KARI KALLIOHARJU LED-VALOVERHOJÄRJESTELMÄ KASVIHUONEESSA, NYT VAI TULEVAISUUDESSA? Diplomityö

Transkriptio

1 KARI KALLIOHARJU LED-VALOVERHOJÄRJESTELMÄ KASVIHUONEESSA, NYT VAI TULEVAISUUDESSA? Diplomityö Tarkastajat: professori Teuvo Suntio ja laboratorioinsinööri Tapani Nurmi Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 2. kesäkuuta 2010

2 I TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma KALLIOHARJU, KARI: LED-valoverhojärjestelmä kasvihuoneessa, nyt vai tulevaisuudessa? Diplomityö, 79 sivua Kesäkuu 2010 Pääaine: teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastajat: professori Teuvo Suntio ja laboratorioinsinööri Tapani Nurmi Avainsanat: LED, kasvihuone, välivalotus, suurpainenatriumlamppu Energiatehokkuusvaatimusten ja kiristyvien ympäristösäädösten puristuksessa joudutaan monilla aloilla pohtimaan käytössä olevien tekniikoiden tulevaisuudennäkymiä. Eräs ala, johon energiatehokkuusvaatimukset ja energian hinnan nousu tulevat suuresti vaikuttamaan, on kasvihuoneviljely. Pohjoisella pallonpuoliskolla sijaitsevat kasvihuoneet ovat suuria energiankuluttajia ja suurin osa energiasta kuluu valaistukseen. Siksi yhtenä ratkaisuna kasvihuoneiden energiansäästöön tarjotaan LED-valaistusta. Perinteisesti kasvihuoneiden keinovalotus on toteutettu kasvustojen yläpuolelle asennetuilla suurpainenatriumvalaisimilla, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana valaisimia on alettu asentaa enenevissä määrin kasvuston sekaan. Tätä uutta valotustapaa kutsutaan välivalotukseksi ja valaisimia välivaloiksi. Vuonna 2006 käynnistyneen LED-valoverhoprojektin tarkoituksena on ollut kehittää uusinta tekniikkaa hyödyntävä välivalotusratkaisu korvaamaan perinteiset välivalaisimet. Projektin tuotoksena on syntynyt kasvirivien väliin asennettava LEDvaloverho, tekstiiliverkko, johon on koneellisesti neulottu kasveja valottavia LEDnauhoja. Tässä diplomityössä vertaillaan teoreettisesti ja laskennallisesti nykyisen suurpainenatriumvälivalaistuksen ja LED-valoverhon ominaisuuksia ja elinkaarikustannuksia. Lisäksi LED-valoverhon vaikutuksia tutkitaan käytännön mittausten ja kasvatuskokeiden avulla. Tarkoituksena on selvittää seikkaperäisesti tuotteen hyödyt, haasteet ja kehitysmahdollisuudet tulevaisuudessa. Tutkimus osoittaa, että LEDit ovat tulossa vahvasti kasvihuoneisiin jo lähitulevaisuudessa. Vaikka LED-valoverho ei vielä välttämättä ole elinkaarikustannuksiltaan edullisin välivalotusratkaisu, on LEDien mahdollistaman muokattavan säteilyjakauman vaikutukset kasvuston ulkoiselle ja sisäiselle laadulle sekä kasvin terveydelle epäilemättä merkittäviä ja tuovat näin lisäarvoa LED-valaistusratkaisuille. Myös energiansäästö LED-valoverholla on mahdollista, kunhan säteilyjakauma ja ympäristön olosuhteet saadaan muokattua kasvatettaville kasvustoille oikeanlaisiksi. Tulevaisuudessa LEDvaloverholla tultaneen myös ohjaamaan kasvien kasvua, kukintaa ja lepoa, mikä edelleen osaltaan parantaa kasvihuonetuotannon kokonaishallintaa.

3 II ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering KALLIOHARJU, KARI: LED Light Curtain System in the Greenhouse Environment, Today or in the Future? Master of Science Thesis, 79 pages June 2010 Major: Utilization of Electrical Energy Examiners: Professor Teuvo Suntio and Laboratory Engineer Tapani Nurmi Keywords: LED, greenhouse, inter-lighting, high-pressure sodium lamp Between tightening energy efficiency and environmental requirements, many industries have to consider the future of the existing technologies. One of the industries, on which the energy efficiency and increasing energy prices are going to have a major effect, is the greenhouse industry. Greenhouses located in the northern hemisphere are consuming great amounts of energy and most of it is consumed by artificial lighting. That is why one solution considered to save energy in the greenhouses is the LED lighting. Traditionally the artificial lighting in the greenhouses is carried out by the highpressure sodium lamps installed above the canopy. However, during the last ten years more lighting has been installed increasingly within the canopy. The new lighting method is called inner lighting and the luminaires are called interlights. In 2006, the LED Light Curtain project was launched to develop a new kind of high tech product to replace the old technology interlights. As a result of the project, a new kind of luminaire - LED light curtain - was developed. It is a luminaire consisting of special kind of electrical LED-strips fitted to a textile net. In this thesis, the properties and the life cycle costs of the traditional innerlighting system and the LED light curtain system are compared by both theoretically and practically. In addition, the effects of the LED light curtain on the electrical network and on the canopy are also investigated in practice. The final goal of this thesis is to solve in detail the strengths, weaknesses and opportunities of the product in the future. The study indicates that LEDs are coming to greenhouses already in the near future. The LED light curtain does not necessarily have the lowest life cycle costs compared to other traditional innerlighting solutions, but the positive effects of the controlled LED light on the crop quality and plant health are undeniable and will bring more value for the LED lighting solutions. It is also possible to save energy by using the LED light curtain after the LED light curtain properties and surrounding environmental conditions have been optimized for the cultivated plants. In the future also the growth, flowering and rest periods of the plants will probably be controlled by LED light curtain, which will also improve the overall management of the greenhouse production.

4 III ALKUSANAT Neljä viime vuotta olen saanut olla mukana kehitysprojektissa, jossa viimeisin teknologia ja uudet innovaatiot ovat lyöneet kättä. Näistä menneistä vuosista haluan kiittää erityisesti NetLED Oy:n Matti Horppua ja Esa Kiviojaa, kollegaani Veijo Piikkilää sekä Tampereen ammattikorkeakoulua. LED-valoverhoprojekti on antanut minulle valtavan paljon ja olen onnellinen, että olen saanut olla mukana tekemässä kanssanne tätä uraauurtavaa tutkimusta. Projektin yhtenä osana tehdyn diplomityön tarkastajina ovat Tampereen teknillisen yliopiston puolesta toimineet Tapani Nurmi ja Teuvo Suntio, teille kiitokset rakentavista kommenteista ja neuvoista työn varrella. Kiitokset myös koko Sähköenergiatekniikan laitoksen henkilökunnalle, suurinta osaa olen varmastikin käynyt projektin aikana jututtamassa. Projektin varrella mukana on ollut paljon eri ihmisiä, joille suurelle osalle olen kiitollisuudenvelassa. Erityiskiitokset kuitenkin Heikki Tarkiaiselle, Lauri Hietalahdelle, Pirkko Harsialle ja Niko Kiviojalle sekä kaikille työtovereilleni Tampereen ammattikorkeakoululla, ilman teitä työstäni ei olisi tullut sellainen kuin se nyt on. Lopuksi haluan osoittaa rakkaat kiitokset avovaimolleni Sädelle, joka on jaksanut kanssani läpi pitkien iltojen, joita olen viettänyt LEDien ja kurkkujen parissa. Kiitos. Tampereella 22. kesäkuuta 2010 Kari Kallioharju

