k + 1)x² definiert, wobei R der Krümmungsradius, und k die konische Konstante des Kegelschnittes darstellen. Es hat sich gezeigt, dass mit einem derartigen Reflektor, insbesondere bei einer Bestrahlung eines großen Bestrahlungsbereichs, eine gleichmäßige Bestrahlungsverteilung auf der Anbauebene erzielt werden kann.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn mindestens ein Teil der Oberfläche des Strahlerrohrs als Diffusor wirkt und auftreffende Strahlung diffus streut.
Eine auftreffende Strahlung diffus streuende Oberfläche führt grundsätzlich zu einer gleichmäßigeren, ungerichteten Strahlungsausbreitung. Ein Diffusor trägt daher zu einer gleichmäßigen Bestrahlung der Pflanzen in der Bestrahlungsvorrichtung bei. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Oberfläche des Strahlerrohrs als Diffusor ausgebildet.
Im Hinblick darauf weist das Strahlerrohr vorzugsweise eine als Diffusor wirkende, aufgeraute Oberfläche mit einer mittleren Rauheit Ra auf, wobei die mittlere Rauheit Ra im Bereich zwischen 0,3 µm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,8 µm und 3 µm, liegt.
Aufgeraute Oberflächen wirken als Diffusor, wobei deren Diffusor-Eigenschaften von der mittleren Rauheit der Oberfläche abhängen. Die mittlere Rauheit Ra wird als Senkrechtmessgröße nach DIN EN ISO 4288:1988 bestimmt. Aufgeraute Oberflächen mit einer derartigen Rauheit weisen eine nahezu lambertsche Streuung auf. Die Rate der Rückwärtsstreuung der auf sie auftreffenden Strahlung beträgt zwischen 0% und 6%. Eine Oberfläche mit einer mittleren Rauheit von weniger als 0,3 µm weist einen großen Anteil rückwärtsgestreuter Strahlung auf.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Bestrahlungsvorrichtung ein Gehäuse mit Seitenwänden umfasst, wobei auf mindestens eine der Seitenwände eine Reflektorfolie, beispielsweise aus Aluminium, aufgebracht ist.
Eine reflektierende Innenauskleidung durch eine auf die Seitenwände der Bestrahlungsvorrichtung aufgebrachte Reflektorfolie verringert in erster Linie Bestrahlungsverluste und kann zu einer gleichmäßigen Verteilung der Bestrahlungsintensität bezogen auf die Anbauebene beitragen. Eine besonders symmetrische, homogene Strahlungsverteilung wird erhalten, wenn auf zwei gegenüberliegenden beziehungsweise auf allen vier Seitenwänden eine Reflektorfolie aufgebracht ist.
Bei Verwendung einer reflektierenden Innenauskleidung können insbesondere Infrarot-Bestrahlungsmodule verwendet werden, deren Reflektor so gestaltet ist, dass ein Teil der Strahlung in einem auf die Horizontale bezogenen flachen Winkel nach unten, in weiter vom Bestrahlungsmodul entfernte Bereiche abgestrahlt wird, was zu einem Überlappen der Bestrahlungsbereiche, auch mit über den nächsten Nachbarn hinausgehenden, parallel angeordneten Modulen, und einer gleichmäßigen Verteilung der Bestrahlungsintensität bezogen auf die Anbauebene beiträgt.
Wird keine reflektierende Innenauskleidung verwendet, können insbesondere Bestrahlungsmodule verwendet werden, deren Reflektor so gestaltet ist, dass der überwiegende Teil der Strahlung in Bereiche unterhalb des Bestrahlungsmoduls abgestrahlt wird, so dass eine Überlappung der Bestrahlungsbereiche hauptsächlich mit dem nächsten, parallel dazu angeordneten, Nachbarmodul gegeben ist.
