Design optimisation of LED luminaires for horticultural lighting

Abstract

This thesis studies the design aspects of LED luminaires for horticultural lighting. Key aspects in LED luminaire design for horticulture were found to be light output, energy efficiency, spectrum and thermal management. Those were discussed. A survey for Finnish greenhouse growers on their currently used luminaires and expectations for future LEDs was performed. The survey also inquired the main obstacle the growers see in replacing their conventional luminaires with LEDs. The survey revealed that the growers expect longer lifetimes, better reliability, lower prices and increased yields in addition to increased energy efficiency. Biggest challenge of LEDs was found to be the initial costs. Conventional light sources and currently available LED luminaires are also presented and compared. Life cycle costs calculations between HPS and LED luminaires are performed. Usage of connected lighting in horticulture is discussed. LEDs have the potential to replace the conventional light sources, such as HPS in plant growth. However, certain key aspects, such as energy efficiency must be developed. Currently the life cycle costs of LED luminaires and HPS lamps are approximately equal. The optimal lighting strategies for different crops must be researched to further enhance the potential of LED luminaires.

Työssä tutkittiin LED-valaisimien suunnittelua puutarhaviljelyyn. LED-valaisimien suunnittelussa avainasemassa havaittiin olevan valontuotto, energiatehokkuus, spektri ja lämmönhallinta. Edellä mainittuja suunnittelunäkökulmia tarkasteltiin työssä. Työtä varten tehtiin kysely suomalaisille viherkasvattajille heidän käyttämistään valaisinratkaisuista, heidän odotuksistaan tulevaisuuden LED-valaisimilta, sekä haasteista LED-valaisimiin siirtymisessä. Kyselystä kävi ilmi, että kasvattajat odottavat LED-valaisimilta pidempiä käyttöikiä, parempaa luotettavuutta, matalampia hintoja, sekä parempaa sadontuottoa että energiatehokkuutta. Suurin haaste valaisinvaihdoksessa nykyisistä valaisimista LED-valaisimiiin on kasvattajien mukaan korkeat hankintakustannukset. Lisäksi työssä esiteltiin ja vertaillaan nykyisin käytössä olevia kasvatuslamppuja, sekä LED-valaisimia. Elinkaarikustannuslaskelmat tehtiin suurpainenatrium- ja LED-valaisimille. Työssä esitellään myös valaistusautomaation käyttöä puutarhaviljelyvalaisussa. LED-valaisimilla on potentiaalia korvata tavanomaiset valaimiset puutarhaviljelyssä, mutta muutamia keskeisiä ominaisuuksia, kuten energiatehokuutta, tulee parantaa. Tällä hetkellä LED- ja suurpainenatriumvalaisimien elinkaarikustannukset ovat likimain yhtä suuret. LED-kasvatusvalaisimia voidaan parantaa kehittämällä ja optimoimalla valaistusstrategioita eri kasveille.