5 IV SISÄLLYS 1. JOHDANTO Kasvihuoneviljely LED-valoverhoprojektin ja diplomityön taustat ja tavoitteet Kasvihuonetuotanto ja keinovalotus Suomessa Lämmitettävät keinovalotetut kasvihuoneet Suomessa Suomessa käytettävät valotusratkaisut ja -tekniikat Kasvihuonetuotanto maailmalla LED-kasvuvalotuksen ja välivalotuksen tutkimustilanne LED-VALOVERHOLLE ASETETUT VAATIMUKSET Valoverhon valoteknisille ominaisuuksille asetetut vaatimukset Valaistusvoimakkuus ja häikäisy Häiriövalo Kasvit ja valo Kasvien hyödyntämän valon aallonpituusalue Yhteyttäminen ja valon merkitys kasvin energiantuotantoon Kasvien tarvitseman valon määrä Valon periodisuuden merkitys kasveille Valon suuntauksen merkitys kasveille LED-valoverholle asetetut muut rakenteelliset ja sähköiset vaatimukset LED-VALOVERHON TEKNIIKKA, RAKENNE JA OMINAISUUDET LED-valonlähteet ja LED-valaistus LEDin historia LEDin rakenne, toiminta ja optiset ominaisuudet LEDin hyödyt ja heikkoudet LEDin säätö- ja ohjausmahdollisuudet LEDin valovoimakkuuden säätö RGB-LED ja RGB-LEDin spektrin ohjaus LED-valoverhon rakenne LED-nauhan rakenne ja LEDit Liitäntälaitteet, valoverhojärjestelmän sähköverkon rakenne ja ohjausjärjestelmä LED-VALOVERHO JA SUURPAINENATRIUMVÄLIVALAISIMET KASVIVALOTUKSESSA Välivalotus ja välivalotuksen hyödyt... 33

6 4.2. LEDien ja suurpainenatriumvalaisimien PAR-säteilyn määrä ja valon suuntaus välivalotuksessa LEDien ja suurpainenatriumvalaisimien säteilyn aallonpituusalue ja vaikutukset kasvien välivalotuksessa LEDien ja suurpainenatriumlamppujen käyttöikä ja valovirran alenema ajan kuluessa Valaistuksen ohjaus valotustarpeen mukaan Valaistuksen sijoitus, huolto ja käytönaikainen ylläpito Kasvihuoneen valaistuksen energiankulutus, lämmöntuotto ja sähkön hintakehitys Muut ympäristövaikutukset LEDien ja suurpainenatriumvalaistuksen aiheuttama häiriövalo ja häikäisy Materiaalien kierrätettävyys Yhteenveto teoreettisesta vertailusta LED valoverhon ja suurpainenatriumvälivalaistuksen välillä LED-VALOVERHON KENTTÄTUTKIMUKSET Tutkimuksissa käytetty LED-valoverhojärjestelmä Tutkimuksien suoritustavat ja menetelmät Tulokset Valaisimien sähkötekniset mittaukset Valotustilanteiden valotekniset mittaukset ja vertailu Säätötavan vaikutus LED-valoverhon ominaisuuksiin Kasvien kasvu, biomassa ja hedelmien tuotto eri valotustilanteissa Kenttätutkimusten yhteenveto ja johtopäätökset KUSTANNUS- JA ENERGIATEHOKKUUSLASKELMAT Kustannuslaskelmien lähtötiedot Tekniset lähtötiedot Muut lähtötiedot Suurpainenatriumvälivalaistuksen hankintakulut LED-valoverhojärjestelmän hankintakulut Suurpainenatriumvalaisimilla välivalotetun kasvihuoneen energia- ja ylläpitokustannukset kymmenen vuoden käyttöperiodilla LED-valoverhojärjestelmällä välivalotetun kasvihuoneen energia- ja ylläpitokustannukset kymmenen vuoden käyttöperiodilla Yhteenveto järjestelmien kustannuksista ja kustannusvertailu YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET Yhteenveto teoreettisesta vertailusta Yhteenveto kenttätutkimuksista Yhteenveto elinkaarikustannuslaskelmista Johtopäätökset ja jatkotoimenpiteet LÄHDELUETTELO V

7 VI LYHENTEET, TERMIT JA MERKINNÄT Lyhenteet ja termit alv Arvonlisävero C 6 H 12 O 6 Rypälesokeri eli glukoosi CCR Jatkuvan virran säätö (engl. Constant Current Regulation) CO 2 Hiilidioksidi (engl. Carbon dioxide) CRI Värintoistoindeksi. Suure, jolla esitetään valonlähteen värintoistokykyä (engl. Color Rendering Index). Ftalaatti Ftaalihapon esteri. Käytetään muovien, kuten polyvinyylikloridin (PVC) pehmentämiseen. GaAs Galliumarsenidi (engl. Gallium arsenide) GaAsP Galliumarsenidifosfidi (engl. Gallium arsenide phosphide) H 2 O Vesi InGaN Indiumgalliumnitridi (engl. Indium gallium nitride) KTMp Kauppa- ja teollisuusministeriön päätös LED Hohtodiodi. Valoa lähettävä elektroniikan puolijohde, jonka toiminta perustuu elektroluminesenssiin (engl. Light Emitting Diode). O 2 Happimolekyyli PAR Kasvin hyödyntämän säteilyn aallonpituusalue välillä nanometriä (engl. Photosynthetically Active Radiation). PLC Ohjaustapa, jossa tiedonsiirtoon käytetään samoja kaapelointeja joissa tehokin siirretään (engl. Power Line Communication). P-N-tyypin Kahdesta materiaalista muodostuva puolijohde, jonka toisella puolijohde pinnalla on ylimääräisiä elektroneja ja toisella elektronivajausta. PPF Suure, joka esittää alueen pinnalle aikayksikössä lankeavan PARsäteilyn fotonivuon tiheyden. PPF:n yksikkönä käytetään yleensä mikromoolia neliömetrille sekunnissa (engl. Photosynthetic Photon Flux). PPFD Kirjallisuudessa saatetaan termin PPF sijaan käyttää myös termiä PPFD, jolla viitataan samaan fotonisummaan (engl. Photosynthetic Photon Flux Density). PVC Polyvinyylikloridi. Muovimateriaali (engl. Polyvinyl chloride). PWM Pulssinleveysmodulointi (engl. Pulse Width Modulation) R a Kirjallisuudessa saatetaan termin CRI sijaan käyttää myös termiä R a, jolla viitataan samaan värintoistokykyyn.

8 VII RGB-LED RQE SFS SiC SPN THDr VAC VDC Kolmesta päävärin (punainen, vihreä ja sininen) LED-sirusta muodostettu LED-valonlähde. Kasvin spektriherkkyyskäyrä, joka esittää kasvien tunnetun säteilyn herkkyysvasteen välillä nanometriä (engl Relative Quantun Efficiency). Suomen standardoimisliitto Piikarbidi (engl. Silicon carbide) Suurpainenatriumlamppu, suurpainenatriumvalaistus Särökerroin, joka esittää yliaaltojen määrän suhteessa koko signaalin tehollisarvoon (engl. Total Harmonic Distortion). Vaihtojännite (engl. Volts of Alternating Current) Tasajännite (engl. Volts of Direct Current) Merkinnät c Valon nopeus (3,00 x 10 8 m / s) cos φ Perusaallon tehokerroin Ee Irradianssi Ep Fotosynteettinen fotonivuo (PPFD) h Planckin vakio (6,63 x Js) I avg Sähkövirran keskiarvo IP66 IEC standardin mukainen sähkölaitteen kotelointiluokka. Suojaus pölytiiviisti ja painevedeltä (engl. International Protection). IP44 IEC standardin mukainen sähkölaitteen kotelointiluokka. Suojaus halkaisijaltaan yli yhden millimetrin esineiltä ja roiskuvalta vedeltä (engl. International Protection). I peak Sähkövirran huippuarvo I rms Sähkövirran tehollisarvo, joka on määritetty neliöllisesti keskiarvostamalla (engl. Root Mean Square). N Avogadron vakio (6,02 x ) P 660 Fytokromi (virittymätön). Proteiini, joka vaikuttaa kasvin valorytmiin. P 730 Fytokromi (virittynyt). Proteiini, joka vaikuttaa kasvin valorytmiin. T1 Valotustilanne, katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia (141 W / m 2 ). T2 Valotustilanne, katossa 6 kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia ja molempia kasvirivejä valottamassa yksipuoleinen 300 watin LED-valoverho (88 W / m 2 ). T3 Valotustilanne, katossa 12 kappaletta 400 suurpainenatriumvalaisimia ja molempia kasvirivejä valottamassa yksipuoleinen 300 watin LEDvaloverho (158 W / m 2 ).

