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In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Schützen von Pflanzen und Frostschutzanordnung zum Schützen von Pflanzen gegen Frost bereitgestellt.
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In verschiedenen Bereichen der Landwirtschaft sind Landwirte von Frostschäden betroffen, die zu einem vollständigen Ernteverlust führen können. Besonders im (späten) Frühling, wenn die Pflanzen sprießen, ist der Frost eine große Bedrohung für Knospen, Blüten und Blätter. Wasser in den Zellen könnte bei Temperaturen unter 0 °C einfrieren und die Zellen beschädigen. Frostschäden sind insbesondere im Obstanbau eine große Herausforderung, z.B. für Äpfel, Trauben, Birnen, Pflaumen, Kirschen, Erdbeeren, Himbeeren, Blaubeeren, Pfirsiche, Aprikosen, Orangen, andere Früchte, aber auch für Gemüse und andere Kulturen.
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Bei Frostschäden werden zwei verschiedene Arten von Frost berücksichtigt, Strahlungsfrost und Windfrost.
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Strahlungsfrost tritt auf, wenn große Mengen klarer, trockener Luft in ein Gebiet strömen und nachts der Himmel durch fast keine Wolken bedeckt ist. In dieser Zeit „strahlen“ Pflanzen, Boden und andere Objekte, die wärmer als der sehr kalte Nachthimmel sind, ihre eigene Wärme in den Weltraum zurück und werden zunehmend kälter. Das Pflanzengewebe, das direkt dem Himmel ausgesetzt ist, wird am kältesten. Eine Inversionswetterlage (thermische Inversion) könnte sich entwickeln, wenn die Temperatur in Bodennähe und in der Nähe der Pflanzen einige Kelvin kälter ist als die Luft einige zehn Meter über dem Boden.
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Windfrost (engl. auch als wind frost, advection frost oder advective freezes bezeichnet) tritt bei starken, kalten, langanhaltenden und großflächigen Winden auf. Windfrost-Bedingungen erlauben keine Inversionswetterlage, obwohl noch Strahlungsverluste vorhanden sind. Der Kälteschaden wird durch die schnelle, kalte Luftbewegung verursacht, die Wärme von der Pflanze abführt. Der Schutz vor Windfrost ist viel schwieriger als der Schutz vor Strahlungsfrost. Folglich sind die meisten herkömmlichen Verfahren und Systeme zum Frostschutz von Pflanzen nur in Strahlungsfrost-Situationen praktisch und effektiv.
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Eine herkömmliche Frostschutz-Methode basiert auf der Sprinkler-Bewässerung, beispielsweise für Äpfel, Trauben, Kirschen, Erdbeeren und Gemüse. Dabei setzt das Besprühen der Pflanzen mit Wasser Wärme frei, wenn das Wasser zu Eis wird (latente Gefrierwärme). Für den Frostschutz durch Sprinkler-Bewässerung werden jedoch große Wassermengen benötigt und somit werden lange Rohrleitungen oder Brunnen oder Becken und große Pumpen benötigt. In der Regel sind mehr als 100.000 Liter pro Hektar und Nacht erforderlich. Neben den Kosten und dem Wasserverbrauch werden diese großen Wassermengen den Pflanzen zu Zeiten zugeführt, in denen der Bedarf bei den Pflanzen sehr gering ist. Dies führt zu wassergefährdeten Böden und zum Auswaschen von Nährstoffen und anderen Chemikalien aus der Wurzelzone. Darüber hinaus sollte dieses Verfahren nicht bei Windfrost angewendet werden (zumindest bei Wind über einer bestimmten Schwelle), da das Eis der Pflanzen sublimieren oder Wasser verdunsten kann, wodurch mehr Wärme abgeführt wird, als beim Gefrieren freigesetzt wird.
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Eine weitere herkömmliche Frostschutz-Methode basiert auf der Beheizung, beispielsweise mit einer Ölverbrennungs- oder Flüssig-Propanheizungen. Hier wird die durch die Öl- oder Propanverbrennung freigesetzte Wärme zum Heizen der Pflanzen verwendet. Die meiste Wärme von konventionellen Öl- und Propanheizungen geht verloren, hauptsächlich aufgrund des Auftriebs- und der Konvektionskräfte, die die Wärme über die Pflanzen bringen. Die Verwendung von Heizgeräten erfordert erhebliche Investitionen in Geld und Arbeit. Zusätzliche Ausrüstung ist erforderlich, um beispielsweise Heizgeräte in Weinberge hinein und aus ihnen heraus zu bringen. Bei Windfrost ist der Wärmeverlust noch stärker.
