PLASMAVALON KÄYTTÖKOHTEET Kimmo Kivisilta Opinnäytetyö Toukokuu 2015 Talotekniikan Sähköinen talotekniikka
TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Talotekniikka Sähköinen talotekniikka KIVISILTA, KIMMO: Plasmavalon käyttökohteet Opinnäytetyö 45 sivua Toukokuu 2015 Työn tavoitteena oli tutkia tämänhetkisten valmistajien plasmavalojen käyttömahdollisuuksia nykypäivän valaistusratkaisuissa ominaisuuksien näkökulmasta. Työssä pyrittiin hankkimaan mahdollisimman kattavasti tietoa tarjolla olevista plasmavaloista ja niiden valmistajista. Tietoa kerättiin valmistajilta ja henkilöihin joilla on kokemusta tässä työssä esitetyistä plasmavaloista. Tiedot hankittiin valmistajien verkkosivuilta sekä sähköposti- ja puhelinhaastatteluin. Tiukentuneet ympäristösäännökset ja yleinen tarve tuottaa energiatehokkaita valaistusratkaisuja ovat harventaneet eri valonlähteiden käyttömahdollisuuksia. Esimerkiksi hehkulamppujen markkinoilta poistuminen ja halogeenivalonlähteiden rajattu, tulevaisuudessa kokonaan poistuva käyttö on luonut valaistuksen suunnittelulle uudenlaisia haasteita värintoistoindeksin vuoksi. Vaikka LED-valaistus on kehittynyt tuottamaan suhteellisen hyvän värintoistoindeksin, niin saavutettu taso ei vielä ole värintoistoltaan vastaa edellä mainittujen valonlähteiden tasoa. Plasmavalaisimista mainittaessa usein puhutaan vain rikkiplasmavalaisimista, mikä on harhaanjohtavaa. Rikin käyttö valoa emittoivana raaka-aineena on vain yksi mahdollisuus. Nykyiset valmistajat ovat nimenneet jokainen oman järjestelmänsä eri nimellä. Esimerkiksi LEP (Light Emitting Plasma), HEP (High-Efficiency Plasma) ja APL (Advanced Plasma Light) ovat valmistajien nimityksiä plasmavalonlähteille, jotka eivät käytä pelkästään rikkiä valoa emittoivana raaka-aineena. Tässä opinnäytetyössä tullaan käyttämään tai käytetään nimitystä plasmavalo, jonka merkitys tulee kattamaan tai kattaa edellä mainittujen lyhenteiden koko skaalan. Opinnäytetyö osoitti, että plasmavaloista ei ole vielä tarpeeksi tietoa saatavilla, ja käyttökokemukset ovat liian vähäiset antamaan yksiselitteisen ja vakuuttavan vastauksen käyttömahdollisuuksista. On syytä jatkaa tiedon ja käyttökokemuksien kartuttamista, jolloin voidaan todeta todelliset plasmavalojen hyödyt. Yksi merkittävimmistä jatkotoimenpiteistä on päivittää ST- ja RT-kortistojen ohjeistukset, jotka eivät tällä hetkellä tarjoa minkäänlaista tietoa kyseisestä valonlähteestä ja sen käyttömahdollisuuksista. Päivityksellä pystyttäisiin varmistamaan, että informaatio on ajantasaista ja alan suunnittelijoilla on kattavat ohjeistukset tukemassa päivittäistä suunnittelutyötä. Asiasanat: plasmavalo, plasmavalaisin, plasmavalon käyttökohteet
ABSTRACT Tampere University of Applied Sciences Building Services Electrical Building Services KIMMO KIVISILTA: Utilization Of Plasma Lights Bachelor's thesis 45 pages May 2015 The objective of the work was to study the possibilities to use of the present manufacturers' plasma lights in the lighting solutions of the present from the point of view of properties. An attempt was made to get in the work information about the plasma lights as comprehensively as possible available and about their manufacturers. The information was gathered from manufacturers and to the persons who have an experience in this from the plasma lights that have been presented in the work. The information was gotten from the manufacturers web pages and with the e-mail interviews and telephone interviews. The environment regulations which have tightened and the general need to produce energy efficient lighting solutions have thinned out the possibilities to use of different light sources. For example, incandescent light bulbs pullout from market and halogen light sources limited use of lighting designing has created new kinds of challenges, especially in situations where are needed high color rendering index. Although LED lighting has been developed to produce a relatively high color rendering index, but the level archieved is not yet equivalent When often mentioning the plasma light fixtures, it is talked only from the sulphur lamp which is misleading. The use of the sulfur as a raw material which emits light is only one possibility. The present manufacturers have named their own system with a separate name, every one. For example LEP (Light Emitting Plasma), HEP (High-Efficiency Plasma) and APL (Advanced Plasma Light) are the manufacturers' appointments to the plasma light source which do not use merely the sulfur as a raw material which emits light. A definition plasma light the significance of which will cover or includes the whole scale of the above mentioned abbreviations will be used or in this dissertation is used. The dissertation indicated that there is not enough information yet available about the protoplasm lights and the use experiences are too minor to give an unambiguous and convincing answer from the possibilities to use. The increasing of information and user experiences must be continued in which case the real advantages of plasma lights can be stated. One of the most significant further measures is to update the instructions of ST and RT card indexes which do not offer any information about the light source in question and about its possibilities to use at the moment. With the updating one be would able to make sure that the information is, update and with the designers of the field the comprehensive instructions are supporting the daily planning work. Key words: plasma light, plasma luminaire, Utilization of plasma lights
4 SISÄLLYS LYHENTEET JA TERMIT... 5 1 JOHDANTO... 6 2 VALO JA VALOSUUREET... 7 2.1 Valo... 7 2.2 Valovirta, Φ... 7 2.3 Valovoima, I... 8 2.4 Valaistusvoimakkuus, E... 8 2.5 Luminanssi, L... 9 2.6 Värintoisto, CRI... 9 2.7 Värilämpötila... 10 2.8 Fotosynteettinen fotonivuo (PPF)... 10 3 VALAISTUSSTANDARDIT JA SÄÄDÖKSET... 12 3.1 Valaisimia velvoittavat SFS-standardit ja valaistuksen suunnittelun kannalta hyödylliset ohjeistukset.... 12 3.2 Ulko- ja julkisivuvalaistus... 12 3.3 Urheilu- ja yleisötapahtumavalaistus... 13 3.4 Tie- ja katuvalaistus... 14 3.5 Kasvihuonevalotus... 15 4 PLASMAVALAISIN... 17 4.1 Historiaa... 17 4.2 Tekniikka... 18 4.2.1 Toimintaperiaate... 18 4.2.2 Valon ominaisuudet... 20 4.2.3 Hyötysuhde... 21 4.3 Plasmavalon vertailua perinteisiin valaisin- ja lamppuvaihtoehtoihin... 23 4.3.1 Suurpainenatriumvalaisimet... 25 4.3.2 Monimetallivalaisimet... 27 4.3.3 LED-Valaisimet... 29 4.3.4 Loisteputket... 31 4.4 Plasmavalaisinten valmistajat... 32 5 KÄYTTÖMAHDOLLISUUDET... 34 5.1 Ulko- ja julkisivuvalaistus... 34 5.2 Urheilu- ja yleisötapahtumien stadionvalaistus... 36 5.3 Tie- ja katuvalaistus... 36 5.3.1 Käyttökokemuksia tie- ja katuvalaistuksessa... 38 5.4 Kasvihuonevalotus... 39 6 Plasmavalaisimien SWOT-analyysi... 40 7 POHDINTA... 41 LÄHTEET... 43