9 VIII T4 T5 λ Katossa kuusi kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia ja kumpaakin riviä valottamassa molemmilta puolilta 300 watin LEDvaloverhot (106 W / m 2 ). Valaistustilanne, katossa 12 kappaletta 400 watin suurpainenatriumvalaisimia (LED-valoverho poistettu) (141 W / m 2 ). Säteilyn aallonpituus metreissä

10 1 1. JOHDANTO Ympäristön kustannuksella ja energiaa liiemmin säästelemättä rakennettu kulutusyhteiskunta elää muutoksen hetkiä - tuhlailun aika on ohi. Energiatehokkuusvaatimusten ja kiristyvien ympäristösäädösten puristuksessa joudutaan monilla aloilla pohtimaan käytössä olevien tekniikoiden ja sovellusten tulevaisuudennäkymiä. Eräs ala johon energiatehokkuusvaatimukset ja energian hinnan nousu tulevat suuresti vaikuttamaan on kasvihuoneviljely. Erityisesti pohjoisella pallonpuoliskolla kasvihuoneet ovat suuria energiankuluttajia ja paineet energiatehokkuuden parantamiseksi ovat viime vuosina kasvaneet. Energiansäästö tulisi kuitenkin saavuttaa tuotantotehokkuudesta tinkimättä, jolloin perinteisten tekniikoiden kehittämisen lisäksi joudutaan pohtimaan myös täysin uudenlaisten ratkaisujen käyttöönottoa. Yhtenä ratkaisuna kasvihuoneiden sähköenergian säästöön tarjotaan LED-valaistusta. Tässä diplomityössä selvitetään erään LED-valotusratkaisun mahdollisuuksia ja haasteita kasvihuoneympäristössä Kasvihuoneviljely Ihminen on viljellyt maata jo kymmenentuhannen vuoden ajan. Aikakausien saatossa maanviljely on helpottanut ihmisen ravinnonhankintaa ja muodostunut vähitellen yhdeksi merkittäväksi elinkeinoksi. Perinteisesti maanviljelyä on harjoitettu avomailla, mutta koska viljely nyky-yhteiskunnassa on jo lähes poikkeuksetta ympärivuotista, on lämmitettyjen kasvihuoneiden merkitys korostunut erityisesti pohjoisella pallonpuoliskolla. Tuotannon tehostamiseksi kasvihuoneissa pidetään läpi vuoden yllä kasvien kasvulle optimaalisia olosuhteita säätämällä valon, hiilidioksidin ja lämmön määrää. (Pankakoski 2003). Suomessa ympärivuotinen tuotanto on nostanut pääviljelykasvien - kurkun ja tomaatin - satotasot perinteisiin menetelmiin verrattuna 2-3 kertaisiksi (Särkkä et al. 2006). Riittävä yhteyttämisvalo, hiilidioksidi ja vesi ovat kasvihuonetuotannon perusedellytyksiä. Pohjoisen pallonpuoliskon maissa kasvihuoneiden ympärivuotinen tuotanto perustuukin pitkälti keinovalon käyttöön - auringon vuorokautinen säteilymäärä ei yksin riitä luomaan kasveille optimaalisia kasvuolosuhteita. (Näkkilä et al. 2006; Murmann 2005a.) Kaupallisessa kasvihuoneviljelyssä valotukseen käytetään lähes poikkeuksetta suurpainenatriumvalaisimia. (Näkkilä et al. 2006). Korkeita kasvustoja, kuten kurkkua ja tomaattia valotettaessa on kasvihuoneiden keinovalotus toteutettu perinteisesti kasvustojen yläpuolelle asennetuilla suurpainenatriumvalaisimilla. Tämä valotusratkaisu on yleisesti käytössä esimerkiksi kasvihuoneistaan tunnetussa Hollannissa. Ylävaloratkai-

11 2 sulla saadaan kasvihuoneeseen syntymään luonnonvalon kaltainen, kasvuston latvoissa tasainen valo. (Murmann 2009a.) Suomessa ja Norjassa on tutkimusten nojalla lähdetty keinovalotuksen kehittämisessä hieman eri linjoille - latvuston valotuksen sijaan tavoitteena onkin useimmiten saada luotua mahdollisimman valoisat olot myös alemmas kasvustoon. Erityisesti kurkun (Cucumis Sativus) kohdalla tällaiseen ratkaisuun pyritään pääsemään välivalotuksella (kuva 1.1). Kuva 1.1. Suurpainenatriumvälivalaisimia kurkkukasvustojen välissä (Soini 2006). Välivalotuksessa kasvirivien taajuutta hieman harvennetaan ja kasvihuoneeseen asennetaan ylävalojen lisäksi niin sanottuja välivaloja, jotka ripustetaan kasvirivien väliin valottamaan kasveja sivulta päin. (Murmann 2005a.) 1.2. LED-valoverhoprojektin ja diplomityön taustat ja tavoitteet Kasvien ympärivuotinen viljely pohjoisella pallonpuoliskolla on runsaasti energiaa kuluttavaa ja hyötysuhteeltaan heikompaa kuin etelän maissa (Murmann 2006). Pohjoisella pallonpuoliskolla kasvihuoneiden suurempi energiantarve muodostuu kasvihuoneiden talvisesta lämmityksestä ja kasvuston ympärivuotisesta keinovalotuksesta. Tulevaisuudessa myös kasvihuoneisiin asennettavat, tuotantoa tehostavat jäähdytyslaitteistot lisäävät kasvihuoneiden vuotuista sähköenergiankulutusta (Särkkä et al. 2008). Edellä mainittujen syiden vuoksi kasvihuoneisiin kehitetäänkin muun tekniikan ohessa uusia, parempia valotusratkaisuja. Yhtenä valoviljelyn tulevaisuuden mahdollisuutena pidetään LED-valaistusta. LEDsovellutuksien uskotaan tarjoavan jo seuraavan 5-10 vuoden kuluessa ratkaisun kasvi-