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Eine weitere herkömmliche Frostschutz-Methode basiert auf der Verwendung von Windmaschinen. Windmaschinen nutzen das Vorhandensein einer thermischen Inversion, indem sie wärmere Luft aus mehreren Metern Höhe über dem Boden anziehen. Sie sind daher nur bei Strahlungsfrost mit thermischer Inversion anwendbar. Darüber hinaus erzeugen Windmaschinen eine Menge Lärm, der ihre Anwendung auf Regionen ohne nahegelegene Bevölkerung beschränkt.
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Eine weitere herkömmliche Frostschutz-Methode basiert auf der Abdeckung bzw. einer Überdachung von Pflanzen, beispielsweise für Erdbeeren. Die Abdeckung verringert die Wärmemenge, die aus Bereichen in Bodennähe verloren geht. Der Effekt ist jedoch begrenzt und die Anwendung auf ausgedehnte Felder, beispielsweise von Äpfeln oder Wein, würde einen hohen Aufwand und hohe Kosten erfordern.
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Je nach Region kann der Klimawandel aufgrund früherer Blütezeiten sogar das Risiko von Frostschäden erhöhen. Daher ist eine effektive und einfach zu verwendende technische Methode zur Vermeidung von Frostschäden erwünscht.
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In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Schützen von Pflanzen gegen Frost bereitgestellt. Das Verfahren weist ein Anordnen einer Vielzahl von Festkörperlichtquellen auf einer mit Pflanzen bepflanzten Fläche auf. Die Festkörperlichtquellen sind eingerichtet, elektromagnetische Strahlung hauptsächlich im infraroten (IR) Spektralbereich zu emittieren. Die Festkörperlichtquellen sind derart auf der bepflanzten Fläche angeordnet, dass die emittierte IR-Strahlung auf die oberen Teile der Pflanzen gerichtet ist. Das Verfahren weist zudem ein Ermitteln einer Frostbedingung und ein Steuern der Festkörperlichtquellen abhängig von der Frostbedingung auf.
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Dies bewirkt einen Frostschutz von Pflanzen gegenüber Strahlungsfrost und Windfrost. Der Frostschutz lässt sich zudem mittels der Frostbedingung abhängig vom Frostgrad oder der Art des Frosts auf einfache Weise einstellen.
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In einem weiteren Aspekt wird eine Frostschutzanordnung zum Schützen von Pflanzen gegen Frost bereitgestellt. Die Frostschutzanordnung weist eine Vielzahl von Festkörperlichtquellen auf einer mit Pflanzen bepflanzten Fläche auf. Die Festkörperlichtquellen sind eingerichtet, elektromagnetische Strahlung hauptsächlich im infraroten (IR) Spektralbereich zu emittieren. Die Festkörperlichtquellen sind derart auf der bepflanzten Fläche angeordnet, dass die emittierte IR-Strahlung auf die oberen Teile der Pflanzen gerichtet ist. Die Frostschutzanordnung weist weiterhin eine Erfassungsvorrichtung zum Ermitteln einer Frostbedingung und eine Steuervorrichtung, die zum Steuern der Festkörperlichtquellen abhängig von der Frostbedingung eingerichtet ist.
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Die Frostschutzanordnung ermöglicht eine einfache Handhabung und Bedienung. Weiterhin weist die Frostschutzanordnung einen geringen Arbeitsaufwand vor und während des Betriebs auf. Die Frostschutzanordnung kann beispielsweise automatisch ein- und ausgeschaltet werden. Die Installations-, Wartungs- und Betriebskosten für die Frostschutzanordnung sind zudem vergleichsweise gering. Zudem weist die Frostschutzanordnung keine bzw. vergleichsweise geringe Nebenwirkungen für die Natur auf.
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Weitere Ausführungsbeispiele sind nachfolgend, in der Figur und in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Figur dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 eine schematisch Seitenansicht einer Frostschutzanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die Teil dieser bildet und in der zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
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Die in dieser Beschreibung angegebenen Wellenlängen beziehen sich auf die Frequenz und die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung in Vakuum.