Hinsichtlich des Strahlermoduls wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Strahlermodul der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Infrarotstrahler ein zylinderförmiges Strahlerrohr mit einer Strahlerrohr-Längsachse, einer Strahlerrohr-Länge von 50 mm bis 500 mm, vorzugsweise von 150 mm bis 350 mm und einem darin angeordneten, für eine Temperatur von 800 °C bis 1.800 °C ausgelegten Heizfilament aufweist, wobei einer Seite des Strahlerrohrs ein Reflektor zugeordnet ist.
Das Strahlermodul ist zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Bestahlungsvorrichtung vorgesehen. Hinsichtlich dieser Bestrahlungsvorrichtung wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Das Strahlermodul ist auf die Bestrahlung von Pflanzen ausgelegt. Insbesondere Infrarotstrahler mit einem zylinderförmigen Strahlerrohr mit einer Strahlerrohr-Länge von 50 mm bis 500 mm, vorzugsweise von 150 mm bis 350 mm, weisen ein gutes Größenverhältnis auf, mit dem gute Ergebnisse hinsichtlich einer gleichmäßigen Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene erzielt werden. Sie sind geeignet, eine mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene von 10 W/m² bis 100 W/m² zu erzielen.
Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass ein optimales Pflanzenwachstum erzielt wird, wenn das Heizfilament für eine Temperatur von 800 °C bis 1.800 °C ausgelegt ist. Strahler, die bei Nennspannung eine Filament-Temperatur im oben genannten Bereich aufweisen, emittieren Strahlung mit einem Intensitätsmaximum bei Wellenlängen im Bereich zwischen 0,7 µm und 3,5 µm. Die emittierte Strahlung steht daher sowohl eine Bestrahlung der oberen als auch der unteren Blattschichten zur Verfügung.
Geeignete Modifikationen ergeben sich aus den obigen Erläuterungen zu der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen mit einer Strahlerzone,
2 eine Raytracing-Simulation der Bestrahlungsintensität für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung,
3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls zum Einsatz in einer erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung,
4 eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Strahlermoduls zum Einsatz in einer erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung,
5 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlermoduls mit einem Infrarotstrahler, auf dessen Strahlerrohr zur Verringerung der Strahlungsemission in einem Winkelbereich zwei Reflektorstreifen aufgebracht sind, und
6 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlermoduls zum Einsatz in einer erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung mit zwei zusätzlichen Reflektoren seitlich des Strahlerrohrs, und
7 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlermoduls zum Einsatz in einer erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung mit einem Reflektor, bei der mit dem Reflektor zwei Seitenflügel verbunden sind.
1 zeigt eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Die Bestrahlungsvorrichtung 1 ist für den Etagenanbau vorgesehen und umfasst ein Gehäuse 15 mit fünf darin übereinander angeordneten Pflanzmodulen (Etagen) zum Anbau von Pflanzen, von denen in 1 zum Zwecke der Vereinfachung nur zwei Pflanzmodule 10, 20 dargestellt sind. Die nicht dargestellten Pflanzmodule sind identisch zu den Pflanzmodulen 10, 20 ausgebildet. Auf beide Seitenwände 16, 17 des Gehäuses ist jeweils eine Reflektorfolie 18a, 18b aufgebracht.
Die Pflanzmodule 10, 20 umfassen ein Trägerelement 2 sowie einen oberhalb des Trägerelements 2 angeordneten Bauraum B, der Elektroleitungen und Montageelemente aufweist, sowie die unterhalb des Bauraums angeordnete Strahlerzone Z. Das Trägerelement 2 ist mit Erde gefüllt und mit mehreren Pflanzen 3 bepflanzt. Die Oberfläche des bepflanzten Trägerelements legt eine Anbauebene E fest. Die Strahlerzone Z befindet sich oberhalb der Anbauebene E. In der Strahlerzone Z sind LED-Leisten 4a, 4b, 4c angeordnet, die im Wesentlichen optische Strahlung 5 mit Wellenlängen im sichtbaren und im ultravioletten Bereich emittieren. In der Strahlerzone Z sind ebenfalls mehrere Strahlermodule 7 zur Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung 6 vorgesehen.
