LED Aydınlatma Teknolojisi ve Tarımda Kullanımı

Transkript

1 LED Aydınlatma Teknolojisi ve Tarımda Kullanımı Caner KOÇ 1, Mustafa VATANDAŞ 1, Ali Bülent KOÇ 2 1 Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Ankara 2 University of Missouri Agricultural Systems Management, Missouri, USA ckoc@agri.ankara.edu.tr Özet: Işık enerjisi tarımsal üretimin en önemli girdilerinden birisidir. Güneşten gelen enerjiye destek olmak amacıyla kullanılan yapay ışık kaynakları, fotobiyolojik olayların oluşumunu desteklemektedirler. Yapay aydınlatmada kullanılan ışık kaynaklarının canlıların gereksinimlerine uygun, emniyetli, çevreci ve düşük enerji gereksinimine sahip olmaları çok büyük önem taşımaktadır. LED tipi ışık kaynakları, son yıllarda kullanımı gittikçe yaygınlaşan yapay aydınlatma araçlarıdır. Bu çalışmada, LED tipi ışık kaynaklarının teknolojik özellikleri incelenmiş, bitkisel ve hayvansal üretim yönünden sahip oldukları özellikler üzerinde durulmuştur. Anahtar kelimeler: Tarımsal aydınlatma, LED yetiştirme ışığı, PAR LED Lighting Technology and Using in Agriculture Abstract: Light energy is one of the most important inputs of agricultural production. Artificial light sources in addition to the light from the sun supports the occurrance of photobiologic activities. It is important for the artificial light sources to satisfy the needs of living things, to be safe and environmentally friendly and to consume low energy. LEDs are artificial illumination sources and their applications have been increased. The technological properties of LED sources are studied and their effects on agricultural and animal production systems are disscussed in this paper. Keywords: Agricultural lighting, LED growth light, PAR GİRİŞ Işık parçacık (foton, kuantum) karakterli elektromanyetik dalga şeklinde bir enerjidir. Bir kaynaktan çıkan ışığı oluşturan elektromanyetik dalgalar, sinüzoidal hareketle ve sabit hızda yayılım göstermektedir. Yayılım hızının, sinüzoidal hareketin frekansına oranı; dalga boyu olarak adlandırılmaktadır. Dalga boyuna göre yapılan sınıflandırmada, nm aralığındaki bölüm; insan gözü tarafından algılanabildiği için görünür ışık bölgesi olarak nitelendirilmiştir (Bern and Olson, 2002). İnsanların ve hayvanların yaşamla olan temel bağı, ışık enerjisini kullanarak fotosentez olayını gerçekleştiren bitkiler aracılığıyla kurulmaktadır. Bu nedenle ışık; insan ve diğer canlıların hayatında her zaman çok önemli bir yer tutmuştur. En büyük ışık kaynağı olan güneşin battığı ya da ışınlarının daha az geldiği zamanlarda yapay aydınlatma gündeme gelmiş, bu amaçla teknolojiler geliştirilmiştir. LED tipi aydınlatma araçları da amaca dönük olarak yapılan teknoloji geliştirme çalışmalarının bir ürünüdür. LED terimi bir kısaltma olup, İngilizce deki karşılığı Light Emitting Diode şeklindedir. Bu terim Türkçe ye Işık Yayan Diyot ya da Işıklı Diyot şeklinde çevrilebilmekteyse de, LED kısaltması daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu aygıt diyot adı verilen elektronik devre elemanının özelliklerini göstermekle birlikte; ışık verebilme özelliğine de sahiptir. LED lerin son yıllarda bir aydınlatma aracı olarak kullanılması, bunların nisbeten daha