5 LYHENTEET JA TERMIT APL Kehittynyt plasmavalo (Advanced Plasma Light) E Valaistusvoimakkuus, yksikkö luksi [lx] = lm/m 2 HEP Korkean hyötysuhteen omaava plasma (High-Effiency Plasma) HID Kaasupurkausvalonlähteistä käytetty tekninen ilmaisu (High Intesity Discharge) L m Keskimääräinen luminassin arvo, yksikkö kandela [cd/m 2 ] LED Valoa emittoiva diodi (Light-Emitting Diode) LEP Valoa emittoiva plasma (Light-Emitting Plasma) PLS Plasmavalojärjestelmä (Plasma Light System) PPF Fotosynteettinen fotonivuo [μμμμ/m 2 s] Ra Valonlähteen värintoistoindeksi Ra= 0 100 SpNa Suurpainenatriumlamppu UV Ultraviolettisäteily, nm (Ultraviolet radiation) λ Aallonpituus, nm
6 1 JOHDANTO Oli aika, jolloin päre paloi nurkassa ja valokaarilamput toreilla. Nyt on aika, jolloin kaivataan uusia tuulia vastaamaan nykyhetken valaistuksen haasteisiin. Tämä opinnäytetyö sai alkunsa, kun Frankfurtin messuhallissa loisti keskellä suurta LED-merta erikoinen valo, ja tuo valo, oli plasmavalo. Kiinnostus heräsi välittömästi tuota uutukaista valoa kohtaan. Voisiko se tuoda uusia mahdollisuuksia jo fakkiintuneeseen valonlähdekantaan, joka tuntui päivä päivältä vain kapenevan. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan plasmavalon mahdollisia käyttökohteita sekä vertaillaan ominaisuuksia nykyisiin valtavirran valonlähteisiin. Opinnäytetyössä käytetään nimitystä plasmavalo, joka vastaa valmistajien käyttämiä HEP (High-Effiency Plasma), LEP (Light Emitting Plasma) ja APL (Advanced Plasma Light) lyhenteitä. Käyttökohteet on rajattu neljään pääkategoriaan, joissa käsitellään ulko-, julkisivu-, stadion- ja katuvalaistusta sekä kasvihuonevalotusta. Työssä tuodaan myös esille pintapuolisesti erikoisvalaistukseen soveltuvia plasmavalaisimia. Työssä ei oteta kantaa valaisimien hintatasoon, vaan vain ja ainoastaan valonlähteiden ominaisuuksiin. Syynä tähän on tiedonpuute valaisimien hintatasosta, lukuisista alan yrityksiin sähköpostin kautta tehdyistä yhteydenottopyynnöistä huolimatta. Työssä ei myöskään anneta suurta painoarvoa valaisimien elinkaareelle, koska plasmavalaisimia ei ole ollut markkinoilla vielä niin pitkään, että voitaisiin perustaa päätelmät useista kenttätutkimuksista saatuihin tietoihin. Työn tarkoitus on toimia plasmavalon osalta lisätietona valaistuksesta ja sen suunnittelusta kiinnostuneille, sekä antaa yleiskuvauksen plasmavalaisimen toimintaperiaatteesta ja käyttömahdollisuuksista. Lisäksi työssä on tarkoitus tuoda esille plasmavalojen käyttömahdollisuuksia ja selvittää, voidaanko plasmavalojen ominaisuuksia hyödyntää vastaamaan tämän päivän haasteita, ja jos voidaan, niin missä.
7 2 VALO JA VALOSUUREET Tässä osiossa esitetään pintapuolisesti valon perusteet ja peruskäsitteet. Lisäksi osiossa pyritään tuomaan esille valosuureiden perusteita liikaa syventymättä niihin. 2.1 Valo Valo on sähkömagneettisen spektrin ihmissilmälle näkyvä osa. Ihmissilmälle näkyvä valo on 350-700 nanometrin (nm) aallonpituuksien ja 380-750 terahertsin (THz) taajuuksien välillä. Ihmissilmälle näkyvän valon alue ja ihmissilmän päivänäkemisen spektriherkkyyskäyrä on esitetty kuvassa 1. Aalto-hiukkasdualismin vuoksi valolla on sekä hiukkasten, että aaltojen ominaisuudet ja valo etenee valokvantteina eli fotoneina. Ihmissilmälle näkyvän valon fotonien energia vaihtelee n. 1,5-3,1 elektronivoltin (ev) välillä /34/. Valo on välttämätöntä myös kasveille, jotka hyödyntävät valon energiaa yhteyttämisessä eli fotosynteesissä, sekä informaation välityksessä /15;34/. Kasvien spektriherkkyyskäyrä (kuva 5, sivu 11) on erilainen ihmissilmän spektriherkkyyteen verrattuna ja täten kasvin saamaa fotonien määrä esitetään fotonisummana, joka lasketaan kasvin käyttämän säteilyn aallonpituusalueelta eli PAR-alueelta. PAR-alue (Photosynthetically Active Radiation) kattaa näkyvän valon aallonpituudet 400-700 nanometriä, mutta ei koko biologisen ikkunan aluetta, joka on 380-780 nanometriä /15/. Yleisin tapa esittää ko. aallonpituusalueen fotonien määrä on PPF-arvona (Photosynthetic Photon Flux), jolloin fotonisumma ilmoitetaan mikromoolia neliömetrille sekunnissa [μμμμ/m 2 s] /15/. 2.2 Valovirta, Φ Valovirran Φ yksikkö on luumen [lm] ja se edustaa yhden kandelan [cd] voimakkuudella tasaisesti säteilevän lähteen 1 m säteisen pallon pinnalle säteilemän valoenergian virtausnopeutta. Koska valovirta on säteilytehoa, vastaa luumen dimensioltaan tehon yksikköä wattia [W]. Yksinkertaistaen sanottuna valovirta on silmän spektriherkkyydellä painotettu valonlähteen näkyvän valon (kuva 1) alueen säteilyteho /12/.
8 Kuva 1. Ihmissilmälle näkyvän valon alue ja ihmissilmän päivänäkemisen spektriherkkyyskäyrä /1/. 2.3 Valovoima, I Valovoima I on fotometrinen perussuure. Valovoiman yksikkö on kandela, joka lyhennetään [cd]. Alkuperäinen määritelmä on, että yksi kandela vastaa yhden kynttilän lähettämää valon määrää tiettyyn avaruuskulmaan eli steradiaaniin. Nykyisin yksi kandela vastaa monokromaattisen valonlähteen lähettämän valon säteilytysvoimakkuutta 1/683 W/m 2 yhden metrin etäisyydellä säteilylähteestä, 5,40*10 14 hertsin (Hz) taajuudella /34;35/. 2.4 Valaistusvoimakkuus, E Valovirran kulkiessa pois valonlähteestä se lopulta osuu johonkin pintaan, josta se heijastuu, jonka se läpäisee tai johon se absorboituu. Pinnalle saapuvan valovirran tiheyttä kutsutaan valaistusvoimakkuudeksi E. Valaistusvoimakkuuden yksikkö on täten luumenta neliömetrille [lm/m 2 ] eli luksi [lx] /12/. Valaistusvoimakkuus on tyypillisesti tärkein valaistussuunnittelussa käytetty valon määrän määrittävä suure. Kuvassa 2 on esitetty yleisiä valaistusvoimakkuusarvoja eri tilanteissa.
9 Kuva 2. Käytännön valaistusvoimakkuusarvoja /36/. 2.5 Luminanssi, L Luminanssin L yksikkö on kandelaa neliömetrille [cd/m 2 ]. Sillä kuvataan pinnasta heijastuvan valon määrää, eli pinnan kirkkautta. Pinnan luminanssi määritellään pinnan valovoiman tiheydeksi tarkastelusuuntaan. Luminanssilla voidaan esimerkiksi kuvata, miten valoisalta tien pinta näyttää. Luminanssi on ainoa nähtävissä oleva valosuure ja näkeminen perustuukin pääosin luminanssierojen eli kontrastien havaitsemiseen. /12; 18; 32/. 2.6 Värintoisto, CRI Värintoistolla tarkoitetaan sitä, kuinka jonkin kohteen värit näkyvät jonkin valonlähteen valossa. Valonlähde toistaa kohteen niitä värejä joita se lähettää, joten värintoistokyky on riippuvainen valonlähteen säteilemän valon spektristä. Sivulla 10 olevassa kuvassa 3 on esitettynä tiettyjä aallonpituuksia ja niitä vastaavia värejä. Värintoisto määritellään värintoistoindeksillä, eli R a -indeksillä. R a -indeksi on prosentuaalinen suure, josta käy ilmi kuinka lähellä valonlähteen spektrin koostumus on vertailuvalonlähteen spektriä /12; 22/.