12 huoneiden keinovalotuksen ympäristö- ja energiakysymyksiin. LED-valotetuissa kasvihuoneissa on päästy nykyisillä ratkaisuilla jo 60 prosentin energiansäästöihin verrattuna perinteisiin valotusratkaisuihin. (Leino 2005.) Nykyisellä suurpainenatriumvalaistuksella toteutetussa kasvustojen valotuksessa - ja erityisesti välivalotuksessa - on vielä kehitettävää ja se vaatii lisätutkimuksia, valotusta ei tehdä vielä parhaalla mahdollisella tavalla (Murmann 2006; Murmann 2009a). Tämän vuoksi honkajokelainen KKK-Vihannes Oy ja Tampereen ammattikorkeakoulu käynnistivät syksyllä 2006 yhteistyössä LED-valoverhoprojektin, jossa lähdettiin miettimään koko välivalotuskonseptia aivan uudesta näkökulmasta. Nykyisten valaisinrakenteiden kehittämisen sijaan projektin tavoitteena on kehittää kasvustojen välivalotukseen täysin uudenlainen verhomainen valaisinratkaisu, tekstiiliverkko, johon on integroitu molemmin puolin kasveille sopivaa valoa tuottavia LED-nauhoja. Välivalona käytettäessä tämä noin metrin korkuinen verho tulee roikkumaan kasvirivien välissä valottaen kasveja sivulta päin. Tuotteesta käytetään tässä työssä nimitystä LED-valoverho, vaikka tuotteen tämän hetkinen kaupallinen nimi on NetLED-valoverho. LED-valoverhosta on tarkoitus kehittää ympäristöystävällinen ja energia- sekä tuotantotehokas tuote kasvihuoneiden välivalotustarpeisiin kasvilajista riippumatta. Alkuvaiheessa LED-valoverho suunnitellaan kuitenkin erityisesti kurkun ja tomaatin välivalotukseen. Projektin kehitystyössä ovat mukana Tampereen teknillinen yliopisto, Tampereen ammattikorkeakoulu, NetLED Oy ja KKK-Vihannes Oy sekä useita eri alojen yrityksiä. LEDvaloverhoprojektissa on alusta asti ollut suurimpana rahoittajana TEKES. Tällä hetkellä, talvella , projekti on edennyt tuotteen suunnittelu- ja testausvaiheeseen. LED-valoverhon ensimmäisen sukupolven teknisiä mittauksia ja testauksia sekä koekasvatustutkimuksia on suoritettu kevään ja kesän 2009 aikana ja talven aikana jatketaan kenttäkokeita toisen sukupolven prototyyppien valmistuessa. Projektin tutkimuksia on suoritettu Tampereen ammattikorkeakoululla ja Helsingin yliopiston soveltavan biologian laitoksella. Tuote on suojattu patentilla Euroopassa, Kanadassa, Venäjällä ja Kiinassa. Tässä diplomityössä selvitetään LED-valoverhon ja sen laitteiston rakennetta ja kirjataan LED-valoverholle asetetut vaatimukset. Lisäksi työssä vertaillaan olemassa olevan tutkimustiedon ja aineiston perusteella suurpainenatriumvälivalaistusta ja LEDvaloverhoa. Vertailtavina asioina ovat esimerkiksi valonlähteiden yleiset sähkö- ja valotekniset ominaisuudet, oleellisimmat ympäristö- ja energiaseikat sekä kasvukokeista saatu aineisto, jossa käsitellään erityisesti kasvien kasvuun, biomassaan ja hedelmien tuottoon liittyviä asioita (Chen 2009). Valoverhon rakenteen ja toteutuksen kuvauksessa käytetään tässä diplomityössä toisen sukupolven LED-valoverhoa. Lisäksi kustannus- ja energiavertailut tehdään toisen sukupolven LED-valoverhon ja suurpainenatriumvalaistuksen välillä. Ensimmäisen sukupolven LED-valoverhoa on tässä diplomityössä käytetty aikataulullisista syistä johtuen käytännön kasvu- ja tekniikkavertailujen tekemisessä. Työn tavoitteena on luoda selkeä kuva siitä, onko LED-valoverhon jatkokehitystyö järkevää ja onko LED-välivalotuksella potentiaalia haastaa nykyiset kasvihuoneiden välivalotusratkaisut kustannus- ja energiatehokkuudessa sekä ympäristöystävällisyydessä. 3

13 Kasvihuonetuotanto ja keinovalotus Suomessa Lämmitettävät keinovalotetut kasvihuoneet Suomessa Ammattimaiseen viljelyyn käytettäviä lämmitettäviä kasvihuoneita on Suomessa noin 430 hehtaaria. Kasvihuoneviljely on päätuotantosuunta noin 1400 yrityksessä. Lämmitetyissä kasvihuoneissa käytetään lähes poikkeuksetta lisävalotusta ja lisävalotuksen käyttö on myös kasvanut merkittävästi viime vuosina. Lisävalolla kyetään Suomessa jatkamaan merkittävästi satokautta ja parantamaan tuotteiden laatua. Usein valotuksen käyttö tehostaa tuotantoa siten, että tuoteyksikköä kohti syntyvät energiakulut eivät kasvukautta jatkettaessa kasva. Kasvihuonetuotannon osuus sähkön kulutuksesta oli vuonna ,45 prosenttia ja kokonaisenergiankulutuksesta 0,50 prosenttia. (Kauppapuutarhaliitto ry 2009.) Tyypilliset suomalaiset kasvihuoneet ovat 20 tai 21 metriä leveitä erillishuoneita. Kilpailijamaissa käytössä olevia suuria ryhmäkasvihuoneita Suomessa on käytössä melko vähän. Ruukkuvihannesten, kurkun, leikko- ja ruukkukukkien tuotanto on monissa yrityksissä täysin ympärivuotista. Myös tomaatin ympärivuotinen tuotanto on viime vuosina lisääntynyt. Jokaiseen suomalaiseen talouteen tuotetaan vuosittain 19 kiloa tomaatteja, 15 kiloa kurkkuja, 35 salaattia ja yrttiä, 60 leikkokukkaa, kuusi ruukkukasvia ja 23 ulos istutettavaa ryhmäkasvia. (Kauppapuutarhaliitto ry 2009.) Suomessa käytettävät valotusratkaisut ja -tekniikat Suomen korkeudella kasvihuoneiden ympärivuotinen tuotanto perustuu keinovalon käyttöön auringon valon lisänä - varsinkaan talvella auringon vuorokautinen säteily ei yksin riitä luomaan kasveille optimaalisia kasvuolosuhteita. Kasveja valotetaan niukan luonnon valon aikaan tuntia vuorokaudessa, myös kesäaikana. Esimerkiksi kurkunviljelyssä päivänpituus on 20 tuntia, jolloin aurinkoisenakin päivänä käytetään valoja aamulla ja illalla. Kurkulle vuosittainen valotusaika on noin 6000 tuntia ja tomaatille 3000 tuntia (Kivioja 2009c). Ilman keinovaloa kasvihuoneen vuosittaiseksi tuotantoajaksi jää noin kahdeksan kuukautta. (Hovi 2002; Murmann 2005a; Näkkilä et al. 2006; Tahvonen 2009). Kauppapuutarhaliiton asiantuntija Tom Murmannin sanoin: Näillä leveysasteilla on pidettävä mielessä, että millään muulla tekijällä ei saada aikaan vastaavaa tuotannon lisäystä kuin valotuksella. (Murmann 2006). Suomessa kasvustojen valotukseen käytetään lähes poikkeuksetta suurpainenatriumvalaisimia. Ympärivuotista valoviljelyä ajatellen sen hankinta- ja käyttökustannukset ovat suhteellisen edulliset, valontuottokyky hyvä ja valon laatu sopiva täydentämään auringon säteilyä (Näkkilä et al. 2001). Kasvihuoneissa tarvittavan keinovalon määrää kuvataan yleensä valaistuksen asennusteholla (W / m 2 ). Kun useimmiten käytössä ovat toisiaan vastaavat suurpainenatriumlamput, tämä antaakin varsin vertailukelpoisen kuvan asiasta (Murmann 2005a). Ympärivuotisessa viljelyssä tyypilliset valotustehot ovat

14 5 nykyään esimerkiksi kurkulle ja tomaatille noin 250 wattia neliömetrille (Murmann 2009a; Tahvonen 2009). Korkeita kasvustoja, kuten kurkkua ja tomaattia valotettaessa on kasvihuoneiden keinovalotus perinteisesti toteutettu kasvustojen yläpuolelle asennetuilla valaisimilla. Ylävaloratkaisulla on saatu kasvihuoneeseen syntymään luonnonvalon kaltainen, kasvuston latvoissa tasainen valo. Kasvihuoneiden keinovalotustutkimuksen edetessä on Suomessa kuitenkin lähdetty viimeisen kymmenen vuoden aikana kehittämään keinovalotusta aivan uudenlaiseen suuntaan - nykyään latvuston valotuksen sijaan tavoitteena on useimmiten saada luotua mahdollisimman valoisat olot myös alemmas kasvustoon. Erityisesti kurkun (Cucumus Sativus) kohdalla tällaiseen ratkaisuun pyritään pääsemään ensisijaisesti välivalotuksella. Välivalotuksessa kasvirivien taajuutta hieman harvennetaan ja ylävalojen lisäksi rivien väliin asennetaan roikkumaan niin sanottuja välivalaisimia, jotka valottavat kasveja sivultapäin. (Murmann 2009a.) Välivalaisimet ovat tyypillisesti hieman pienempitehoisia ja erilaisella heijastinratkaisulla toteutettuja suurpainenatriumvalaisimia kuin mitä katoissa käytetään. Välivalotuksen tyypillinen asennusteho on noin neljännes valaistuksen kokonaistehosta. Välivalotusta käytetään nykyään yleisesti kurkun kasvatuksessa, mutta myös tomaatin ja paprikan välivalotuksesta on saatu positiivisia tuloksia (kuva 1.2). Kuva 1.2. Suurpainenatriumvälivalaisimien käytöstä on saatu positiivisia tuloksia myös tomaatin kasvatuksessa (Aðalsteinsson 2004). Välivalotuksen avulla kasvuston alimmat osat yhteyttävät tehokkaasti ja lisäävät kokonaissadon määrää. Tutkimuksissa, joissa kurkkukasvuston kokonaisvalosta on pudotettu 25 prosenttia välivaloiksi, on sadon tuotto suhteutettuna kulutettuun sähköenergiaan ollut jopa 9 prosenttia parempi kuin pelkällä ylävalotuksella valotetun kasvuston. Välivalotus antaa hedelmille myös paremman värin, maun ja säilyvyyden ja lisää I-luokkaisten hedelmien määrää. (Näkkilä et al. 2006; Murmann 2009a; Tahvonen 2009).