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1 veranschaulicht schematisch eine perspektivische Ansicht einer Frostschutzanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden ein Verfahren zum Schützen von Pflanzen gegen Frost und eine Frostschutzanordnung 100 zum Schützen von Pflanzen 104, 106 gegen Frost bereitgestellt.
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Die Frostschutzanordnung 100 weist eine Vielzahl von Festkörperlichtquellen 108 auf einer mit Pflanzen 104, 106 bepflanzten Fläche 102 auf.
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Die Festkörperlichtquellen 108 sind eingerichtet, elektromagnetische Strahlung 110 nur oder hauptsächlich nur im infraroten (IR) Spektralbereich zu emittieren. Festkörperlichtquellen 108, die eingerichtet sind, im IR-Spektralbereich zu emittieren, (IR-emittierende Festkörperlichtquellen) sind beispielsweise IR-Leuchtdioden, IR-Laser-Dioden oder IR-emittierende organische Leuchtdioden. der IR-Spektralbereich umfasst den Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1 mm. IR-Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.
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Die Festkörperlichtquellen 108 sind derart auf der bepflanzten Fläche 102 angeordnet, dass die emittierte IR-Strahlung 110 auf die oberen Teile der Pflanzen 104, 106 gerichtet ist. Die oberen Teile der Pflanzen 104, 106 sind beispielsweise die am weitesten vom Boden 102 entfernten Teile der Pflanze 104, 106 und sind am anfälligsten für Frost. Die oberen Teile sind beispielsweise die oberirdischen Teile einer Pflanze, beispielsweise die Knospe(n), die Blüte(n), eine Anzahl von Sprossachsenknoten von der Sprossachse, beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 10, und/oder äußerste Äste und Zweige einer Baumkrone oder des Baumwipfels. Die Pflanzen 104, 106 können beispielsweise Bäume, Büsche, Sträucher oder sonstige Nutzpflanzen sein. Wenn sich die Festkörperlichtquellen 108 über den Pflanzen 104, 106 befinden, kann ein großer Teil der Strahlung der IR-Leuchtdioden, die nicht direkt von den Pflanzen 104, 106 absorbiert wird, den Boden 102 erwärmen. Der Boden 102 strahlt einen Teil der Wärme wieder ab, wodurch die Pflanzen 104, 106 indirekt erwärmt bzw. beheizt werden.
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Mittels der Frostschutzanordnung 100 werden Pflanzen 104, 106 mittels Strahlung erhitzt. Die Strahlung wird von Festkörperlichtquellen 108 durch Festkörperlumineszenz erzeugt. Die Anordnung 100 ist dazu eingerichtet die Pflanzen 104, 106 nur oder im Wesentlichen nur zu erwärmen. Mit anderen Worten: es ist im Wesentlichen nicht die Aufgabe der Vorrichtung, die Pflanzen 104, 106 zu beleuchten. Die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 sind eingerichtet, eine elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge ausgewählt aus der Gruppe der Wellenlängen 980 nm, 1450 nm, 1240 nm, 1940 nm und/oder 2500 nm. Das von den Festkörperlichtquellen 108 erzeugte Licht wird von dem Wasser in den Pflanzen 104, 106 absorbiert. Die primären und sekundären Absorptionen von Wasser in der Blattreflexion sind in Spektralbändern bei 1450 nm, 1940 nm und 2500 nm am größten, mit wichtigen sekundären Absorptionen bei 980 nm und 1240 nm. Ferner können Wellenlängen über 2500 nm verwendet werden, um weitere Wasserabsorptionsbanden anzuregen.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Festkörperlichtquellen 108 so eingerichtet, dass das emittierte Spektrum keinen oder keinen Wesentlichen Anteil an Strahlung in einem oder mehreren Wellenlängenbereich(en) emittiert, die fotobiologische Prozesse auslöst oder fördert. Ein fotobiologischer Prozess ist beispielsweise die Fotosynthese. Dies ermöglicht ein Erwärmen von Pflanzen, ohne die Pflanzen 104, 106 zu „stören“.
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Alternativ zu Wellenlängen, die auf die Absorptionsbanden von Wasser abzielen, können auch andere Wellenlängen zum Erwärmen der Pflanzen 104, 106 verwendet werden. Beispielsweise können Absorptionsbanden verwendet werden, die auf die Chlorophyll-Absorption abzielen.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Festkörperlichtquellen 108 derart eingerichtet, dass sie jeweils einen oder mehrere schmalbandige Emissionsbereiche aufweisen. Die Emissionsbereiche sind darauf ausgerichtet, dass sie eine oder mehrere Wasserabsorptionsbanden anvisieren.