10 Kuva 3. Näkyvän valon spektri /19/. 2.7 Värilämpötila Säteilyn lähteen värin määrittelyssä on tarkoituksenmukaista käyttää värilämpötilan yksikköä, joka on kelvin [K]. Värilämpötilalla T cp, [K] esitetään valkoisen valon sävyä. Valo voi olla esimerkiksi kylmä- tai lämminsävyistä. Lämpimän värivaikutelman antavat sävyt < 3000 K, neutraali sävy 3300 5300 K ja kylmän vaikutelman antavat sävyt > 5300K /12; 23/. Alla olevassa kuvassa on esitettynä värilämpötilat 1800K-16000K. Kuva 4. Värilämpötila /37/. 2.8 Fotosynteettinen fotonivuo (PPF) Fotosynteettinen fotonivuo (Photosynthetic Photon Flux) on valon irradianssia kuvaava suure, jonka yksikkö on mikromoolia neliömetrille sekunnissa [μμμμ/m 2 s] missä 1 mol tarkoittaa 6,022x10 23 fotonia. Kyseisellä suureella pyritään kuvaamaan kasvien käytössä olevaa hyödyntämiskelpoista valon fotonisummaa (kuva 5, sivu 11 )400-700 nm aallonpituuksien alueella /14/.
11 Kuva 5. Kasveille näkyvä valo eli kasvien hyödyntämän valon spektriherkkyyskäyrä /1/.
12 3 VALAISTUSSTANDARDIT JA SÄÄDÖKSET Standardi ohjeistaa valaistusvaatimukset tilaan, jonka tarve on ensin määritelty. Lisäksi on olemassa useita alakohtaisia ohjeistuksia, jotka ottavat kantaa valaistuksen laatuvaatimuksiin ja ohjeistavat hyväksi todettuihin käytäntöihin. Tässä luvussa esitetään opinnäytetyössä käsiteltäviä mahdollisia käyttökohteita koskevat ohjeistukset ja velvoittavat standardit. 3.1 Valaisimia velvoittavat SFS-standardit ja valaistuksen suunnittelun kannalta hyödylliset ohjeistukset. Kaikkia valaisimia velvoittavat SFS-standardit: SFS-EN 60598-1+A11:2009 Valaisimet. Osa 1: Yleiset vaatimukset ja testit SFS-EN 60598-2-1:1991 Valaisimet. Osa 2. Erityismääräykset. Luku 1. Kiinteät yleisvalaisimet Lisäksi ohjeita yleisesti valaistuksen toteutukseen löytyy mm. seuraavista ST-korteista: ST 57.45 Valaisimen valinnan perusteet ST 58.04 Ohjeita valaistuksen suunnitteluun ja toteutukseen ST 58.06 Valaistuksen tavoitteet ja valaistuksen tavoitteiden toteutus ST 58.08 Valolähteiden ominaisuudet 3.2 Ulko- ja julkisivuvalaistus Ulkovalaistuksen suunnittelu aloitetaan yleensä valaistuksen perustarpeista, jolloin pelkät sisääntulo- ja kulkureitit valaistaan. Yleisesti ottaen, toiminnan ja turvallisuuden näkökulmasta katsottuna, tarpeetonta valaistusta olisi syytä välttää. Julkisivuvalaistusperiaatteiden mukaan valaistuksen tarkoitus on tietyn visuaalisen ilmeen korostaminen ilman valosaasteeksi kutsuttua häiriövaloa. Visuaalisten ominaisuuksien korostumiseen vaikuttavat voimakkaimmin kohteiden materiaalien ja pintojen heijastusominaisuudet, joiden esiintuomisessa tärkeimpänä kriteerinä voidaan pitää valonlähteen värintoistoa ja värilämpötilaa.
13 Ulko- ja julkisivuvalaistukseen kantaa ottavat standardit ja määräykset: SFS-EN 12464-2:2014 Light and lighting. Lighting of work places. Part 2: Outdoor work places SFS 6000-7-714:2012 Erikoistilojen ja -asennusten vaatimukset. Ulkovalaistusasennukset D3 Rakennusten energianlaskenta määräykset Lisäksi ST-kortiston ohjeistukset: ST 58.09 Ulkovalaistus ST 58.10 Julkisivuvalaistus ja muu ulkotilojen erikoisvalaistus 3.3 Urheilu- ja yleisötapahtumavalaistus Standardi SFS-EN-12193:en:2008 Light and lighting. Sports lighting määrittelee urheilukenttien ja -stadioneiden valaistusvaatimukset. On syytä kuitenkin huomata, että alakohtaisilla liitoilla ja liigoilla voi olla tarkemmin määritellyt raja-arvot valaistusvaatimuksille. Ensisijaisesti kenttien valaistuksessa on syytä huomioida valaistusvoimakkuus ja valon tasainen jakautuminen ilman häiritsevää kiusahäikäisyä. Urheilu- ja yleisötapahtumastadionin valaistukselle asetetut standardit: SFS-EN 12464-1:2011 Valo ja valaistus. Työkohteiden valaistus. Osa 1: Sisätilojen työkohteiden valaistus. SFS-EN 12464-2:2014 Light and lighting. Lighting of work places. Part 2: Outdoor work places. SFS-EN-12193:en:2008 Light and lighting. Sports lighting. Lisäksi ST-kortiston ohjeistukset: ST 58.26 Tenniskentän valaistuksen suunnittelu- ja toteutusohjeita ST 58.27 Jääkiekkokaukalon valaistuksen suunnittelu- ja toteutusohjeita ST 58.28 Jalkapallokentän valaistuksen suunnittelu- ja toteutusohjeita
14 3.4 Tie- ja katuvalaistus Tievalaistuksen suunnittelussa valolla on kolme päätehtävää: 1. Näkyvyys, jolloin kohteen toiminnot valaistaan. 2. Hahmottaminen, jolloin katsojalle muodostuu käsite tilasta ja ympäristöstä. 3. Valaistuksella luotu ilmapiiri varmuuden ja tunnelman synnyttämiseksi. Lisäksi taajamissa tievalaistuksella toteutetaan esteetön liikkumisympäristö. Tievalaistuksessa käytetyimmät valaistusteknilliset suureet ovat luminanssi, valaistusvoimakkuus ja häikäisy, joka kuvaa silmän kontrastinerotuskyvyn muuttumista prosentuaalisesti. Tievalaistuksen valaistustekniset vaatimukset määrittelee standardi SFS-EN 13201-2:en:2004 Road lighting. Part 2:Performance requirements. Tie- ja katuvalaistuksen laitteita ja suunnittelua velvoittavat standardit: SFS-EN 13201-3:en:2004 Road Lighting. Part 3: Calculation of performance SFS-EN 13201-2:en:2004 Road lighting. Part 2:Performance requirements SFS-EN 1838:2014 Valaistussovellukset. Turvavalaistus SFS-EN 12464-2:2014 Light and lighting. Lighting of work places. Part 2: Outdoor work places SFS-EN 62493:2010 Assessment of lighting equipment related to human exposure to electromagnetic fields SFS-EN 62031:2009 LED modules for general lighting- Safety specifications SFS-EN 61547:2010 Equipment for general lighting purposes EMC immunity requirements SFS-EN 55015:2013 Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics of electrical lighting and similar equipment SFS-EN 61000-3-2:en:2014 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions (equipment input current = 16 A per phase) Lisäksi ohjeistuksia: InfraRYL 2012, Yleiset laatuvaatimukset Tiehallinto 2006, Tievalaistuksen suunnittelu Liikenneviraston ohje, Tien valaisimien laatuvaatimukset 17.10.2012 Pienjännitedirektiivi 2006/95/EY Komission asetus 2008/765/EY Vaatimustenmukaisuus arviointilaitoksesta Direktiivi 2011/65/EU Tiettyjen vaarallisten aineiden käytön rajoittaminen sähkö- ja elektroniikkalaitteissa. Tievalaistuksen toimintalinjat, TIEH 1000105-06
15 3.5 Kasvihuonevalotus Kasvihuonevalaistuksen suunnitteluun ei ole erityistä standardia eikä ST-kortiston ohjeistuksia, ainoastaan sisävalaistusstandardi SFS-EN 12464-1:2011 Valo ja valaistus. Työkohteiden valaistus. Osa 1: Sisätilojen työkohteiden valaistus määrittelee kasvihuonetiloissa työskentelyyn vaaditun valaistustason. Valotuksen suunnittelu onkin syytä aloittaa kartoittamalla kasvin vaatimukset valonlähteen spektrille. Oletettavaa on, että kasvi käyttää koko kasveille näkyvän valon (kuvat 5 ja 6) alueen aallonpituuksia hyödykseen. Tätä aluetta kutsutaan myös PAR-alueeksi, lyhenne tulee sanoista Photosynthetically Active Radiation /21/. Kuva 6. Kasvin näkyvän valon alueen läpäisykyky, heijastus ja absorptio, esimerkkinä rauduskoivun lehti /21/. Kasvien fotosynteettiset hiukkaset voidaan jakaa kahteen pääryhmään: 1. Massahiukkaset, joilla korkea valon absorptio 400-500 ja 630-680 nm aallonpituuksilla (kuva 6, sivu 15). 2. Sensorihiukkaset, joilla matalampi valon absorptio 530-610 nm aallonpituuksilla (kuva 7) /30/. Kasvi hyödyntää informaation vastaanottamiseen kaukopunaisen alueen (700-800 nm) aallonpituutta /15/. Myös UV-A (315-400 nm) ja UV-B (280-315 nm) alueiden aallonpituuksien on huomattu vaikuttavan kasvin kehittymiseen /21/.