Die Strahlermodule 7 weisen einen Infrarotstrahler 8 auf, wobei jedem Infrarotstrahler 8 ein Bestrahlungsbereich F auf der Anbauebene zugeordnet ist, der durch gestrichelt eingezeichnete Linien 6 angedeutet ist, welche die Infrarot-Bestrahlung symbolisieren.
Die Infrarotstrahler 8 sind jeweils für eine Nominalleistung von 100 Watt bei einer Nominalspannung von 115 Volt ausgelegt. Sie weisen ein zylinderförmiges Strahlerrohr aus Quarzglas mit einem Außendurchmesser von 13,7 mm und einer Strahlerrohr-Länge von 240 mm auf.
Die der Anbauebene E zugewandte Seite des Strahlerrohrs weist eine mittlere Rauheit von 3,5 µm auf; sie wirkt als Diffusor. Innerhalb des Strahlerrohrs ist ein Heizfilament angeordnet, das bei Nominalleistung mit einer Temperatur von 900 °C betrieben wird.
Auf der der Anbauebene E abgewandten Seite der Infrarotstrahler 8 ist ein Reflektor 9 angeordnet, der die Ausbreitung der vom jeweiligen Infrarotstrahler 8 emittierten Infrarotstrahlung nach oben in Richtung des Bauraums B und seitlich in Richtung der LED-Leisten 4a, 4b, 4c verringert. Die Reflektoren 9 erstrecken sich jeweils parallel zu dem ihnen zugeordneten Infrarotstrahler 8 und haben eine Länge von 390 mm und eine Breite von 120 mm. Der Reflektor 9 weist einen spiegelsymmetrischen Reflektorgrundkörper auf, wobei die Oberflächenform einer Symmetriehälfte in Schnittdarstellung durch eine Parabel beschrieben wird. Mit dem Reflektor 9 sind zwei Seitenflügel 9a, 9b verbunden. Beide Seitenflügel 9a, 9b schließen mit der Horizontalen jeweils einen Winkel von 30° ein. Die Oberfläche der dem Infrarotstrahler 8 zugewandten Seite des Reflektors 9 und der Seitenflügel 9a, 9b ist aus gehämmertem Aluminium gefertigt; sie wirkt diffus reflektierend.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf einem seitlichen Bereich der der Mantelfläche des Strahlerrohrs ein in Richtung der Längsachse verlaufender Reflektorstreifen aus Gold sowie spiegelsymmetrisch dazu ein weiterer Reflektorstreifen aufgebracht ist. Diese Reflektorstreifen verringern eine Abstrahlung von Infrarotstrahlung 6 in Richtung des Bauraums und der anderen Strahlungsquellen in der Strahlerzone. Der Reflektorstreifen bedeckt dabei jeweils einen Kreisbogen des Strahlerrohrquerschnitts, der mit einer durch den Filamentmittelpunkt verlaufenden Horizontalen einen Bedeckungswinkel zwischen –2° und +25° einschließt, wobei der kleinere Winkelbetrag der Belegung unterhalb der Horizontalen zuzuordnen ist.
In Richtung der Längsachsen der Infrarotstrahler 8 sind mehrere baugleiche Strahlermodule 7 hintereinander angeordnet (nicht dargestellt). Benachbarte Infrarotstrahler 8 weisen in Richtung ihrer Längsachse einen Abstand zueinander von 1,54 m auf. Der Abstand parallel zueinander angeordneter, benachbarter Infrarotstrahler senkrecht zur Richtung ihrer Längsachsen beträgt 1,65 m. Zur Anbauebene E weisen die Infrarotstrahler einen Abstand von 1,0 m auf.