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Das Emissionsspektrum der Festkörperlichtquellen 108 unterscheidet sich somit von Lichtquellen auf Basis von Wärmestrahlung (beispielsweise eine Halogenlampe), die ein im Wesentlichen kontinuierliches Spektrum aufweist (Schwarzkörperstrahlung).
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Die IR-emittierende Festkörperlichtquellen 108 können optional jeweils eingerichtet sein, sichtbares Licht zu emittieren. Der Energieanteil des sichtbaren Lichts am Gesamt-Spektrum ist kleiner als 20 %. Die Festkörperlichtquellen 108 können Lichtquellen sein, die kein sichtbares Licht emittieren. Alternativ ist der Anteil der sichtbaren Strahlung, die von den Festkörperlichtquellen 108 emittiert wird, niedriger als beispielsweis 20%, 10%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5% oder 0,1% im Vergleich zur gesamten emittierten Strahlung (in Watt).
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Durch die Verwendung von Wellenlängen, die in den Pflanzen 104, 106 von Wasser absorbiert werden, wird Wärme direkt in den Knospen, Blüten und Blättern erzeugt, d. h. genau dort, wo sie benötigt wird. Die Erwärmung durch Strahlung ist windunabhängig und somit die einzige Frostschutzmethode, die auch bei Windfrost wirksam bleibt. Der Ansatz hat einen sehr geringen Wartungsaufwand. Beispielsweise haben Leuchtdioden eine sehr lange Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden. Insbesondere wenn die Leuchtdioden dauerhaft in den Feldern installiert sind, ist der Wartungsaufwand nahe null. Darüber hinaus ist für den Betrieb von Leuchtdioden im Wesentlichen kein Arbeitsaufwand erforderlich. Die Leuchtdioden können vom Landwirt aus der Ferne eingeschaltet werden, ohne dass es erforderlich wäre, sich dem Feld zu nähern.
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Die IR-Leuchtdioden können beispielsweise sogar völlig autonom arbeiten, beispielsweise mittels Einbeziehung der Erfassungsvorrichtung. Die Erfassungsvorrichtung weist beispielsweise Sensoren auf, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit erfassen, beispielsweise um zu ermitteln, wann ein Frostschutz erforderlich ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Erfassungsvorrichtung Temperatursensoren und/oder Thermo-/Infrarotkameras auf, die die Temperatur der Pflanzen 104, 106 bzw. der bepflanzten Fläche direkt erfassen. Die Sensoren können auch getrennt von den IR-Leuchtdioden installiert werden, beispielsweise in der Nähe der Pflanzen 104, 106 oder in der Nähe des Bodens.
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Die Frostschutzanordnung 100 weist ferner eine Erfassungsvorrichtung 116 zum Ermitteln einer Frostbedingung. Die Frostbedingung wird an die Steuervorrichtung übermittelt (mittels des Pfeils 118 veranschaulicht). Die Frostbedingung ist beispielsweise ein Signal eines Fotosensors, beispielsweise ein Beschlagen eines Abdeckglases des Fotosensors durch Vereisung des Abdeckglases; eine kritische Temperatur, eine kritische Windgeschwindigkeit und/oder eine kritische Luftfeuchtigkeit oder ähnliches. Die Erfassungsvorrichtung 116 weist beispielsweise einen oder mehrere Temperatursensor(en) und/oder Windmesser auf.
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Die Frostschutzanordnung 100 weist ferner eine Steuervorrichtung 112, die zum Steuern der Festkörperlichtquellen 108 abhängig von der Frostbedingung eingerichtet ist, auf. Die Steuervorrichtung 112 weist beispielsweise einen Mikrocontroller auf. Die Frostbedingung wird an die Steuervorrichtung übermittelt (mittels des Pfeils 118 veranschaulicht), die daraufhin und abhängig davon die Festkörperlichtquellen 108 entsprechend ansteuert (mittels des Pfeils 114 veranschaulicht). In einem Ausführungsbeispiel können die IR-Leuchtdioden und Sensoren mit der Steuereinheit 112, beispielsweise einem zentralen Gateway, verbunden sein, die alle Berechnungen ausführt. Die Steuereinheit kann beispielsweise mit externen Wetterbericht(en) versorgt werden, um eine Frostschutzbedingung zu ermitteln. Dadurch können die Festkörperlichtquellen 108 vom Landwirt oder einem Dienstleister ferngesteuert werden, beispielsweise mittels einer App.