16 Kuva 7. Eräiden fotosynteettisten hiukkasten absorptiokäyrät /14/. Valotuksen suunnittelu riippuu myös kasvityypistä ja kasvatustavasta ja siitä mikä on kasvin oletettu fotosynteettisen fotonivuon tarve. Taulukossa 1 on esitetty tyypillisiä lisävalotuksen määriä kasvihuoneviljelyssä. Lisävalotusta käytetään kasvihuoneissa kasvukauden jatkamiseksi jopa ympärivuotiseksi. Taulukko 1. Kasvihuoneviljelyn tyypillisiä lisävalon määriä Keski-Euroopassa /11/. [μμμμ/ m 2 s] Kasvihuoneviljelyn lisävalon määrät Keski-Euroopassa 15-30 Laadun lisääminen, kasvuston ylläpito ja rajattu tuotannon lisäys. 30-45 Taimille, kasvatukseen ja ruukkukasvien tuotantoon. 40-100 Ympäri vuoden viljelyyn. Esim. krysanteemit, ruusut ja kerrosviljely. 100-200 Korkean valonmäärän vaativien kasvien tuotanto. Esim. tomaatit ja kurkut. 100-800 Kasvien tuotantoon pelkällä keinovalolla Kasvivalotuksessa hyödynnettävien valonlähteiden valinnassa olisi syytä arvioida valonlähteestä kasvin näkyvän valon alueella (kuva 5, sivu 11) säteilevän fotosynteettisen fotonivuon määrä ja erityisesti kiinnittää huomiota fotonivuon jakautumiseen aallonpituusalueilla, joilla absorptio on korkeimmillaan (kuva 6, sivu 15 ja 7, sivu 16). Valittaessa on myös syytä muistaa energiataloudellisuus ja verrata valaisimen fotosynteettisen fotonivuon suhdetta laitteen kokonaissähkötehoon. Valonlähteen lämpötila asettaa myös rajoituksia mm. valaisimien sijoittelulle ja soveltuvuudelle kasvatukseen.
17 4 PLASMAVALAISIN Plasmavalaisin on elektrodivapaa valonlähde, jossa valontuotantoon tarvittava energia siirretään lamppuun ilman lampun sisäistä elektrodia /6/. Tässä osiossa esitellään plasmavalaisimen kehityksen historiaa, tekniikkaa ja valonlähteen ominaisuuksia, sekä listataan opinnäytetyössä käsiteltäviin käyttökohteisiin soveltuvien plasmavalojen valmistajat. Osiossa esitetään myös vertailua perinteisiin valaisimiin 4.1 Historiaa Nikola Tesla (1856-1943) kehitti ensimmäisen sähköllä toimivan elektrodivapaan valonlähteen 1890-luvulla tutkiessaan suurtaajuisen virran käyttäytymistä tyhjiössä. Kuvassa 9 on esitetty Nikola Teslan kehittämä eletrodivapaa polttimo. Ensimmäisenä keksijänä elektrodivapaalle valonlähteelle voidaan nimetä John Anderson, joka haki valonlähteelleen patenttia vuosina 1967 ja 1968 /6/. Vuonna 1971 Fusion UV Systems /9/ toi markkinoille ensimmäisen elektrodivapaan 300 W:n valaisimen, joka toimi hyödyntäen magnetronilla tuotettuja mikroaaltoja. Markkinoiden ensimmäiset plasmavalot olivat ultraviolettivaloja, joiden polttimossa käytettiin argonia ja elohopeahöyryä valon tuottamiseen. Kyseiset valaisimet valmisti Fusion UV ja ne oli tarkoitettu teollisuuskäyttöön /24/. Tätä kyseistä valonlähdettä voidaankin pitää alkusykäyksenä plasmavalojen valmistuksessa. Michael Ury ja Charles Wood kollegoineen kehittivät rikkiplasmavalon konseptin vuonna 1994 Yhdysvaltain energiaviraston tukemana. Näitä valoja käytettiin myös tuottamaan UV-valoa teollisuuden prosesseihin /6/. Ensimmäisillä rikkiplasmavaloilla pienimmät tehot olivat n.1000 W ja polttimoa täytyi pyörittää jatkuvasti, ettei plasma palanut polttimosta läpi /24/.
18 Kuva 9. Nikola Teslan ensimmäinen elektrodivapaa lamppu (vasemmalla) ja Luximin plasmalamppu (oikealla) /6/19/. Vuoden 2000 tienoilla kehitettiin radioaaltoja hyväksi käyttävä järjestelmä, jossa valonlähde saatiin ensimmäisen kerran kompaktiin kokoon (kuvat 9, 10 ja 11). Kyseistä valonlähdettä voidaan pitää ensimmäisenä toimivana plasmavaloratkaisuna ottaen huomioon valon käyttömahdollisuudet ja valontuotto /24/. Tämän järjestelmän kehittäjiksi on nimetty Frederick Espiau, Chandrashekhar Joshi ja Yian Chang, mutta jälkeenpäin Ceravision on riitauttanut patentit ja kyseisistä oikeuksista käydään edelleen oikeustaistelua niin Englannissa kuin Yhdysvaltain maaperällä /5/. Radioaaltotekniikkaa hyödyntävä järjestelmä mahdollisti pienitehoisten, n. 100 watin plasmavalojen valmistuksen ja mahdollisti tavanomaisempien kaasujen käytön, jolloin polttimon pyörittämisestä voitiin luopua. Vuonna 2009 Ceravision toi markkinoille ensimmäisen kirkkaan polttimon (kuva 9) jolla päästiin nykyisiin hyötysuhteisiin (taulukko 2, sivu 24). 4.2 Tekniikka 4.2.1 Toimintaperiaate Plasmavalot ovat elektrodivapaita valonlähteitä. Plasmavalot koostuvat pääosin kolmesta osasta; radioaaltolähettimestä tai magnetronista, resonaattorista ja polttimosta. Radioaaltolähetin tuottaa radioaaltoja, jotka johdetaan resonaattoriin (kuva 11) missä polttimo on kiinni. Kuvassa 10 on havainnollistettu plasmavalon toiminta.