büyük güçlü olanlarının (1 W ve daha büyük) yapımıyla mümkün hale gelmiştir. Bu tip LED lere güç LED i (Power LED) adı verilmiştir. Güç LED leri bazı özel lamba tasarımları şeklinde tarımsal aydınlatma uygulamalarında kullanılmaya başlanmış ve bitki yetiştirme amaçlı tasarlanan yapay ışıklara LED yetiştirme ışığı (LED growth light) denilmiştir. Günümüzde LED yetiştirme ışığı verebilecek şekilde ticari lamba üretimi mevcut olup, son yıllarda hızlı bir gelişme göstermektedir. Klasik bir LED in çalışma ilkesi, yarıiletken malzemeden yapılmış P-N bölgeleri arasındaki geçişin, 153

2 enerji uygulanmasıyla oluşan elektron akımının N bölgesi ile P bölgesi arasında görünür ışıma oluşturmasına dayanmaktadır. Bu sırada oluşan ışık P bölgesi üzerinden ortama yayılırken, enerjinin çok büyük bir kısmı ise ısıya dönüşmektedir (Şekil 1). olabilmektedir. LED ışık kaynaklarının ışıksal etkinlik değerleri lm/w aralığında değişebilirken, ömürleri en az h düzeyinde olabilmektedir. Çizelge 1 de diğer bazı yapay ışık kaynaklarının renksel geri verim (Color Rendering Index, CRI), güç, ışıksal etkinlik ve ömür değerleri verilmiştir. Şekil 1. Bir LED in basitleştirilmiş ilke şeması (Schreiber, 1985). Ancak LED, diğer yapay aydınlatma araçlarına kıyasla çok düşük güçlü bir aygıt olduğundan, oluşan bu ısı hissedilir bir etki yaratmamaktadır. Buna karşın, güç LED lerinde oluşan ısının bazı önlemlerle uzaklaştırılması gerekli olabilmektedir. Açığa çıkan ışığın dalga boyu ise LED yapımında kullanılan yarı iletken malzemenin katkılanmasıyla ilgilidir. Bu şekilde belirli merkezi değerlere sahip dalga boylarında (renklerde) LED üretimi mümkün olabilmektedir (Şekil 2). Çizelge 1. Bazı ışık kaynaklarının teknik özellikleri (Anonymous, 2005). Lamba Cinsi CRI Güç (W) Işıksal Etkinlik Tipik Lamba Ömrü (h) (lm/w) Akkor telli Halojen Fluorışıl Kompakt fluorışıl Metal halide Yüksek basınçlı sodyum Işık kaynakları için kullanılan renksel geri verim (Color Rendering Index, CRI) parametresi, ışık kaynağından alınan ışığın kalitesini göstermektedir. Ofislerin yanı sıra bitki yetiştirme, hayvan besleme ve sağım gibi faaliyetlerin yapıldığı ortamlar için söz konusu olan aydınlatma uygulamalarında CRI>80 olması gerektiği bildirilmektedir (Anonymous, 2005). LED lambalar için söz konusu değer ise CRI>80 düzeyindedir. Şekil 2. Aydınlatmada kullanılan bazı LED lambalar. Led Aydınlatma Araçlarının Teknik Özellikleri Aydınlatma amacıyla kullanılan güç LED leri oldukça yüksek değerlere çıkabilen ışıksal etkinlik (lm/w) değerleriyle sera ve hayvan barınakları için oldukça büyük avantajlar sunabilmektedirler. Yetiştiricilikte kullanmak üzere tasarlanmış ticari LED lambaların güçleri 7 W dan 300 W a kadar Tarımsal Aydınlatmada Led lerden Yararlanma Olanakları LED ışık kaynaklarının morötesinden (UV) kızılötesine (IR) kadar uzanan ve görünür ışık bölgesini de kapsayan geniş bir aralıkta üretimi söz konusu olabilmektedir. Bu durum araştırmacılar için oldukça iyi olanaklar sunmaktadır. Özellikle son yıllarda büyük bir artış gösteren araştırma çalışmaları, görünür ve morötesi LED tabanlı imaj elde etme çalışmalarından, LED ışığıyla gerçekleştirilen büyüme düzenleyicilere kadar değişim göstermektedir (Jao and Fang, 2003;, Kondo et al, 2008; Lawrance et al, 2005; Miyashita et al, 1995; Shimizu et al, 2005). Ayrıca alg gibi fotosentetik organizmaların kullanıldığı enerji tarımı uygulamalarında, kontrollu koşullarda üretim amacıyla geliştirme çalışmaları devam eden fotobiyoreaktörlerde; LED ışık kaynaklarının kullanımı 154