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Entsprechend weist das Verfahren ein Anordnen einer Vielzahl von Festkörperlichtquellen 108 auf einer mit Pflanzen 104, 106 bepflanzten Fläche 102 (Boden), ein Ermitteln einer Frostbedingung und ein Steuern der Festkörperlichtquellen abhängig von der Frostbedingung auf.
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Die Festkörperlichtquellen 108 können (orts-)fest auf der bepflanzten Flächen installiert und an eine Stromversorgung angeschlossen sein. Optional weist die Frostschutzanordnung 100 einen Energiespeicher und/oder einen Energiegenerator auf, beispielsweise eine Fotovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage.
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In einer Ausführungsform kann die Frostschutzanordnung 100 eingerichtet sein, um in einer geschlossenen Einrichtung, beispielsweise einem Gewächshaus, in einer vertikalen Farm, oder in einer offenen Einrichtung, beispielsweise auf einem Feld oder einem Weinberg; verwendet zu werden. Mit anderen Worten: Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine mit Pflanzen 104, 106 bepflanzte Fläche 102, beispielsweise die Freilandhaltung. Alternativ kann die Vorrichtung und das Verfahren auch auf die Landwirtschaft in geschlossenen Umgebungen angewendet werden, beispielsweise auf Gewächshäuser, Indoor-Farmen (vertikale Farmen usw.).
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In einer Ausführungsform können die Festkörperlichtquellen 108 nur bei Bedarf auf der bepflanzten Fläche installiert werden, beispielsweise auf einem mobilen Rack.
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In einem Ausführungsbeispiel können IR-Leuchtdioden dimmbar eingerichtet sein. Dadurch kann die emittierte IR-Strahlung in Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmeerzeugung eingestellt werden. Alternativ können einzelne IR-Leuchtdioden abgeschaltet werden damit die emittierte IR-Strahlung in Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmeerzeugung eingestellt werden kann.
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Weiterhin können IR-Leuchtdioden bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad von IR-Leuchtdioden. Mit anderen Worten, die in Abhängigkeit von der Eingangsleistung der IR-Leuchtdioden erzeugte Strahlung steigt typischerweise bei niedrigeren Temperaturen an.
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Die Festkörperlichtquellen 108 können in Form einer Leuchte auf der bepflanzten Fläche installiert werden. Beispielsweise können eine Vielzahl von IR-Leuchtdioden in einer Leuchte angeordnet sein. Die Vielzahl von IR-Leuchtdioden können in einem Gehäuse untergebracht sein. Optional können auch der elektrische Treiber, einer oder mehrere Sensoren in dem Gehäuse angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform ist die Leuchte an einem Pfosten angebracht und auf der bepflanzten Fläche angeordnet, beispielsweise ähnlich einer Straßenlaterne.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Vielzahl einzelner IR-Leuchtdioden auf der bepflanzten Fläche 102 angeordnet werden, beispielsweise in Form von IR-Leuchtdioden-Streifen. Die IR-Leuchtdioden-Streifen können beispielsweise über oder zwischen den Pflanzen 104, 106 angebracht werden. Die Bestrahlung der Pflanzen 104, 106 mittels der IR-Leuchtdioden von oben kann von Vorteil sein, da die höchsten Teile der Pflanzen 104, 106 während des Strahlungsfrosts am kältesten werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die IR-Leuchtdioden eingerichtet sein, um an bereits vorhandenen Strukturen der bepflanzten Fläche angebracht zu werden, beispielsweise an Pflanzenteilen, Masten oder einer anderen Haltestruktur. Eine Haltestruktur kann beispielsweise zum Halten von Abdeckungen oder Gittern, beispielsweise für Weingärten, oder als Abdeckung oder Netz, beispielsweise Sonnen- oder Hagelschutznetz, eingerichtet sein.
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Alternativ oder zusätzlich können die Festkörperlichtquellen 108 an einer oder mehreren unbemannten Fahrzeugen (Drohnen) angebracht sein. Dadurch kann an der/den Stellen der bepflanzten Fläche Wärme erzeugt werden, wo sie am dringendsten benötigt wird.