19 Kuva 10. Plasmavalon toimintaperiaate /19/. Polttimoiden sisällä käytetään jalokaasuja tai niiden seoksia ja lisäaineena metallihalideja, natriumia, elohopeaa tai rikkiä. Valoa emittoiva reaktio saadaan aikaan, kun polttimon sisällä oleva kaasu tai kaasut lisäaineineen altistetaan radioaaltojen avulla sähkökentälle, jolloin ne ylikuumenevat ja muuttuvat plasmaksi /6; 19; 24; 33/. Ylikuumentuessaan plasma alkaa emittoida fotoneja ja tuottaa näin valoa. Yksinkertaisuudessaan plasmavalaisin koostuu neljästä osasta. Alla olevassa kuvassa on esitettynä plasmavalaisin purettuna, josta voidaan nähdä resonaattori ja polttimo, radioaaltolähetin sekä virtalähde. Kuvassa 12 on esitetty Ceravisionin plasmavalaisinpaketti, joka edelleen käyttää magnetronia radioaaltolähettimen sijaan. Kuva 11. Luximin LEP (Light Emitting Plasma) järjestelmä /19/ (resonaattori, radioaaltolähetin ja virtalähde) ja Topangan APL (Advanced Plasma Light) järjestelmä /33/ (resonaattori ja radioaaltolähetin)
20 Kuva 12. Ceravisionin plasmavalaisimen rakenne /4/ 4.2.2 Valon ominaisuudet Plasmavalon suurin eroavaisuus muihin valonlähteisiin verrattuna on valon yhtäjaksoisuus. Koska valo on yhtäjaksoista, niin silmää ärsyttävää valon värähtelyä ei synny (15). Värintoisto-ominaisuuksissa valolla voidaan päästä jopa 95 R a värintoistoon /10; 19; 29/ auringon valoa jäljittelevän spektrin ansiosta. Plasmavalon spektri kattaa kaikki aallonpituudet näkyvän valon alueelta, niin kasvien kuin ihmissilmän (kuvat 1 ja 5). Tosin spektrit ovat polttimokohtaisia, eivät identtisiä. Alla on esitettynä Luximin STA 41.01 polttimon spektri, joka on kyseisen valmistajan polttimoista värintoistoominaisuuksiltaan paras. Kuva 13. Luximin STA 41.01 280W -polttimon spektri /19/.
21 4.2.3 Hyötysuhde Plasmavalon värintoiston arvolla R a = 95 valovirran määrä on n. 17000 lm. R a -indeksin arvon ollessa n. 70 saavutetaan n.50000 lm valovirran määrä /25/. Plasmavalon polttoasennon vaikutus valovirran määrään on huomattava (kuva 15). Plasmavalo toimii kaikissa asennoissa, mutta parhaiten polttimon ollessa kohtisuoraan alaspäin. Valmistajat lupaavat valaisimien valovirran määrän olevan vähintään 70 % 50 000 käyttötunnin jälkeen ja parhaassa tapauksessa 90 % (kuva 15). Verrattaessa laskennallisia (kuva 15) ja kokemusperäisiä ulkovalaistuskohteen (kuva 14) tuloksia keskenään huomataan valovirran aleneman myötäilevän laskennallista keskiarvokäyrää /16/. Käyttötuntien vaikutus näkyy myös värilämpötilassa. Alla olevasta kuvasta 14 nähdään Luximin STA 41.01, 280W polttimon värilämpötilan alenneen 5200 kelvinistä n. 310 kelviniä 2000 polttotunnin jälkeen /26/. Kuva 14. Luximin STA 41.01 plasmavalon valovirran (Average Lux) ja värilämpötilan (Average CCT) alenema Luximin toteuttamassa ulkovalaistuskohteessa. Tiedot ovat mittaustuloksia ja kohteen seuranta jatkuu edelleen. Valaistus toteutettu 12/12 valojaksolla, jolloin valoja pidetään päällä vuoroin 12 tuntia ja sammuksissa 12 tuntia /26/.
22 Kuva 15. Plasmavalon valovirran laskennallinen alenema käyttötuntien mukaan /16/. Plasmavalon valotehoa voidaan säätää 20-100 % välillä ja säätö tapahtuu sekunneissa /19/. Lisäksi plasmavalon himmentäminen kasvattaa valon elinikää /17; 33/. Luximilta löytyy myös plasmavalaisin, jota voidaan ohjata 1-10V-, DALI- ja suoralla pienoisjänniteohjauksella. Ohjainlaitteena voi olla esimerkiksi hämäräkytkin (kuva 17). Lisäksi ohjausyksiköstä on saatavissa tiedot lämpötilasta, jännitteestä ja virrasta /17/. Kuva 17. Luximin plasmavalaisimien ohjaus- ja säätömahdollisuudet /17/.
23 4.3 Plasmavalon vertailua perinteisiin valaisin- ja lamppuvaihtoehtoihin Tässä kohdassa vertaillaan ja spekuloidaan plasmavalon mahdollisuutta korvaavana valonlähteenä tämän osion alaotsikoissa mainituille valonlähteille opinnäytetyössä käsiteltävissä käyttökohteissa. Ensimmäisessä osiossa havainnollistetaan teoreettisia huippuarvoja ja seuraavissa alaosioissa paneudutaan valaisinkohtaiseen vertailuun. Taulukossa 2 on esitetty eri valonlähteiden ominaisuuksia. Taulukon 2 tiedot eivät ole suhteutettuna valonlähteen tehoon kuin ainoastaan valovirran hyötysuhteen osalta. Arvot ovat valonlähteiden minimi- ja maksimiarvoja. Taulukko 2. Eri valonlähteiden ominaisuuksia /1; 4; 16; 17; 19; 33/. Loisteputki Monimetalli 10000-20000 5000-40000 Suurpainenatrium LED Plasma 24000-50000- 3000-40000 60000 50000 Polttimon hyötypolttoikä (h) Radioaaltolähettimen käyttöikä (h) -- -- -- -- 100000 Valovirran hyötysuhde (lm/w) 60-100 44-164 64-160 49-164 50-150 Värintoisto (Ra) 70-90 55-95 21-30 60-90 68-95 Valovirta (lm) 3000-115000 5950-140000 50-8800 10000-45000 Värilämpötila (K) 2700-6500 2900-5000 1900-2100 2600-9000 3200-7650 Käynnistymisaika (min) 0-15 2-5 3-4 << 1 s <1 Uudelleenkäynnistymisaika (min) 0-15 2-20 1-3 << 1 s 2 Valovirran alenema (%) 16-52 9-65 30 22-30 Fotosynteettinen fotonivuo (μmol/s) 47-73 420-530 420-1850 50-400* 300-550 * Arvot ovat Philips GreenPower LED-tuotantomoduulin teknisistä tiedoista
24 Min Max 100 164 160 164 150 60 44 64 49 50 Loisteputki Monimetalli Suurpainenatrium LED Plasma Kuva 18. Valovirran hyötysuhde (lm/w). Taulukon 2, sivulla 24 arvojen mukaan tehty havainnollistamiskuva. Alla olevasta kuvasta 19 nähdään suurpainenatriumvalon ylivoimainen fotosynteettisen fotonivuon (PPF) tuotto verrattuna muihin valonlähteisiin. Kuvasta 19 nähdään myös monimetallivalonlähteen ja plasmavalonlähteen yhdenkaltaisuus. Min Max 1850 530 550 73 420 420 400 300 47 Loisteputki Monimetalli Suurpainenatrium 50 LED Plasma Kuva 19. Fotosynteettisen fotonivuon, PPF (μμμμ/s) huippuarvot valonlähteissä. Taulukon 2 (sivu 24) arvojen mukaan tehty havainnollistamiskuva.
25 Alla olevaa kuvaa 20 käyttötunneista tarkastellessa on syytä muistaa, että kyseiset arvot ovat teoreettisia huippuarvoja. Arvot voivat todellisuudessa poiketa huomattavasti niin ylös- kuin alaspäin. 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Kuva 20. Hyötypolttoiän huippuarvot esitettynä (h) eri valonlähteissä. Taulukon 2 (sivu 24) arvojen mukaan tehty havainnollistamiskuva. Seuraavissa alaosioissa käsitellään plasmavalaisimen potentiaalisia mahdollisuuksia toimia korvaavana valonlähteenä. Alaosiot on tehty valmistajien antamien tietojen pohjalta ilman käytännön kokemusta. 4.3.1 Suurpainenatriumvalaisimet Suurpainenatriumvalaisimien korvaajaksi plasmavalaisin soveltuu monella eri osaalueella niin ulko-, katu- kuin stadionvalaistuksessa. Suurin hyöty korvattaessa suurpainenatriumvalaisimia on värilämpötilassa ja värintoistossa. Markkinoilla on värikorjattuja suurpainenatriumlamppuja, mutta niiden valotehokkuus on alhainen /13/. Tyypillisissä suurpainenatriumvalaisimissa valon värilämpötila on n. 2000 K, mikä on oranssin kellertävä (kuva 4, sivu 10) ja värintoisto-ominaisuudet ovat heikot (taulukko 2, sivu 24). Kuvasta 21 on nähtävissä valon värien sekä värintoiston eroavaisuudet. Kyseisestä kuvasta voidaan havaita taustalla olevan kasvuston värissä huomattavia muutoksia. Siinä missä suurpainenatriumvalaisimen valo toistaa kasvuston kellertävänä, niin plasmavalaisin tuo esille kasvien luontaisen vihreän värin. Voidaankin todeta plasmavalaisimen tuovan paremmin esille ulkovalaistuksessa miljöösuunnittelijoiden visiot.