Die Infrarotstrahler 8 sind in der Strahlerzone Z derart zueinander angerordnet, dass ihre Strahlerrohr-Längsachsen parallel zueinander verlaufen; sie sind nebeneinander angeordnet, in dem Sinne, dass sie auf derselben Längsposition des Beleuchtungsfeldes beginnen und enden. Die Anzahl der Infrarotstrahler bezogen auf die Fläche der Anbauebene beträgt 0,4 m^–2. Darüber hinaus sind die Infrarotstrahler 8 in der Strahlerzone Z so angeordnet, dass sich ihre Bestrahlungsbereiche F seitlich so überlappen, dass die mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene 30 Watt/m² beträgt.
2 zeigt eine Raytracing-Simulation der Bestrahlungsintensität mit Infrarotstrahlung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung 200 zur Bestrahlung von Pflanzen. In 2 ist die Bestrahlungsintensität auf der Pflanzenebene in einem Abstand von 1 m von den Infrarotstrahlern in W/mm² angegeben.
Die der Raytracing-Simulation zugrundeliegende Bestrahlungsvorrichtung 200 weist vier nebeneinander angeordnete Pflanzentische 201, 202, 203, 204 auf, die zusammen die Anbauebene der Bestrahlungsvorrichtung festlegen. Jeder der Pflanzentische 201, 202, 203, 204 hat eine Länge von 6 m und eine Breite von 1,65 m. Oberhalb jedes Pflanzentischs 201, 202, 203, 204 sind in einer Strahlerzone Z fünf Strahlermodule 205 mit jeweils einem Infrarotstrahler angeordnet. Bezogen auf die Anbauebene beträgt die Anzahl der Infrarotstrahler etwa 0,5 m^–2. Die Nominal-Leistung des Infrarotstrahlers (bei einer nominalen Spannung von 115 V) beträgt 96 W. Der Infrarotstrahler zeichnet sich durch eine Strahlerrohrlänge von 260 mm, einen Strahlerrohr-Außendurchmesser von 10 mm und durch ein innerhalb des Strahlerrohrs angeordnetes Heizfilament aus. Der Abstand der Infrarotstrahler zur Anbauebene beträgt jeweils 1,0 m. Der der Anbauebene E abgewandten Seite des Strahlerrohrs ist ein Reflektor gemäß 3 zugeordnet. Auf selber Höhe der Strahlerzone Z sind zur Emission von Strahlung im ultravioletten und sichtbaren Bereich mehrere LED-Leisten angeordnet (nicht dargestellt). Um eine homogene Bestrahlungsintensität zu gewährleisten, sind an zwei Seitenwänden der Bestrahlungsvorrichtung 200 jeweils eine reflektierende Innenauskleidung 206, 207 vorgesehen.
Das Diagramm 209 zeigt darüber hinaus – in Längsrichtung des Pflanzentisches 202 gesehen – den Verlauf der Bestrahlungsintensität in W/mm² entlang einer Mittenachse 208 des Pflanzentischs 202. Das Diagramm 211 gibt den Verlauf der Bestrahlungsintensität entlang einer Mittenachse 210 der Bestrahlungsvorrichtung 202 wieder. Die mittlere Bestrahlungsintensität auf die gesamte Anbauebene E bezogen beträgt 27 W/m², mit einer minimalen Bestrahlungsintensität von 20 W/m² und einer maximalen Bestrahlungsintensität von 32 W/m².
In 3 ist eine Ausführungsform eines Strahlermoduls 300 zur Bestrahlung von Pflanzen mit Infrarotstrahlung zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung dargestellt. Das Strahlermodul 300 umfasst einen Infrarotstrahler 301 mit einer Strahler-Längsachse 305 sowie einen Reflektor 302.
Der Infrarotstrahler 301 weist ein zylinderförmiges Strahlerrohr 303 aus Quarzglas sowie ein innerhalb des Strahlerrohrs 303 angeordnetes Heizfilament 304 auf. Der Infrarotstrahler zeichnet sich durch eine Strahlerrohrlänge von 270 mm und durch einen Außendurchmesser von 10 mm aus. Das Heizfilament 304 ist aus Wolfram-Draht gefertigt. Die Länge des Heizfilaments 304 beträgt 240 mm. Die Nominal-Leistung des Strahlers beträgt 96 W, bei einer nominalen Spannung von 115 V.