15 Kasvihuonetuotanto maailmalla Kasvihuonevihannesten tuotanto globalisoituvassa maailmassa on varsin haasteellista, koska kilpailua käydään yhä enemmän tehokkaiden ja energiaa kuluttavien pohjoisten maiden ja halvan työvoiman etelän maiden välillä. Kilpailun kiristyessä valotusaikoja ja täten myös satoaikaa pidennetään, mutta samalla energiapoliittiset vastuukysymykset ovat yhä vankemmin esillä. Pohjois-Amerikassa USA:n suurista markkinoista kilpailevat lähinnä Meksiko ja Kanada, joista jälkimmäisessä kasveja tuotetaan erityisesti valoviljelyn avulla. Euroopassa pohjoisen suuria valoviljelymaita ovat Hollanti, Iso- Britannia, Saksa ja Pohjoismaat. Nämä kilpailevat markkinoista lähinnä etelän Espanjan, mutta tulevaisuudessa myös Marokon ja Turkin kanssa. Valoviljelyä harjoitetaan jonkin verran myös muualla maailmassa, mutta esimerkiksi Japanissa valotuksen käyttö on melko vähäistä johtuen muuten riittävästä luonnonvalosta. Tilanne saattaa kuitenkin tulevaisuudessa muuttua, jos tilanpuutteen vuoksi viljelyä joudutaan siirtämään esimerkiksi maanalaisiin kasvukammioihin. (Murmann 2006; Finpro 2006; Kallioharju 2007.) Suljettujen järjestelmien käyttöönotto lisäisi valoviljelyn määrää merkittävästi ympäri maailman ja nostaisi tuotantotehokkuuden aivan uudelle tasolle, jonka vuoksi suljettuja järjestelmiä on tutkittu ja kehitetty jo useiden vuosien ajan (Särkkä et al. 2008) LED-kasvuvalotuksen ja välivalotuksen tutkimustilanne LED-valoviljelyä tutkitaan useissa maissa ympäri maailman. Merkittävimpinä mainittakoon Kanada, Yhdysvallat, Japani, Liettua, Alankomaat, Norja ja Suomi. LEDeillä toteutettua kasvuvalotusta tutkitaan erityisesti yliopistoissa, mutta myös muissa tutkimuskeskuksissa ja alan suurissa yrityksissä. (Halonen 2006, Jenkins 2009.) Tutkimuksissa tapahtuu kehitystä koko ajan ja esimerkiksi Japanissa lehtisalaattia viljellään jo kaupallisesti punaisten LEDien loisteessa (Leino 2005). LED-valoviljelyn tutkimus Suomessa on aktiivista ja sitä tehdään yhteistyössä alan yrityksien ja toimijoiden kanssa (Halonen 2006). Tutkimuslaitoksista Maa- ja Elintarviketalouden tutkimuskeskus, Teknillinen Korkeakoulu ja Helsingin Yliopisto ovat yhdessä ja erikseen tutkineet LEDien käyttöä valoviljelyssä jo vuosien ajan. Aiheesta on tähän mennessä julkaistu useita tutkimuksia, diplomitöitä ja yksi väitöskirja. Suomessa LED-valoviljelytutkimukset ovat keskittyneet lähinnä lehtisalaattiin, mansikkaan ja LED-valoverhoprojektin yhteydessä myös kurkkuun (Lehtovaara 2009). Yhden suurimman tällä hetkellä käynnissä olevan tutkimuksen tarkoituksena on kehittää juuri Suomen kasvihuoneolosuhteisiin soveltuvia LEDvalotusratkaisuja, mukana tutkimuksessa ovat muun muassa Teknillinen korkeakoulu, Helsingin yliopisto, Kauppapuutarhaliitto ja useita eri alojen yrityksiä (Kauppapuutarhaliitto ry 2009). Kaikki Suomessa tehdyt viralliset LED-valoviljelytutkimukset ovat olleet jonkinlaisia ylävalotutkimuksia, joten LEDeillä toteutettua välivalotusta ei meillä ole yksittäisiä kokeiluja lukuun ottamatta tutkittu. Myös muualla maailmassa on LEDvälivalotustutkimusta alettu tehdä kunnolla vasta viimeisen vuoden aikana. Suur-

16 painenatriumvalaisimilla toteutettua välivalotusta on sitä vastoin tutkittu melko paljon. Tutkimusta on tehty erityisesti tomaatilla ja kurkulla, mutta myös muiden kasvien, kuten paprikan välivalotusta on tutkittu. Välivalotukseen liittyviä tutkimushankkeita on toteutettu 2000-luvulla useita. Tutkimusta ovat tehneet erityisesti Kauppapuutarhaliitto ja Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus yhteistyökumppaneineen. 7

17 8 2. LED-VALOVERHOLLE ASETETUT VAATIMUKSET LED-valoverhon rakennetta ja siihen liittyvien laitteistojen toimintaa säätelevät ja ohjaavat lukuisat sähkö- ja konetekniikan säädökset ja standardit. Lisäksi valotettavat kasvit, ympäristön olosuhteet, energiatehokkuusvaatimukset ja verhon taloudellisesti järkevä tuotanto asettavat omia vaatimuksiaan verhon rakenteelle ja siihen integroitavalle tekniikalle. Tässä luvussa käsitellään LED-valoverhoa ja sen syöttö- ja ohjausjärjestelmää velvoittavia säädöksiä, järjestelmää koskevia standardeja ja muita niille asetettuja vaatimuksia Valoverhon valoteknisille ominaisuuksille asetetut vaatimukset LED-valoverhon valotekniset ominaisuudet nousevat merkittävään osaan järjestelmää suunniteltaessa. Valoteknisesti verhon tulee olla käyttäjälleen miellyttävä ja turvallinen käyttää, mutta samalla sen on oltava myös kasvin kannalta riittävän tehokas ja säteilyjakaumaltaan oikeanlaista valoa tuottava. Koska ihminen ja kasvi aistivat valon hyvin eri tavalla, on LED-valoverhon valotekninen suunnittelu melko haasteellista. Seuraavissa alaluvuissa on käsitelty LED-valoverhon valoteknisten ominaisuuksien vaatimuksia ja suunnittelussa huomioitavia seikkoja Valaistusvoimakkuus ja häikäisy Valaistuksesta Suomen työturvallisuusmääräykset ja eurooppalainen sisävalaistusstandardi SFS-EN toteavat, että työpaikkojen valaistuksen tulee olla työn luonteeseen nähden riittävä. Standardin mukaan kasvihuonetiloissa työskentelyyn vaaditun valaistustason tulee olla vähintään 200 luksia (SFS-EN ). Koska LED-valoverho ei kuitenkaan ole varsinaista henkilövalaistusta, eivät nämä ohjeistukset sitä koske. Standardi SFS-EN antaa ohjeet myös häikäisyn rajoituksesta, joka saattaa tulla eteen LED-valoverhon kohdalla. LEDien luminanssi eli pintakirkkaus (cd / m²) on valonlähteen pienen koon vuoksi tyypillisesti huomattavasti suurpainenatriumlamppua korkeampi ja se saattaa tämän vuoksi häiritä työskentelyä. Koska valoverhoa ei tarvita luomaan työskentelyn kannalta riittäviä valaistusolosuhteita, voidaan häikäisyongelma kuitenkin välttää sammuttamalla valoverho sadonkorjuun ja muun työskentelyn ajaksi.