26 Kuva 21. Parkkipaikan suurpainenatriumvalaisimet (vasen yläkulma) korvattuna Luximin LEP STA-41-01 plasmavalaisimilla (vasen alakulma). Valon spektrijakaumat: suurpainenatriumlamppu (oikea yläkulma), plasmavalaisin (oikea alakulma) /16/. Julkisivuvalaistuksessa plasmavalaisimen hyödyt ovat samoja kuin aiemmin mainitut, mutta lisänä voidaan mainita plasmavalaisimen etuja olevan polttimon kompakti koko, jonka ansiosta voidaan toteuttaa esimerkiksi pienemmälle alueelle kohdistuva kohdevalaistus. Yleisötapahtumien ja stadionvalaistuksen toteutuksessa toteutuvat myös samat värilämpötilasta ja värintoistosta saadut hyödyt. Suurin hyöty kyseisissä kohteissa saadaan silloin, kun tapahtumat televisioidaan ja halutaan käyttää suurnopeuskameroita hidastuksia varten. Koska plasmavalaisimen valo ei värähtele niin kuin suurpainenatriumvalaisimen valo, ei hidastuksissa ole havaittavissa eri sävyisinä harmaina esiintyviä värivaihteluita. Tie- ja katuvalaistuksessa plasmavalaisimen hyödyt saavutetaan korvattaessa 250 W tai sitä suurempitehoisia suurpainenatriumvalaisimia, koska plasmavalaisimen hyötysuhde kasvaa lampun tehon kasvaessa /19/. Värilämpötilan ja värintoiston paremmat ominaisuudet kääntyvät myös tässä vertailussa plasmavalaisimen hyödyksi (taulukko 2, sivu 24).
27 Kasvihuonevalotuksessa suurpainenatriumvalaisin ei ole korvattavissa plasmavalaisimella verrattain alhaisemman fotosynteettisen fotonivuon takia (taulukko 2, sivu 24). Vaikkakin plasmavalaisin omaa hyvin laajan valon spektrijakauman, sillä ei saavuteta sadon massamäärän kannalta merkittävää hyötyä kasvihuoneviljelyssä. Lisävalona käytettäessä suurpainevalaisimen rinnalla plasmavalaisimella voidaan korvata suurpainenatriumvalaisimen sinisen valon puutteet valon spektrijakaumassa (kuva 21, sivu 27). 4.3.2 Monimetallivalaisimet Plasmavalaisimen suurin hyöty tulee esiin monimetallivalaisimien korvaajana. Osa valmistajista markkinoi plasmavalaisinta juuri monimetallivalaisimen korvaajana johtuen sen paremmasta energiatehokkuudesta ja pidemmästä elinkaaresta /19; 33/. Hajavalon kontrollointi polttimon pienen koon vuoksi on vaivattomampaa purkausvalaisimiin nähden (kuva 22). Kuva 22. Topanga APL:n vertailu monimetallivalaisimeen. Kuva korostaa plasmavalaisimen etua hajavalon kontrolloinnissa /33/.
28 Plasmavalaisimella voidaan korvata monimetallivalaisin 250 watin teholuokasta ylöspäin. Pienempitehoisten monimetallivalaisinten korvaaminen tällä hetkellä ei ole mahdollista, koska markkinoilla ei ole alle 250 watin korvaavia tuotteita. Tämä rajoittaa varsinkin tie- ja katuvalaistuksessa käytettyjen valaisimien korvaamista plasmavalaisimilla, koska mm. Ruotsissa yleisin teholuokka kanta- ja valtateillä on 150 W /28/. Ensisijaiset hyödyt monimetallilampun korvaamisessa saavutetaan ulko- ja julkisivuvalaistuksessa sekä stadionvalaistuksen toteutuksessa. Ulkoalueiden monimetallivalaisimien korvaajana, varsinkin satama-alueiden valaistuksessa, plasmavalaisin on edukseen. Aiemmin jo mainittu plasmavalaisimien hyötysuhteen kasvu tehon kasvaessa pääsee oikeuksiinsa satama-alueiden korkeissa mastoissa. Sama pätee myös stadionvalaistuksessa käytettyjen, korkeissa mastoissa olevien monimetallivalaisimien korvaamisessa. Näilläkin osa-alueilla plasmavalaisimen värintoistolliset ominaisuudet menevät monimetallivalaisimien edelle. Kasvihuonevalotuksessa monimetallilamppua käytetään suurpainevalaisimen rinnalla korvaamaan suurpainenatriumvalaisimen sinisen valon spektrijakauman puutteet /11/. Kuvassa 23 on esitettty uuden sukupolven keraamisen monimetallilampun valon spektrijakauma, joka edeltäjiinsä verrattuna kattaa kasveille näkyvän valon alueen (kuva 5, sivu 11) kokonaan ja onkin suunniteltu kasvivalotukseen lisävaloksi /11/. Monimetallilampun (kuva 23, sivu 30) ja plasmavalaisimen spektrijakaumaa (kuva 13, sivu 21) verrattaessa voidaan huomata kyseisen monimetallilampun valon spektrijakauman keskittyvän kasvien käyttämille 400-700 nanometrin aallonpituuksille toisin kuin plasmavalaisin, joka jäljentelee auringon valoa.
29 Kuva 23. Philips GreenPower CMH 315W monimetallilampun spektrijakauma /2/. 4.3.3 LED-Valaisimet Plasmavalaisimia LED-valaisimiin verrattaessa on todettava, kuten jo aiemmin, ettei plasmavalaisin sovellu korvaamaan pienitehoisia valaisimia. Plasmavalaisin ei myöskään pysty kilpailemaan ominaisuuksissa LED-valaisimen kanssa juurikaan muulla osaalueella kuin värintoisto-ominaisuuksissa ja valovirran määrässä tehoon suhteutettuna. Ulko- ja julkisivuvalaistuksessa plasmavalaisimen hyödyt verrattuna LED-valaisimeen ovat kohdekohtaisia. Mikäli halutaan ainoastaan valaista laajoja pinta-aloja tai tuoda esiin rakennuksen värimaailma, silloin plasmavalaisin on käyttötarkoitukseen sopiva. Mikäli taas halutaan valon värin vaihtuvan ja sitä kautta korostavan kohteen arkkitehtuurista ilmettä, ovat LED-valaisimet ylivoimaisia. Tähän käyttöön tarkoitetut plasmavalaisimet ovat teholuokaltaan vähintään 135 wattia. Kiyseisestä teholuokasta ei löydy markkinoilta tällähetkellä enää poikkeuksellista värintoistoa tarjoavaa plasmavalaisinta/33/. Yleisötapahtumien valaistuksien ja stadionvalaistuksien toteuttamisessa plasmavalaisin voi osoittautua huomattavasti käytännöllisemmäksi kokonsa puolesta, verrattuna saman valotehon omaaviin valaisimiin. Etuna on myös mahdollinen valon suuntaaminen ja kohdentaminen tietylle alueelle. Plasmavalaisimia löytyy esimerkiksi projektorimallisena, joka mahdollistaa kapean valokeilan aikaansaamisen. Kuvassa 24on esitetty Luximin laatima vertailu, kuinka yksi plasmapolttimo vastaa 150 LEDiä.