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In verschieden Ausführungsbeispielen werden die Festkörperlichtquellen 108 kabelgebunden bestromt. Alternativ oder zusätzlich ist die Vorrichtung eingerichtet, einen Generator, beispielsweise ein Dieselgenerator, oder Batterien zu verwenden, die beispielsweise durch Photovoltaikzellen aufgeladen werden, um die Festkörperlichtquellen 108 mit Energie zu versorgen.
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Um die Installationskosten für die Frostschutzanordnung 100 zu reduzieren, kann es vorteilhaft sein, IR-Leuchtdioden mit einem Steuerstrom zu betreiben, der die höchste Gesamtstrahlung erzeugt. Dies ermöglicht, dass eine geringe Anzahl von IR-Leuchtdioden verwendet werden kann. Unter Berücksichtigung der Betriebskosten können IR-Leuchtdioden jedoch auch bei niedrigeren Strömen betrieben werden, wodurch die Stromeffizienz erhöht wird.
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Als Festkörperlichtquellen können direkt emittierende IR-Leuchtdioden verwendet werden. Halbleitermaterialien für die (IR-)Leuchtdioden sind beispielsweise InGaAlN, InGaAlP, InGaAlAs, GaAsP, GaInAsSb, AlGaAsSb, InAsSbP, ZnSe, ZnO, SiC oder eine Kombination davon. Das Material könnte auch zusätzliche Dotierstoffe enthalten.
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Weiterhin könnten IR-Leuchtdioden verwendet werden, die einen Abwärtskonverter verwenden. Ein solcher Abwärtskonverter absorbiert einen Teil oder den Großteil der Primärstrahlung (die von der (IR-)Leuchtdiode emittiert wird) und emittiert Sekundärstrahlung bei höheren Wellenlängen (d. h. mit niedrigerer Energie). Jede Art von Abwärtskonverter kann verwendet werden, beispielsweise (anorganische) Leuchtstoffe, organische Farbstoffe, Lumineszenzgläser (Gläser, die einen Aktivator enthalten) oder Quantenpunkte. Es ist auch möglich, eine Kombination mehrerer Abwärtskonverter zu verwenden. Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene IR-Leuchtdioden zu verwenden, die sich beispielsweise in der emittierten Primärstrahlung und/oder dem Abwärtskonverter unterscheiden.
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Viele verschiedene Aktivatoren könnten für (anorganische) Leuchtstoffe und Lumineszenzgläser verwendet werden, beispielsweise Bi2+, Ca2+, Ce3+, Cr3+, Cr4+, Dy3+, Er3+, Eu2+, Eu3+, Ho3+, Mn2+, Nd3+, Ni2+, Pr3+, Sb3+, Sm3+, Tm3+, Yb3+, Zr4+ und andere oder eine Kombination von mehr als einem Aktivator. In Bezug auf Quantenpunkte könnten Materialien wie InGaAs, CdSe, CdS, PbS, PbSe, GaInP und andere verwendet werden. Es könnten auch elektrisch gepumpte Quantenpunkt-IR-Leuchtdioden verwendet werden.
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Es ist auch möglich, einen sogenannten Quantum Cutter einzubeziehen. Quantum Cutter können Materialien sein, die ein Photon absorbieren und zwei oder mehr Photonen mit niedrigerer Energie emittieren. Durch Absorption eines Photons bei 700 nm können beispielsweise nur zwei Photonen mit einer Wellenlänge von 1400 nm oder mehr oder drei Photonen mit einer Wellenlänge von 2100 nm oder mehr usw. emittiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, um hocheffiziente rote oder blaue Leuchtdioden zu verwenden und deren Wellenlänge abwärts zu längeren Wellenlängen mit geringen Gesamtenergieverlusten zu konvertieren.
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Die Festkörperlichtquellen 108 können eingerichtet sein, fokussiertes Licht zu emittieren, beispielsweise durch Verwendung von IR-Leuchtdioden oder IR-Laserdioden mit speziellen Optiken oder Reflektoren. Dies könnte mit einer Sensor- und Abtastvorrichtung kombiniert werden, um Strahlung (und damit Wärme) dort einzubringen, wo sie benötigt wird.
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Zusätzlich zu IR-Leuchtdioden, die zum Heizen verwendet werden, können zusätzliche Leuchtdioden vorgesehen sein, die beispielsweise weißes Licht emittieren, beispielsweise zur Ernte in der Nacht, oder ultraviolettes (UV)-Licht emittieren, beispielsweise zur Anlockung von Bienen zur Bestäubung.