3 konusunda da araştırmalar devam etmektedir (Yılmaz, 2006;, Kommareddy and Anderson, 2003). Bitkisel üretimde yapay ışık kaynakların kullanımı güneş ışığına destek amacına dönük olup, bitkide güneş ışığına karşı oluşan cevabı teşvik etmek (tetiklemek) şeklindedir. Güneş ışığı olmaksızın tamamen yapay aydınlatmaya dayalı uygulamalar bitki yetiştirme kabinleri veya dolaplarında söz konusu olabilmektedir. Bu tip ortamlar ışıkla birlikte diğer tüm çevresel etmenlerin de kontrol altında tutulduğu, özel amaçlı tohumluk ya da bitki üretiminin yapıldığı yerlerdir. Bitki-ışık ilişkisinin ortaya konulmasında temel olarak üç olay öne çıkmaktadır. Bunlar fotosentez, fotomorfogenesis ve fotoperiyodizm şeklindedir. Fotosentez su, CO 2 ve ışık bileşenlerine dayalı olarak karbonhidrat ve oksijenin üretildiği bir süreçtir. Fotosentezde klorofil esas olarak mavi ve kırmızı ışığı absorbe etmekte, yeşil ışığın büyük bölümünü geçirmekte ya da yansıtmaktadır. Bu yönüyle değerlendirildiği zaman enerjinin kullanışlılığı açısından en yararlı ışınlar kırmızı ışınlar olmaktadır. Ancak şunu da belirtmek gerekir ki, kısa dalga boyundaki ışığın parçacıklarının taşıdığı enerji, uzun dalga boyundaki ışığın parçacıklarının taşıdığı enerjiye oranla daha fazladır (Yağcıoğlu, 1986). Fotomorfogenesis kavramı ışığın biçim üzerindeki etkisini tanımlamaktadır. Bu yönüyle ışık, bitkinin tüm gelişim evrelerini kontrol etmektedir. Bunlar arasında tohumun çimlenmesi, gövde ve yaprakların oluşumu ve klorofil oluşumu sayılabilmektedir (Yağcıoğlu, 1986). Fotoperiyodizm ise bitkilerin ışıklanma süresi karşısında gösterdikleri tepkiyi ifade etmektedir. Hemen tüm bitkilerde günlük veya mevsimlik ışıklanma süresine bağlı olarak çeşitli biyolojik tepkiler oluşmaktadır. Bunlar arasında tomurcuklanma, çiçeklenme, yaprak ve meyve oluşumu, sararma, yaprak dökme vb sayılabilmektedir (Yağcıoğlu, 1986). Bitkisel üretimde LED tipi aydınlatma araçlarının kullanımından önce çeşitli yapay aydınlatma araçları kullanılmıştır. Bunların bir kısmı yüksek yoğunluklu boşalmalı ya da fluorışıl lamba tipinde olabilirken, bir kısmı da akkor telli lambalara destek olarak kullanılan ve geniş bantta (mavi, kırmızı ve uzak kırmızı) enerji sağlayan lambalardır (McFate, 1989 ). Bitkilerin fotosentez karakteristiği yapay aydınlatma kaynaklarının kullanımı konusunda çok önemli ipuçları vermektedir. Bu karakteristikten yararlanarak hangi dalga boyu aralığında ne tür bir ışık kaynağının kullanılması gerektiği anlaşılabilmektedir. Şekil 3 de verilen grafikte fotosentez karakteristik eğrisiyle beraber altı farklı yapay ışık kaynağına ait eğriler görülmektedir. Bunlardan soğuk beyaz renkli fluorışıl lamba ile akkor telli lambaya ait olanların yanı sıra mavi, kırmızı, günışığı ve uzak kırmızı renkli LED lerin eğrileri de gösterilmiştir. Şekil 3 teki eğrilerin incelenmesi, mavi, kırmızı ve uzak kırmızı