Der Reflektor 302 weist in Richtung der Strahlerlängsachse 305 eine Länge von 350 mm und senkrecht dazu eine Breite von 94 mm auf. Der Reflektor 302 ist spiegelsymmetrisch ausgebildet. Die Reflektoroberfläche einer Spiegelhälfte weist eine Krümmung auf, deren Verlauf durch einen Kegelschnitt mit der Gleichung y² = 2Rx – (k + 1)x² beschrieben werden kann. (Die Kegelschnittkonstante k beträgt –1; der Krümmungsradius R beträgt 132 mm. Der Abstand B des Reflektors zur Mittelachse des Strahlerrohrs 303 beträgt 7,5 mm.
4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls 400 in einer Seitenansicht. Sofern in den 4 bis 6 dieselben Bezugsziffern wie in 3 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit gemäß 3 näher erläutert sind.
Das Strahlermodul 400 umfasst einen Infrarotstrahler 301 mit einem Strahlerrohr 303 und einem darin angeordneten Heizfilament 304, sowie einen Reflektor 302. Die Länge A des Heizfilaments 304 beträgt 240 mm. Das Strahlerrohr 303 weist eine aufgeraute Oberfläche eine mittlere Rauheit Ra von 3,5 µm auf.
5 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls 500 mit einem Infrarotstrahler 501, auf dessen Strahlerrohr zusätzlich zwei Reflektorstreifen 503a, 503b aufgebracht sind.
Der Infrarotstrahler 501 weist ein zylinderförmiges Strahlerrohr 503 aus Quarzglas sowie ein innerhalb des Strahlerrohrs 503 angeordnetes Heizfilament (nicht dargestellt) auf. Die Nominal-Leistung des Infrarotstrahlers (bei einer nominalen Spannung von 115 V) beträgt 96 W. Er zeichnet sich durch eine Strahlerrohrlänge von 260 mm und durch einen Außendurchmesser von 10 mm aus. Auf das Strahlerrohr 503 sind zwei Reflektorstreifen in Form einer Goldbeschichtung aufgebracht, die sich in Richtung der Strahlerrohr-Längsachse erstreckt. Die Breite des Reflektorstreifens 503b ist so ausgelegt, dass er ausgehend von einer horizontalen Achse 510, der der Winkel 0° zugeordnet ist, einen Kreisbogen bedeckt, der durch einen Winkelbereich α zwischen –5° und +22° beschrieben ist. Der Reflektorstreifen 503a ist spiegelsymmetrisch zum Reflektorstreifen 503b angeordnet; er bedeckt einen Kreisbogen mit einem Winkelbereich α zwischen 158° und 185°. Durch die beiden Reflektorstreifen 503a, 503b wird die Abstrahlung infraroter Strahlung nach oben in Richtung des Bauraums und seitlich in Richtung der UV-/VIS-Strahlungsquellen in der Strahlerzone verringert, wodurch beispielsweise eine längere Lebensdauer der dort angeordneten Strahlungsquellen gewährleistet wird.
6 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls 600 mit einem Infrarotstrahler 601 mit zwei zusätzlichen, seitlich des Strahlerrohrs angebrachten Reflektoren 603a, 603b.