18 Häiriövalo Valon on todettu olevan hyvä parannuskeino esimerkiksi kaamosmasennukseen, mutta valo säätelee myös ihmisen biologista kelloa (Jokiniemi 2003, Äystö & Rahtola 2004 mukaan). Tutkimusten mukaan yöaikainen valo - häiriövalo - on peräti haitallista elimistölle. Yöaikaisella valolla saattaa esimerkiksi olla yhteyksiä naisten lisääntyneisiin rintasyöpädiagnooseihin. (Ruukki 2003). Kuva 2.1. Kasvihuoneet ovat merkittäviä häiriövalon lähteitä (Vildaphoto 2009). Häiriövalolla tarkoitetaan kasvihuoneympäristöissä sitä valoa, joka valotuksesta karkaa kasvihuoneen ulkopuolelle ja häiritsee näin muuta lähiseudun elämää ja asutusta (kuva 2.1). Valon haitallisuuteen vaikuttaa sen voimakkuus, väri ja heijastukset. Suomessa kasvihuoneyritykset ovat hajautuneet siten, että suuria kasvihuonekeskittymiä ei ole, jolloin valotuksesta ei ole aiheutunut merkittäviä haittoja. Sen vuoksi Suomessa ei vielä toistaiseksi ole annettu ohjearvoja tai määräyksiä kasvihuoneiden aiheuttaman häiriövalon määrälle. Viihtyvyyden aleneminen ja mahdolliset haittavaikutukset on kuitenkin mietittävä aina tapauskohtaisesti. Muualla maailmassa kasvihuoneiden aiheuttamaan häiriövaloon on jo puututtu. Esimerkiksi Hollannissa ja Kanadassa kasvihuoneiden aiheuttama häiriövalo on osoittautunut suureksi ongelmaksi. Kanadassa, British Columbian provinssissa, on häiriövalon vähentämiseksi annettu suosituksia jotka edellyttävät, että kasvuvalotus on rajattava alle 5000 luksiin tai vaihtoehtoisesti sammutettava kello jälkeen vähintään neljäksi tunniksi. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että ainakin kasvihuonevihannesten viljelijät joutuvat sammuttamaan valonsa, koska vihannekset vaativat normaalisti yli 5000 luksin valaistusvoimakkuutta kasvuvalotuksessa. (Leino

19 ; Finpro 2006; Akkerhuis 2003 & Ludvig Svensson 2003, Äystö & Rahtola 2004 mukaan). Vähimmäisvaatimuksena LED-valoverhon valonsuuntaus ja optiikka tulee suunnitella sellaiseksi, ettei LED-valoverhoilla toteutetun välivalotuksen kasvihuoneen ulkopuolelle säteilemän valon määrä ylitä suurpainenatriumvalaisimilla toteutetun välivalotuksen vastaavaa arvoa. Toivottu tilanne tulevaisuudessa on, että LED-valoverholla välivalotettu kasvihuone aiheuttaisi vähemmän häiriövaloa kuin perinteisin menetelmin valotettu kasvihuone Kasvit ja valo Valon ja kasvien suhde on moninainen. Valo toimii kasveille ensisijaisesti energianlähteenä, mutta samalla se myös antaa kasveille informaatiota kasvuympäristöstä ja ympäristön olosuhteista. Valon eri aallonpituuksien on osoitettu vaikuttavan myös kasvien taudinsietokykyyn. Valon vaikutusta kasvin taudinsietoon on tutkittu esimerkiksi tomaatilla ja kurkulla. (Hart 1988; Schuerger & Brown 1997.) Valon tunnettuja muuttujia ovat ainakin valon määrä, laatu, suunta ja periodisuus. Valon muutoksien perusteella kasvi muodostaa informaation, jonka perusteella se kasvaa, kukkii tai lepää. Valoenergian ja valosta saatavan informaation hyödyntämiseen kasveilla on kolme erilaista fotosysteemiä: fotosynteettinen järjestelmä, fytokromaattinen järjestelmä ja kryptokromaattinen järjestelmä. (Hart 1988.) Seuraavissa alaluvuissa käsitellään valon ja kasvien moninaista yhteisvaikutusta Kasvien hyödyntämän valon aallonpituusalue Ihmissilmälle näkyvän valon aallonpituusalue on välillä nanometriä. Kasvit käyttävät biologisiin toimintoihinsa näkyvää valoa, mutta myös aallonpituuksia näkyvän valon alueen molemmin puolin. Kasvien hyödyntämien aallonpituuksien aluetta kutsutaan biologiseksi ikkunaksi, joka kattaa sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalueen välillä nanometriä. Yli 1000 nanometrin säteily on liian pienienergistä aiheuttamaan kasveissa fotokemiallisia muutoksia ja alle 300 nanometrin säteily on liian suurienergistä, jonka vuoksi se tuhoaa biologiset fotoreseptorit. Kasvin kyky hyödyntää biologisen ikkunan alueelta eri valon aallonpituuksia on hyvin poikkeava verrattuna ihmissilmän spektriherkkyyskäyrään (kuva 2.2). Kasvien kohdalla spektriherkkyyskäyrää kutsutaan RQE-käyräksi (Relative Quantum Efficiency). RQE-käyrä esittää kasvien tunnetun spektriherkkyysvasteen aallonpituusalueella nanometriä. (Hart 1988; Pinho et al )

20 11 Kuva 2.2. Ihmissilmän ja kasvien (RQE) suhteelliset spektriherkkyyskäyrät (Pinho et al. 2005) Biologisen ikkunan alueella kasvissa valoa absorboivat useat eri fotoreseptorit, joilla jokaisella on oma herkkyysalueensa. Kasvien yleisimpien fotoreseptorien tyypilliset absorptiokäyrät on esitetty kuvassa 2.3. Kuva 2.3. Kasvin yleisimpien fotoreseptoreiden tyypilliset absorptiokäyrät (Du et al. 1998, Sager et al. 1988, Pinho 2008 mukaan).