ışık veren LED lerin fotosentez karakteristiğinin ilgili dalga boylarındaki enerjiyi karşılamak için uygun olduğunu göstermektedir. Gerçekten de klorofil sentezi 445 ve 650 nm dalga boylarında maksimum noktalar göstermekte, nm lik dalga boyu aralığında ise azalarak % 20 ve daha altındaki oranlara düşmektedir (McFate 1989). Diğer yandan günışığına destek olmak ya da bitki kabini gibi kapalı ortamlar için kullanılması mümkün olan günışığı tayfına sahip LED in, fotosentez karakteristiğiyle uyumlu bir karakteristiğe sahip olduğu görülmektedir. Ticari seralarda günışığını bütünleyici aydınlatmada fotosentetik aktif ışınım (Photosynthetically Active Radiation, PAR) düzeyinin µmol.m -2.s -1 arasında olması gerektiği bildirilmektedir (Anonymous 2005). Diğer yandan sera aydınlatılmasında, asimilasyonla üretilen madde miktarının solunumla tüketilen miktara eşit olan noktanın olumlu yönde aşılması zorunlu görülmektedir (Yavuzcan, 1990). 155

4 Şekil 3. Bitkilerin fotosentez karakteristiği ile bazı yapay ışık kaynaklarının enerji tayfının karşılaştırılması (McFate 1989 dan yararlanılmıştır). LED tipi aydınlatma sistemlerinin tasarımında bitkilerin PAR gereksinimi önemli bir parametredir. Bitki çeşidi, miktarı, yetiştirme evresi ve ortamın özelliklerine göre belirlenecek LED ışık kaynakları genellikle mavi renk için 10 µmol.s -1 (14 W lamba gücünde), kırmızı renk için 10 µmol.s -1 (10 W lamba gücünde) ve uzak kırmızı için ise 6 µmol.s -1 (10 W lamba gücünde) foton akısı sağlayabilmektedir. Örneğin 1 m 2 için 30 µmol.s -1 kırmızı ve 20 µmol.s -1 mavi ışık gereksinimi olduğunda, 3 adet kırmızı ve 2 adet mavi ışık veren LED lamba kullanılmalıdır. Bu sistemin güç gereksinimi 3*10+2*14=58 W düzeyinde olmaktadır. Yapay aydınlatma uygulamaları kanatlı yetiştiriciliğinden su ürünleri yetiştiriciliğine kadar hemen tüm hayvansal üretim alanlarında söz konusu olabilmektedir. Işıkla sağlanan çevresel parametre değişimleri veya metabolik etkilerle hayvanlarda farklı davranış, yem tüketimi, canlı ağırlık artışı vb etkiler söz konusu olabilmektedir. LED tipi ışık kaynakları, bu tipkanatlı yetiştiricilik uygulamalarında kullanılabilecek özellikler göstermektedir. Bayraktar ve Altan (2005), çalışmalarında ışık dalga boyunun etlik piliç performansına etkilerinin araştırıldığı bir çalışma da yapay ışık kaynağı olarak akkor telli lamba, çeşitli renklerde fluorışıl lambalar, mavi LED (470 nm) ve yeşil LED (570 nm) kullanılmıştır. Sonuçlar mavi fluorışıl lamba dışındaki tüm ışık gruplarının akkor telli lamba grubundan daha yüksek canlı ağırlık ve canlı ağırlık artışı gösterdiğini ortaya koyulmuştur. Ayrıca etlik piliç yetiştiriciliğinde tek renk aydınlatmanın başarıyla uygulanabileceği ve LED lambaların kümeslerin aydınlatılmasında kullanılabilecek yeni ve cazip bir alternatif olduğu vurgulanmıştır. (Bayraktar ve Altan, 2005) SONUÇ LED tipi aydınlatma araçları sağladıkları çeşitli avantajlar nedeniyle, tarımsal aydınlatma uygulamaları için önemli bir alternatif oluşturabilme potansiyeline sahiptir. Bu sistemlerin yaygınlaşmasıyla birlikte daha uygun maliyetli çözümler elde edilebilecektir. Genel ve tarımsal amaçlı kullanılan LED lambaların diğer lambalarla kıyaslamalı kullanım özellikleri konusunda şu değerlendirmeler yapılabilmektedir: 1. LED lambalarda ışık üretimi katı maddeden (solid state) yapıldığından, daha yüksek ışıksal etkinlik değerleriyle diğer ışık kaynaklarına kıyasla daha düşük enerji tüketimine sahip olabilmektedirler. Bu durum işletme giderleri yönünden önemli bir avantaj oluşturmaktadırabilmektedir. 2. LED ışık kaynakları yarı iletken malzemeden yapıldıklarından, diğer tüm lambalara kıyasla çok daha uzun ömürlüdürler. 156