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Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Beispiel 1 ist ein Verfahren zum Schützen von Pflanzen 104, 106 gegen Frost. Das Verfahren weist ein Anordnen einer Vielzahl von Festkörperlichtquellen 108 auf einer mit Pflanzen 104, 106 bepflanzten Fläche auf. Die Festkörperlichtquellen 108 sind eingerichtet, elektromagnetische Strahlung hauptsächlich im infraroten (IR) Spektralbereich zu emittieren. Die Festkörperlichtquellen 108 sind derart auf der bepflanzten Fläche angeordnet, dass die emittierte IR-Strahlung auf die oberen Teile der Pflanzen 104, 106 gerichtet ist. Das Verfahren weist zudem ein Ermitteln einer Frostbedingung und ein Steuern der Festkörperlichtquellen 108 abhängig von der Frostbedingung auf.
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In Beispiel 2 weist das Verfahren nach Beispiel 1 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 Bauelemente sind, ausgewählt aus der Gruppe: IR-Leuchtdioden, IR-Laser-Dioden oder IR-emittierende organische Leuchtdioden.
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In Beispiel 3 weist das Verfahren nach Beispiel 1 oder 2 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 eingerichtet sind, eine elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge ausgewählt aus der Gruppe der Wellenlängen 980 nm, 1450 nm, 1240 nm, 1940 nm und/oder 2500 nm.
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In Beispiel 4 weist das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 3 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 jeweils eingerichtet sind, sichtbares Licht zu emittieren, wobei der Energieanteil des sichtbaren Lichts am Gesamt-Spektrum kleiner ist als 20 %.
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In Beispiel 5 weist das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 4 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 jeweils eingerichtet sind, im Wesentlichen in einem diskreten Emissionsband oder mehreren diskreten Emissionsbändern Strahlung zu emittieren.
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Beispiel 6 ist eine Frostschutzanordnung 100 zum Schützen von Pflanzen 104, 106 gegen Frost. Die Frostschutzanordnung 100 weist auf: eine Vielzahl von Festkörperlichtquellen 108 auf einer mit Pflanzen 104, 106 bepflanzten Fläche. Die Festkörperlichtquellen 108 sind eingerichtet, elektromagnetische Strahlung hauptsächlich im infraroten (IR) Spektralbereich zu emittieren. Die Festkörperlichtquellen 108 sind derart auf der bepflanzten Fläche angeordnet, dass die emittierte IR-Strahlung auf die oberen Teile der Pflanzen 104, 106 gerichtet ist. Die Frostschutzanordnung 100 weist ferner eine Erfassungsvorrichtung zum Ermitteln einer Frostbedingung und eine Steuervorrichtung, die zum Steuern der Festkörperlichtquellen 108 abhängig von der Frostbedingung eingerichtet ist, auf.
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In Beispiel 7 weist die Frostschutzanordnung 100 nach Beispiel 6 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 Bauelemente sind, ausgewählt aus der Gruppe: IR-Leuchtdioden, IR-Laser-Dioden oder IR-emittierende organische Leuchtdioden.
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In Beispiel 8 weist die Frostschutzanordnung 100 nach Beispiel 6 oder 7 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 eingerichtet sind, eine elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge ausgewählt aus der Gruppe der Wellenlängen 980 nm, 1450 nm, 1240 nm, 1940 nm und/oder 2500 nm.
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In Beispiel 9 weist die Frostschutzanordnung 100 nach einem der Beispiele 6 bis 8 ferner auf, dass die IR-emittierende Festkörperlichtquellen 108 jeweils eingerichtet sind, sichtbares Licht zu emittieren, wobei der Energieanteil des sichtbaren Lichts am Gesamt-Spektrum kleiner ist als 20 %.
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In Beispiel 10 weist die Frostschutzanordnung 100 nach einem der Beispiele 6 bis 9 ferner auf, dass die IR-emittierenden Festkörperlichtquellen 108 jeweils eingerichtet sind, im Wesentlichen in einem diskreten Emissionsband oder mehreren diskreten Emissionsbändern Strahlung zu emittieren.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Frostschutzanordnung
- 102
- Boden
- 104, 106
- Pflanze
- 108
- Festkörperlichtquelle
- 110
- Infrarot-Strahlung
- 112
- Steuervorrichtung
- 114, 118
- Signal
- 116
- Erfassungsvorrichtung