21 12 Informaatio kasveille välittyy erityisesti sinisen, punaisen (alle 700 nanometriä) ja kaukopunaisen ( nanometriä) valon aallonpituuksilla, kun taas yhteyttämiseen kasvi käyttää koko biologista ikkunaa (Hart 1988) Yhteyttäminen ja valon merkitys kasvin energiantuotantoon Yhteyttämisellä eli assimilaatiolla tarkoitetaan epäorgaanisessa muodossa otettujen aineiden sitomista orgaanisiin yhdisteisiin. Kasvifysiologiassa yhteyttämisellä tarkoitetaan mekanismia, jossa kasvi sitouttaa ulkopuolista energiaa paremmin hyödynnettävään muotoon. Merkittävin yhteyttämisreaktio kasvifysiologiassa on hiilidioksidin yhteyttäminen, jossa kasvi muuntaa ulkopuolisen energian avulla hiilidioksidia ja vettä hiilihydraateiksi. Tyypillisin yhteyttämisestä saatava hiilihydraatti on rypälesokeri, jonka lisäksi yhteyttämisreaktiosta vapautuu jäteaineena happea. Jos yhteyttämiseen käytetään valoenergiaa, puhutaan fotosynteesistä. Fotosynteesin reaktioyhtälö alkutuotteista lopputuotteisiin on esitetty kaavassa (1). (Hart 1988; Pankakoski 2003.) 6 CO H 2 O + valoenergiaa C 6 H 12 O O 2 (1) missä CO 2 on hiilidioksidi H 2 O on vesi C 6 H 12 O 6 on rypälesokeri O 2 on happi. Yhteyttäminen tapahtuu kaikkine vaiheineen viherhiukkasissa, eli ensisijaisesti kasvin lehdissä. Viherhiukkasissa yhteyttämisen fotoreseptoreina toimivat lukuisat eri klorofyllit (lehtivihreät) ja karotenoidit. Tärkeimmät klorofyllit ovat klorofylli A ja B. Klorofylli B toimii yhteyttämisprosessissa valoenergian vastaanottajana ja klorofylli A:n välityksellä valoenergia sitoutuu kemialliseksi energiaksi. (Pankakoski 2003.) Yhteyttämiseen osallistuvilla erilaisilla reseptoreilla on kaikilla yksilölliset absorptioominaisuudet, jonka vuoksi kasvin fotosynteettinen järjestelmä pystyy vastaanottamaan valoenergiaa lähes koko biologisen ikkunan alueelta. Tehokkaimmin yhteyttämistä tapahtuu kuitenkin näkyvän valon aallonpituusalueella nanometriä. Klorofyllien herkimmät absorptiopisteet ovat tällä välillä kohdissa 430 nanometriä (sininen valo) ja 660 nanometriä (helakanpunainen valo). Tästä syystä tulisikin pimeänä vuodenaikana kasvien kasvatukseen käytettävän lisävalon sisältää mahdollisimman paljon punaista ja sinistä valoa, mahdollisimman vähän vihreätä eikä mielellään lainkaan fotosynteesille arvotonta infrapunaista säteilyä. Valon luonteesta johtuen punaista valoa saadaan tuotettua pienemmällä energialla kuin sinistä (luku ), joten energiankulutusta ajatellen punaisen valo käyttäminen yhteyttämisvalona olisi järkevintä. Sinistä valoa tarvitaan kuitenkin yhteyttämisessä klorofyllien synnyttämiseen ja pitkäaaltoisen säteilyn aiheut-

22 13 taman kasvin liikakasvun eli venymisen vastavaikuttajaksi. (Hart 1988; Pankakoski 2003.) Tutkimuksissa on havaittu, että jo yksi prosentti sinistä valoa riittää kumoamaan pitkäaaltoisen säteilyn haittavaikutukset, mutta kasvista riippuen prosenttia sinistä ja prosenttia pitkäaaltoista säteilyä on optimaalisin aallonpituuksien suhde kasvuvaloa ajatellen. (Schuerger et al. 1997, Pinho 2008 mukaan; Kopcewicz & Lewak 1998, Urbonavičiǖtė et al mukaan; Nhut et al & Nhut 2002, Duong & Ngyuen 2010 mukaan.) Fotosynteesi vaatii valon lisäksi toimiakseen hiilidioksidia, sopivan lämpötilan ja vettä. Lisävalotetuissa kasvihuoneissa on yleensä riittävästi valoa tehokkaaseen fotosynteesiin, mutta ongelmaksi muodostuu usein hiilidioksidin riittämättömyys. Sen vuoksi kasvihuoneiden ilmaan tuotetaan usein lisää hiilidioksidia esimerkiksi polttamalla propaania. Monilla kasveilla fotosynteesi on mahdollista jo - 5 celsiusasteen lämpötilassa, mutta useimmiten fotosynteesi alkaa 0 celsiusasteen lämpötilassa. Kasvin kannalta fotosynteesin optimilämpötila on + 20 celsiusasteen lämpötilassa, jolloin kasvin energiankulutuksesta ja yhteyttämisestä ylijäävän energian osuus on suurimmillaan. Tätä korkeammissa lämpötiloissa nettotulos kasvaa vain jos hiilidioksidin ja valon saanti merkittävästi paranee. (Pankakoski 2003.) Kasvien tarvitseman valon määrä Koska kasvien spektriherkkyyskäyrä on hyvin erilainen kuin ihmissilmän spektriherkkyys, ei kasvin aistimaa valoa voida esittää yleisillä valaistussuureilla. Siksi kasvin saamaa säteilymäärää esitetäänkin yleensä valokvanttien eli fotonien määränä. Säteilyn aallonpituusaluetta, josta fotonisummaa lasketaan, kutsutaan PAR-alueeksi (Photosynthetically Active Radiation). PAR-alue kattaa näkyvän valon aallonpituudet nanometriä. Nykyisellään PAR-alue ei siis kata koko biologisen ikkunan aluetta ja tulevaisuudessa fotonisumman määrittämisessä saatetaankin siirtyä käyttämään niin sanottua laajennettua PAR-aluetta, jonka aallonpituusalue on nanometriä. (Rea 2000; Costa & Cuello 2004, Pinho et al mukaan) Suositeltu tapa ilmoittaa PARalueella säteilevien fotonien määrä on käyttää PPFD-arvoa (Photosynthetic Photon Flux Density), joka esittää alueen pinnalle aikayksikössä lankeavan PAR-säteilyn fotonivuon tiheyden. Fotonien määrää käsitellään mooleina, yksi mooli on noin 6 x 10²³ fotonia (Avogadron vakio). PPFD:n yksikkönä käytetään yleensä µmol / m² / s (mikromoolia neliömetrille sekunnissa). (Rea 2000.) Kirjallisuudessa saatetaan PPFD:n sijaan käyttää myös termiä PPF (Photosynthetic Photon Flux), jolla viitataan samaan fotonisummaan (Pinho 2008). Fotonien energiasisältö on sitä pienempi, mitä pitempiaaltoista säteily on. Järjestelmässä jokaisella fotonilla on kuitenkin yhtäläinen painoarvo, koska Stark-Einstein-lain mukaan absorboitunut valokvantti voi virittää vain yhden molekyylin. Esimerkiksi fotosynteesin tehokkuus riippuu kasvin PAR-alueelta sitomien fotonien määrästä, ei fotonien sisältämästä kokonaisenergiasta. Fotonin absorptiosta syntyvää energiaa ei kasvi pys-

23 14 ty ikinä hyödyntämään täydellisesti, vaan ylimääräinen energia poistuu kasvista lämpösäteilynä. (Hart 1988.) PPFD-arvoa mitataan tyypillisesti kvanttimittareilla, mutta joissain tilanteissa saatetaan käyttää myös radiometriseen säteilyvoimakkuuteen perustuvaa mittaustapaa. Tällöin säteilyn irradianssi eli tehotiheys saadaan wattia per neliömetri (W / m 2 ) arvona. Kaavasta (2) nähdään, kuinka irradianssista saadaan laskettua PPFD-arvo, jos tiedetään valonsäteilyn aallonpituusjakauma. (Pinho et al. 2005) (2) missä E p on fotosynteettinen fotonivuo (PPFD) (mol/m 2 /s) E e on irradianssi (W/m 2 /nm) N on Avogadron vakio (6,02 x ) h on Planckin vakio (6,63 x Js) λ on säteilyn aallonpituus (m) c on valon nopeus (3,00 x 10 8 m/s). Tyypillisimpien yleisvalonlähteiden PPFD-arvo saadaan arvioitua likimääräisesti myös valaistusvoimakkuuden avulla. Tyypillisesti yksi luksi vastaa PPFD-arvoa 0,01-0,02 µmol / m² / s. (Rea 2000.) Kasvien tarvitseman valon määrä vaihtelee sen mukaan, mitä kasvin mekanismia valolla halutaan stimuloida. Luonnonvalossa yhteyttäminen käynnistyy esimerkiksi noin 10 W / m 2 irradianssilla, kun taas kasvin kukkiminen vaatii vain 1 W / m 2 ja kasvun suuntautuminen ainoastaan 0,001 W / m 2 irradianssin. Aurinkoisena päivänä ulkotilassa luonnonvalon irradianssi on noin 400 W / m 2 eli PPFD-arvona noin 1800 µmol / m² / s. Tutkimuksissa on kuitenkin havaittu, että kasvista riippuen luonnonvalon irradianssin ylittäessä W / m 2 ei kasvi enää pysty hyödyntämään säteilytehon kasvua, vaan yhteyttämismekanismi saturoituu. Erittäin voimakas säteily saattaa aiheuttaa kasville jopa solujen kuumentumisvaurioita ja klorofyllien tuhoutumista. (Björn 1976, Hart 1988 mukaan; Pankakoski 2003.) Kasvihuoneviljelyssä yleensä tärkein stimuloitava mekanismi kasvissa on yhteyttämismekanismi eli fotosynteesi, jonka vuoksi valon määrä pyritään pitämään korkeana. Esimerkiksi kurkkua ja tomaattia viljeltäessä on kasvihuoneessa kasvustoon lankeavan PAR-alueella säteilevän valon PPFD-arvo nykyään µmol / m²/ s, jolloin kasvien valotukseen suunniteltujen suurpainenatriumlamppujen asennusteho (ylävalona) on noin 250 W / m 2. (Pankakoski 2003.)