30 Kuva 24. Plasmavalaisimen vertailua LED-valaisimeen valovirran tuoton mukaan /19/. Tie- ja katuvalaistuskäytössä plasmavalaisimet eivät saavuta valonlähdeominaisuuksillaan LED-valaisimiin nähden hyötyjä. Tosin moottoriteillä voidaan korkean valovirran ansiosta päästä kustannuksissa alhaisempaan lopputulokseen, koska pylväsvälit voidaan mitoittaa harvemmaksi kuin LED-valaisimien kanssa. Tämä kustannussäästö tulee pylvään asennus- ja materiaalikustannuksista sekä vähäisemmän valaisinmäärän vuoksi. Katuvalaistusta saneerattaessa plasmavalaisimella voidaan saavuttaa huomattaviakin kustannussäästöjä. Esimerkiksi, mikäli saneerattavan tieosion nykyinen valaistus on toteutettu 250 W suurpainenatriumvalaisimin, pystytään ne korvaamaan 135 W plasmavalaisimilla ja hyödyntämään samoja pylväitä. Näin tehtynä saavutetaan 46 % säästö energian kulutuksessa ja asennuskustannukset rajautuvat valaisimen vaihtoon. Kyseisen saneerauksen toteuttaminen LED-valaisimilla voi osoittautua hyvinkin haastelliseksi. Kuvasta 25 nähdään, kuinka LED-valaisimien suhteellisen suuri koko ja vähäinen lämpöhukka voi aiheuttaa ongelmia katuvalaistuksessa talviaikaan.
31 Kuva 25. Ruotsissa katuvalaistuksessa koekäytössä ilmenneet LED-valaisimien ongelmat lumen kanssa /28/. Kasvihuonevalotuksessa LED-valaisimet omaavat selvän edun alhaisemman käyttölämpötilan ansiosta, mikä mahdollistaa valonlähteen asentamisen lähemmäksi kasveja ja näin ollen tarjoaa laajemmat mahdollisuudet lisävalona käyttämiselle. Vertailtaessa fotosynteettisen fotonivuon arvoja (kuva 19) näiden valaisimien kesken, omaa plasmavalaisin pienoisen edun. Huomioimisen arvoista on kuitenkin LED-valaisimen RGBtekniikan avulla täysin säädettävissä oleva spektrijakauma /15/, joka monipuolistaa valaisimen käyttömahdollisuudet kasvivalotuksessa. Kasvihuonevalotuksessa on muistettava, että kasvatettava kasvi ja valaisimen käyttötarkoitus määrittelevät lopullisen valon tarpeen (taulukko 1, sivu 17). 4.3.4 Loisteputket Plasmavalaisimen ominaisuuksia loisteputkiin vertailtaessa on syytä keskittyä valaisimien hyötysuhteisiin ja valon spektriin, koska on vaikea löytää käyttökohteita, jossa plasmavalaisimella voitaisiin korvata esimerkiksi yksittäinen loisteputkivalaisin. Kuvassa 26 on esitetty tyypillisen viileän valkoisen loisteputken spektrijakauma. Tässä osiossa keskitytäänkin vertailtavuuden vuoksi halleihin ja suuriin työskentelytiloihin, joissa vaaditaan korkeata valontuottoa ja erinomaista värintoistoa. Tällaisissa kohteissa plasmavalaisin on varteen otettava vaihtoehto hyvän valovirran hyötysuhteen (taulukko 2, sivu 24 ja kuva 18, sivu 25) ja värintoisto-ominaisuuksien mahdollisuuksien ansiosta. Optimitilanne, jossa plasmavalaisimen hyödyt tulevat esiin, on tilanne, missä suuri
32 työskentelytila halutaan muuttaa tarkkuutta vaativaksi työskentelytilaksi ja sen vuoksi nostaa valaistustasoa ja parantaa tilan värintoistollisia ominaisuuksia. Loisteputken eduksi voidaan laskea laajempi mahdollisuus valmistusvaiheessa vaikuttaa valon spektrijakaumaan ja täten tuotettavaan valon väriin ja laatuun. Kyseinen mahdollisuus on huomattavasti rajallisempi plasmavalonlähteissä. Toisena merkittävänä etuna on valmistajien määrä, joka on huomattavasti suurempi loisteputkilampuilla. Täten myös tuotantokustannukset ovat pienempiä. Kuva 26. Viileän valkoisen (5000 K) loisteputken valon spektrijakauma /2/. 4.4 Plasmavalaisinten valmistajat Tässä osiossa on esitelty valmistajat, jotka ovat tällä hetkellä ainoita plasmavalaisinten koneistojen valmistajia maailmassa. Osiossa esitetään myös lyhyesti valmistajien toimialaa ja tuotteita. Yritys: Ceravision Ltd Perustettu: 1998 Toimimaa: Iso-Britannia, Bletchley Park Tuotteet: HEP-Syväsäteilijät, HEP-valonheittimet, studiovalot, valaistuksen ohjausjärjestelmät. Tuotanto: Valaisinsuunnittelu ja tuotanto, ohjauslaitteet, UVteknologian T&K, plasmavalojen T&K ja myynti Tehoalue: 250 W 5 kw http://www.ceravision.com
33 Yritys: Luxim Perustettu: 2000 Toimimaa: USA, San Jose Tuotteet: LiFi- ja LEP-valaisimet ja koneistot Tuotanto: Valaisinsuunnittelu ja tuotanto, plasmavalojen T&K ja myynti Tehoalue: 135 W 500 W http://www.luxim.com Yritys: Topanga Perustettu: 2005 Toimimaa: USA, Los Angeles Tuotteet: APL-koneistot Tuotanto: Plasmavalojen T&K ja myynti Tehoalue: 135 W 470 W http://topangatech.com
34 5 KÄYTTÖMAHDOLLISUUDET Seuraavissa osioissa käsitellään yleisesti ottaen plasmavalon käyttömahdollisuuksia eri alakategorioissa. Päätelmät perustuvat valmistajilta saatuihin tietoihin valon ominaisuuksista. Käyttökokemuksien osalta kokemukset on rajattu tie- ja katuvalaistukseen, koska muiden osioiden käyttökokemuksista saadut tiedot olivat pelkästään valmistajien antamia tietoja, eivät käyttäjiltä saatuja. 5.1 Ulko- ja julkisivuvalaistus Ulkovalaistuskohteisiin plasmavalon ominaisuudet sopivat hyvin hyvän värintoiston, värilämpötilan ja suhteellisen korkean valovirran ansiosta. Kohteista saadaan näyttäviä ja luonnollisen näköisiä, jotka korostavat visuaalista ilmettä (kuva 27, 28 ja 30). Näiltä osin plasmavalo täyttääkin ulkovalaistuksessa tarvittavat tärkeimmät ominaisuudet. Ulkovalaistuksen toteutuksessa plasmavalaisimilla on syytä muistaa, ettei plasmavalo sovellu mataliin pylväisiin suurten teholuokkien takia. Bright Light Systems valaisinvalmistaja suosittelee plasmavalaisinta 7,5 m ylöspäin oleviin pylväisiin /3/. Kuvassa 29 nähdään Bright Light Systemsin plasmavalaisimilla toteutettu satamavalaistus. Kuvia 27, 28, 29 ja 30 tarkasteltaessa on muistettava, ettei tiedossa ole onko kuvia käsitelty. Kuvat on otettu Luximin ja Topangan kotisivujen kuvagallerioista. Kuva 27. Golden Globe tilaisuuden sisääntulon valaistus /19/.
35 Kuva 28. Kroatiassa oleva valaistuskohde. Vasemmassa kuvassa oikealla oleva valaisin illalla /19/. Kuva 29. Satamavalaistus toteutettuna plasmavalaisimilla Oaklandissa. Taustalla on nähtävissä vanha suurpainenatriumvalaisimin toteutettu valaistus /19/. Kuva 30. APL-valoin toteuttu huoltoaseman ulkovalaistus /33/.