Der Infrarotstrahler weist ein zylinderförmiges Strahlerrohr aus Quarzglas sowie ein innerhalb, am Boden des Strahlerrohrs angeordnetes Heizfilament 604 auf. Die Nominal-Leistung des Infrarotstrahlers (bei einer nominalen Spannung von 115 V) beträgt 96 W. Er zeichnet sich durch eine Strahlerrohrlänge von 260 mm und durch einen Außendurchmesser von 10 mm aus. Die beiden seitlichen Reflektoren 603a, 603b sind derart angeordnet, dass sie mit einer Horizontalen durch den Mittelpunkt des Filaments einen Winkel α von 28° oberhalb der Horizontalen abdecken und somit die Abstrahlung nach oben in den nicht vom oberen Reflektor 602 abgedeckten Winkelbereich minimieren. Der Winkel der seitlichen Reflektoren 603a, 603b zur Horizontalen beträgt 55°, der Abstand der seitlichen Reflektoren 603a, 603b vom Strahlerrohr beträgt an der kürzesten Stelle 3 mm. Der Abstand von der Mittelachse des Strahlerrohrs zum oberen Reflektor 602, dessen äußere Abmessungen 120 × 390 mm² betragen, beträgt 15 mm. Die Form des oberen Reflektors wird durch einen parabelförmigen Kegelschnitt beschrieben, mit einem Krümmungsradius von 115 mm.
In 7 ist im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls 700 zum Einsatz in eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung dargestellt. Das Strahlermodul 700 umfasst einen Infrarotstrahler 301 und einen Reflektor 702, wobei mit dem Reflektor 702 zwei reflektierende Seitenflügel 703a, 703b verbunden sind. Die beiden Seitenflügel 703a, 703b sind derart angeordnet, dass sie mit einer Horizontalen einen Winkel von 30° einschließen. Sie weisen eine Breite C von 84 mm auf. Die Breite D des Reflektors beträgt 88 mm. Sowohl die Seitenflügel 603a, 603b als auch der Reflektor 702 weisen eine Länge von 338 mm auf. Durch die Anordnung der Seitenflügel 703a, 703b wird die Abstrahlung infraroter Strahlung nach oben in Richtung des Bauraums und seitlich in Richtung der UV-/VIS-Strahlungsquellen in der Strahlerzone verringert

Claims

Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Pflanzen, aufweisend ein eine Anbauebene E definierendes Trägerelement zur Kultivierung der Pflanzen, mehrere Strahlungsquellen zur Bestrahlung der Pflanzen mit sichtbarer und/oder ultravioletter Strahlung und mehrere Infrarotstrahler zur Bestrahlung der Pflanzen mit Infrarotstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler für eine Temperatur von 800 °C bis 1.800 °C ausgelegt sind und jeweils ein zylinderförmiges Strahlerrohr mit einer Strahlerrohr-Länge im Bereich von 50 mm bis 500 mm aufweisen, und dass sich die Strahlerrohre parallel zueinander in einer oberhalb der Anbauebene E gelegenen Strahlerzone Z erstrecken, wobei die Infrarotstrahler-Belegungsdichte bezogen auf die Fläche der Anbauebene E im Bereich zwischen 0,2 m^–2 und 1,0 m^–2 liegt, und sich Bestrahlungsbereiche benachbarter Infrarotstrahler auf der Anbauebene E derart überlappen, dass die mittlere Bestrahlungs stärke auf der Anbauebene E zwischen 10 Watt/m² und 100 Watt/m² mit einer Schwankungsbreite von maximal 50% beträgt, und dass einer Oberseite des Strahlerrohrs ein einem Bauraum B zugewandter Reflektor zugeordnet ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Bestrahlungsstärke auf der Anbauebene 10 Watt/m² bis 50 Watt/m² beträgt.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler Heizfilamente für eine Temperatur von 850 °C bis 1.500 °C ausgelegt sind.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Infrarotstrahler in Richtung ihrer Längsachsen hintereinander angeordnet sind, und dass benachbarte Infrarotstrahler in Richtung ihrer Längsachse einen Abstand zueinander zwischen 0,9 m bis 2,3 m, bevorzugt zwischen 1,1 m bis 1,7 m, aufweisen.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zueinander angeordnete, benachbarte Infrarotstrahler einen Abstand zueinander zwischen 1 m bis 3 m, vorzugsweise zwischen 1,3 m bis 2,5 m, besonders bevorzugt zwischen 1,5 m bis 1,8 m aufweisen.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler von der Anbauebene einen Abstand im Bereich von 1,0 m ± 0,5 m aufweisen.