24 15 Kuva 2.4. Valon määrän vaikutus kasvien kasvuun: herneen (vasemmalla) ja perunan (oikealla) versot kuuden päivän jälkeen pimeässä ja valoisassa kasvatettuna (Hart 1988). Valon määrän tarvetta kasville voidaan tarkastella kasvin käyttäytymisen ja ulkonäön perusteella (kuva 2.4) (Hart 1988). Vähäisessä valossa kasvit kalpeutuvat, kasvattavat enemmän vartta ja lehdet ohenevat, jolloin kasvin koko rakenne jää hennoksi ja taudinkestävyys usein heikkenee (Pankakoski 2003.) Valon periodisuuden merkitys kasveille Valon määrän ja säteilykoostumuksen lisäksi kasvin kehitykseen voi vaikuttaa valon periodisuus eli valorytmi. Valorytmillä tarkoitetaan vuorokautisen valo- ja pimeäjakson suhdetta, josta kasvi pystyy määrittämään sekä vuorokauden- että vuodenajan. Tunnetuin valorytmin aiheuttama vaikutus on kasvin siirtyminen kasvullisesta kehityksestä kukintaan. Muuttuminen voi vaikuttaa kuitenkin myös moniin kasvullisiin kehitysvaiheisiin, kuten lehtien varisemiseen, talvisilmujen lepokauden alkamiseen ja päättymiseen sekä mukuloiden ja sipulien muodostumiseen. (Hart 1988; Pankakoski 2003.) Kasvi määrittelee valon periodisuutta sinisen, punaisen ja kaukopunaisen valon avulla. Tunnetuin valorytmiä seuraava mekanismi on fytokromi-väriaineproteiinin kierto valon pitkäaaltoisessa päässä. Muun muassa kasvin vihreissä lehdissä olevaa fytokromia on olemassa kahta eri muotoa. Nämä muodot ovat niin sanottu virittymätön fytokromi P 660 (tai P r ) ja virittynyt fytokromi P 730 (tai P fr ). Fytokromin muodot voivat

25 16 muuttua toinen toisekseen ja kasvissa olevan virittyneen ja virittymättömän muodon suhteesta kasvi selvittää esimerkiksi vuorokauden ja vuodenajat. Fytokromia on kasveissa erittäin vähän, joten vaaditaan vain pieniä säteilytason muutoksia laukaisemaan sen välittämät kemialliset muutokset. (Hart 1988; Pankakoski 2003.) Fytokromin muuttuminen toiseksi riippuu valon säteilykoostumuksesta. Virittyneen ja virittymättömän muodon lyhenne merkitsee sitä valon aallonpituutta, jota fytokromi imee tehokkaimmin muuttuen samalla toiseen muotoon. Virittymätön P 660 fytokromi on fysiologisesti tehotonta, kun taas virittynyt P 730 on tehokasta ja toimii välittäjänä monenlaisissa kehitystapahtumissa, jos sitä on kasvissa riittävästi. Päivällä säteilevässä valkoisessa valossa tehokkaampaa P 730 fytokromia muodostuu enemmän, kun taas yöaikaan sen määrä laskee. Pimeäjakson pituudesta riippuu, laskeeko virittyneen fytokromin määrä alle kriittisen rajan, tässä suhteessa eri kasvilajien sietokyky on erilainen. Myös pimeäjakson katkaiseminen lyhyelläkin valojaksolla palauttaa osan tehottomaksi muuttuneesta fytokromista takaisin tehokkaaseen muotoon ja voi kumota siihenastisen pimeäjakson vaikutuksen. (Pankakoski 2003.) Vuorokaudenaika voi vaikuttaa esimerkiksi kasvin lehtien asentoon ja kukkien aukioloon. Koska yöllä ei ole tarvetta kerätä valoa, laskevat monet kasvit lehtensä alas. Näin kasvi energiaa säästääkseen pienentää päivällä tarpeellista, mutta yöllä jopa kohtalokasta jäähdytys- ja haihdutuspinta-alaansa. Kuvassa 2.5 lennätinkasvin (Desmodium gyrans) lehdet päivällä ja yöllä. (Hart 1988.) Kuva 2.5. Lennätinkasvin (Desmodium gyrans) lehdet päivällä, kun kasvi kerää yhteyttämisvaloa (a) ja yöllä, kun kasvi säästää energiaa (b) (Hart 1988).

26 17 Eri kasvit käyttäytyvät eri tavalla, osa soveltuu pitkään päivään paremmin ja toisaalta on kasveja, joille lyhyt päivä sopii paremmin. Tällaiset kasvit voivat kukkia ainoastaan, kun päivän pituus on juuri sopiva. Kukintaviritykseen riittää kuitenkin fytokromin luonteesta riippuen varsin heikko valaistus, joissain tapauksissa jopa täydenkuun valo. Pitkän- ja lyhyenpäivänkasvien lisäksi on olemassa päiväneutraaleja kasveja, joille päivän pituudella ei ole merkitystä. Tällaisia kasveja ovat esimerkiksi tomaatti ja kurkku. (Pankakoski 2003.) Enimmissä ilmastovyöhykkeissä on jokin vuodenaika kasvin normaaleille elintoiminnoille epäsuotuisa tai suorastaan mahdoton. Pohjoisemmilla ilmastovyöhykkeillä se on talvi ja eteläisimmillä ilmastovyöhykkeillä se on yleensä sateeton kesäkausi. Monet kasvit viettävät epäsuotuisan vuodenajan lepotilassa, joka on tyypillisesti hormonien säätelemä horros. Lähtösysäyksen lepotilan valmisteluun eli talveentumiseen - antaa enimmille kasveille yön piteneminen. Talveentuminen pääsee siten joka vuosi käyntiin samaan aikaan säiden vaihtelusta riippumatta. Induktioon tarvittavan yön pituuden kasvi määrittää fytokromin avulla. Tarvittavan yön pituuden on todettu olevan erilainen eri kasveilla, ja se voi vaihdella jopa saman kasvilajin sisällä. Induktion jälkeen talveentumisen kehitys riippuu ensi sijassa lämpötilasta. Horrostilassa kasvin kaikki elintoiminnot ovat lähes pysähtyneet ja kasvi on rakenteellisesti muuttunut suojaamaan itseään kuivumiselta ja pohjoisessa myös kylmyydeltä. Kun ympäristön olosuhteet ovat jälleen suotuisat kasvin normaaleille elintoiminnoille, lepotila purkautuu. Myös lepotilan purkautumisen käynnistää yleensä fytokromin avulla määritetty päivän piteneminen. (Hart 1988; Pankakoski 2003.) Valon suuntauksen merkitys kasveille Valon suunta vaikuttaa kasvin kasvun suuntautumiseen. Jos valoa on saatavilla, osaavat monet kasvit ohjata kasvuaan siten, että ne pystyvät elämään. Kasvin suuntautumista valon vaikutuksesta kutsutaan fototropismiksi. Fototrooppinen vaste voi olla joko positiivinen tai negatiivinen, eli kasvu voi suuntautua kohti valoa tai valosta poispäin. Yleensä kasvin maanpäälliset osat suuntaavat kasvunsa kohti valoa, kun taas juuret kasvavat valosta poispäin. Kuitenkin myös yksittäisen kasvin maanpäällisen kasvun suuntautumisessa voi olla eroja (kuva 2.6). (Hart 1988.)