36 5.2 Urheilu- ja yleisötapahtumien stadionvalaistus Suurin plasmavalon hyöty stadionvalaistuksessa on valon yhtäjaksoisuus, joka tulee esiin urheilutapahtumia televisioitaeessa ja käytettäessä hidastuksia. Valon värilämpötilan ja värintoisto-ominaisuuksien puolesta ei ole myöskään estettä käyttää plasmavaloa stadionvalaistuksessa. Myös plasmavalon valotehokkuuden ansiosta se soveltuu valonlähteeksi näihin kohteisiin. Ilman todellisia pitkäaikaisia käyttäjäkokemuksia ei voida kuitenkaan tehdä johtopäätöksiä sen hyödyistä ja eduista verrattuna muihin valonlähteisiin. Esimerkiksi kuvassa 31 on esitetty plasmavalaisimin toteutettu koripallohallin valaistus, mutta valmistaja ei ole ilmoittanut aikaisempaa valaistusratkaisua, eikä myöskään käyttäjien tyytyväisyyttä uuteen valaistusratkaisuun /19/. Kuva 31. Koripallohallin valaistus plasmavalaisimin Kiinassa /19/. 5.3 Tie- ja katuvalaistus Soveltuvuus tie- tai katuvalaistukseen vaatii huomattavasti enemmän tutkimuksia ja testauksia mitä tätä työtä tehdessä on ollut käytössä. Esimerkiksi Suomessa katuvalaisimille asetetut vaatimukset ovat hyvin tiukkoja ja niiden rakenteelle vaaditaan 30 vuoden kestävyyttä. Tämä on todistettava joko ikääntymistesteillä tai käyttökokemuksilla /32/. Valmistajien ilmoittamien valonlähteen ominaisuuksien kannalta ei ole estettä käyttää plasmavaloa tie- tai katuvalaistuksessa. Plasmavalaisimen käyttökohteista voidaan rajata pois kaikki kohteet, joissa voitaisiin käyttää alle 250W suurpainenatrium- tai moni-
37 metallivalaisinta katuvalaistuksen toteutuksessa, koska alle tuon teholuokan korvaavia plasmavalaisimia ei ole markkinoilla /19; 33/. Yhdeksi mahdollisuudeksi tie- ja katuvalaistuksessa voidaan mainita plasmavalaisimen polttimon pieni koko, joka mahdollistaa kompaktien katuvalaisimien suunnittelun ja täten voi tuoda hyötyä valaisimen materiaalikustannuksissa sekä valon kontrolloinnissa. Alla olevissa kuvissa 32 ja33 on esitettynä katuvalaistuskokeilu Pohjois-Ruotsissa. Kuva 32. Katuvalaistuskokeilu erilaisilla uusilla plasmavalonlähteillä Pohjois-Ruotsin Kalixissa /28/. Kuva 33. Vasemmalla kuva katuvalaistuskokeilusta uusilla valonlähteillä Pohjois- Ruotsissa Kalixissa. Oikealla esitettynä katuvalaistuskokeilussa käytössä ollut Stray Lightsin katuvalaisin, joka käyttää Luximin koneistoa ja polttimoa STA-41, 280W /28/.
38 5.3.1 Käyttökokemuksia tie- ja katuvalaistuksessa Seuraavat käyttökokemukset pohjautuvat Ruotsin liikenneviraston Pohjois-Ruotsin tieverkoston valaistuksesta vastaavalta Stefan Ericssonilta saatuihin tietoihin Pohjois- Ruotsissa olevasta katuvalaistuskokeilusta (kuva 32 ja 33. Tässä kokeilussa testattiin uusien valonlähteiden käyttömahdollisuuksia tie- ja katuvalaistuksessa 2011. Seuraavaksi esitettynä Stefan Ericssonin sähköpostihaastattelu 1.9.2014 /28/. Onko ollut ongelmia valaisimen, valonlähteen tai elektronisten osien kanssa? Kyllä, valitettavasti liian paljon. Malli ja brändi jota testasimme ei soveltunut tähän käyttötarkoitukseen, elektroniset osat eivät kestäneet kovin kauan. Uskotko plasmavalon soveltuvan Skandinavian pohjoisiin tai muihin osiin? En, nykypäivänä kukaan ei voi vastustaa LED-valaisimia. Kaikki valmistajat panostavat niiden kehitykseen. Oletko tyytyväinen valon väriin ja muihin ominaisuuksiin? En, väri näytti hieman vihreältä ja energiankulutus oli liian korkea. Onko teillä aikomusta käyttää tulevaisuudessa plasmavalaisimia tie- tai katuvalaistuksessa? Ei tämän hetken tuotteilla, mutta koskaan ei voi sanoa ei, ei pidä poissulkea mahdollisuuksia. Mikä on yleisin katuvalaistuksessa käytetty valaisin Ruotsissa? Suomessa se on 150 HPS? Sama Ruotsissa, mutta alle 100W LED- valaisimet ja 35-70W CDO monimetallivalaisimet ovat tulossa vahvasti. Pitäisikö olla plasmavalaisin joka korvaisi 150W HPS valaisimen? Ei meidän käyttöön. Oliko ongelmia pakkasten tai lumen kanssa? Ei ollut ongelmia säiden tai ympäristön lämpötilan kanssa.
39 Näin Trafikverketin kotisivuilta, että aiotte käyttää LG:n rikkiplasmavalaisimia jossain katuvalaistuskokeilussa. Mitkä ovat teidän kokemuksenne niistä? LG lupasi toimittaa 125W plasmavalaisimen katuvalaistuskäyttöön. Odotamme vieläkin Haastattelun perusteella voidaan todeta, ettei kyseinen plasmavalaisin soveltunut tie- ja katuvalaistuskäyttöön. Lisäksi valon väri ei ollut luvatun kaltainen ja luotettavuus heikko. 5.4 Kasvihuonevalotus Kasvihuonevalotuksessa plasmavalo ei sovellu kasvihuoneviljelyyn ainoa valonlähteenä sen alhaisen fotosynteettisen fotonivuon vuoksi (taulukko 2). Plasmavaloa voidaan kuitenkin käyttää kasvatukseen kasveilla, jotka eivät tarvitse korkeata fotonivirtaa. Lisävalona plasmavalo voi täyttää vaadittavat ominaisuudet sen laajan säteilyspektrin ansiosta /10; 31/. Hyödyllisyyttä edellä mainituissa vaihtoehdoissa on vaikea todeta, koska pidempiaikaiset kokemukset puuttuvat. Alla olevassa kuvassa esitettynä plasmavalaisimin toteutettu lisävalotus kasvihuoneessa. Kuva 34. Kasvihuoneen lisävalotus päivänvalon rinnalla toteutettuna plasmavalaisimilla /19/.
40 6 Plasmavalaisimien SWOT-analyysi Alla olevassa SWOT-analyysissa on esitettynä plasmavalaisimen vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhat. Tiedot on kasattu pääosin valmistajilta saaduista tiedoista. Joitain osioita on täydennetty käyttökokemuksien perusteella. Strenghts Vahvuudet Weaknesses Heikkoudet - Pitkä polttoikä, 50000 h - Vähäinen määrä valmistajia - Himmennettävyys 20-100 % - Vähäinen määrä käyttökokemuksia - Pieni valonlähde - Hyvä värintoisto - Elektronisten osien kestävyys - Ei tarpeeksi käyttökokemuksia todelli- - Luonnonvalon mukainen värilämpötila - Energiatehokkuus - Hyvä valovirran hyötysuhde - Laaja valon spektri sesta polttoiästä - Polttimon asennon vaikutus polttoikään Opportunities Mahdollisuudet Threats Uhat - Valonlähteen suuntaus helppoa - Elektronisten osien kestävyys - Tekniikan kehittyessä voi korvata nykyistä laajemmin valonlähteitä - Kiusahäikäisy - Mahdollisuus parantaa havaitsemista - Mahdollisuus aiheuttaa harmonisia katuvalaistuksessa yliaaltoja - Kehittyessään mahdollisuus korvata - Mahdollisuus aiheuttaa häiriöitä radioaaltojen vuoksi perinteiset suuritehoiset valonlähteet - Voi tarjota hyvin korkean valovirran hyötysuhteen SWOT-analyysista voidaan havaita, että plasmavalo tarjoaa mahdollisuuksia ja vahvuuksia hyvin, mutta heikkoudet ja uhat ovat tässä kehityksen vaiheessa vielä liian laajat, jotta plasmavaloa voitaisiin suositella vakuuttavasti.