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor – in Richtung der Längsachse gesehen – eine Länge im Bereich zwischen 70 mm und 650 mm, bevorzugt zwischen 250 mm und 450 mm und eine Breite im Bereich zwischen 50 mm und 160 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 80 mm und 130 mm, aufweist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine diffus reflektierende Oberfläche aufweist.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche aus gehämmertem Aluminium gefertigt ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem seitlichen Bereich der Mantelfläche des Strahlerrohrs ein in Richtung der Längsachse verlaufender erster Reflektorstreifen aufgebracht ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorstreifen aus Gold, aus opakem Quarzglas oder aus Keramik gefertigt ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerrohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei der erste Reflektorstreifen einen Kreisbogen des Strahlerrohrs bedeckt, der mit einer durch den Filamentmittelpunkt verlaufenden Horizontalen einen Bedeckungswinkel zwischen –40° und +40°, vorzugsweise zwischen –30° und +30° einschließt.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Reflektorstreifen auf die Mantelfläche aufgebracht ist, der spiegelsymmetrisch zum ersten Reflektorstreifen zu einer durch einen Filamentmittelpunkt verlaufenden Vertikalen angeordnet ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorstreifen eine diffus reflektierende Oberfläche aufweist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich des Strahlerrohrs zusätzliche Reflektoren in jeweils einer Reflektorebene angeordnet sind, wobei die Reflektorebenen mit der Horizontalen einen Winkel zwischen 25° bis 70° einschließen und deren Abmessungen und Entfernung vom Strahlerrohr derart eingestellt sind, dass sie eine direkte Abstrahlung der vom Infrarotstrahler emittierten Infrarotstrahlung in einen Raumbereich verhindern, der ausgehend von einem Filamentmittelpunkt des Strahlerrohrs durch zwei Ebenen beschrieben wird, die jeweils mit der Horizontalen einen Winkel zwischen –40° und +40°, vorzugsweise zwischen –30° und +30°, einschließen.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Reflektor zwei Seitenflügel verbunden sind, wobei die Seitenflügel mit der Horizontalen jeweils einen Winkel im Bereich zwischen 20° bis 40° einschließen.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine Spiegelsymmetrie zu einer Reflektor-Spiegelebene aufweist, wobei in Schnittdarstellung senkrecht zur Reflektor-Spiegelebene die Form einer Symmetriehälfte des Reflektors durch einen Kegelschnitt beschrieben wird, wobei der Reflektor zur Mitte hin spitz in Richtung auf das Strahlerrohr zuläuft.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Oberfläche des Strahlerrohrs als Diffusor wirkt und auftreffende Strahlung diffus streut.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerrohr eine als Diffusor wirkende, aufgeraute Oberfläche mit einer mittleren Rauheit Ra aufweist, wobei die mittlere Rauheit Ra im Bereich zwischen 0,3 µm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,8 µm und 3 µm, liegt.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsvorrichtung ein Gehäuse mit Seitenwänden umfasst, wobei auf mindestens eine der Seitenwände eine Reflektorfolie aufgebracht ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwankungsbreite maximal 20%, vorzugsweise maximal 10%, der mittleren Bestrahlungsstärke beträgt.
Strahlermodul zur Bestrahlung von Pflanzen mit Infrarotstrahlung zum Einsatz in eine Bestahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, aufweisend einen Infrarotstrahler, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler ein zylinderförmiges Strahlerrohr mit einer Strahlerrohr-Längsachse, einer Strahlerrohr-Länge von 50 mm bis 500 mm, vorzugsweise von 150 mm bis 350 mm, und einem darin angeordneten, für eine Temperatur von 800 °C bis 1.800 °C ausgelegten Heizfilament aufweist, wobei einer Seite des Strahlerrohrs ein Reflektor zugeordnet ist.