5 3. Uygun dalga boyu karakteristikleri canlının gereksinimine göre uygulama yapma olanağı sağlayabilmektedir. Diğer yandan uygun düzenlemelerle LED lamba ışınımının tamamına yakını canlı tarafından kullanılabilmektedir. Bu durum canlıda meydana gelmesi olası ışık stresini azaltabilmektedir. Düşük ışık stresi, daha uzun süreli yapay aydınlatma yapabilme olanağı sağlayabilmektedir. 4. LED tipi aydınlatma sistemlerinin ilk kurulum maliyeti akkor telli, fluorışıl ve sodyum buharlı lambalara göre (bugün için) yüksektir. Ancak LED lambalar için ilave balast ve yansıtaç kullanımı gerekmemektedir. İlave balast kullanılmadığından LED tipi lamba devrelerinde ek bir güç kaybı ortaya çıkmamaktadır. LED tipi ışık kaynaklarının sabit akım verebilen düşük gerilimli DC bir kaynakla beslenmesi gereklidir. Sabit akımlı besleme LED tipi lambanın aşırı ısınmasını engellemekte ve lamba ömrünü uzatabilmektedir (Erol, 2008). Bu yönüyle emniyetli çalışma olanağı sağlayan LED tipi lambaların göreceli olarak düşük akım çeken tipleri, rüzgar veya güneş enerjisi kaynaklı elektrik enerjisiyle beslenebilmektedir. Diğer yandan LED lambaların bakım gereksinimleri çok düşük düzeydedir. 5. LED tipi lambalar diğer lambalara kıyasla hem üretim hem de kullanım aşamalarında daha çevrecidirler. LED tipi lamba üretiminde kullanılan enerji miktarı diğer lambalara kıyasla daha azdır. LED tipi lambaların yapısında civa veya kurşun bulunmadığından, fluorışıl veya sodyum buharlı lambalara kıyasla atıklarının çevreye etkisi daha az düzeydedir olabilmektedir. 6. LED tipi lambaların bulunduğu ortamı ısıtma etkisi diğer lambalara kıyasla daha düşük düzeydedir. Yüksek basınçlı sodyum veya metal halide lambalarda görülen yüksek sıcaklıklı dış yüzey, bulunduğu ortamın sıcaklığının yükselmesine katkıda bulunabilmektedir. Hatta bazen lamba yakınındaki bitkilerde yanma bile görülebilmektedir. Buna karşılık pek çok LED tipi lambasında dış yüzey sıcaklığı, bulunduğu ortamın sıcaklığının birkaç derece üzerinde olabilmektedir. Bu yönleriyle LED tipi lambalar ekstra terlemeye neden olmadıklarından, su tüketiminin artmasına yol açmamaktadırlar. LED tipi lambaların bitkiye yaklaştırılması mahzur teşkil etmediğinden, raflarda yapılan yetiştiricilikte kullanılabilmektedir. 7. LED tipi lambalarda akımın uygulanmasından itibaren nominal çalışma rejimine geçiş süresi diğerlerine kıyasla daha düşüktür. Ayrıca ışıma miktarının ayarlanabilmesi (dimming capability), nem, şok ve titreşim dayanımının iyiliği bu lambaların özellikleri arasında sayılabilmektedir. LİTERATÜR LİSTESİ Anonymous, Lighting Systems for Agricultural Facitities. ASABE Standards, ASAE EP 344.3, U.S.A. Bayraktar, H., ve A., Altan, Işık Dalga Boyunun Etlik Piliç Performansına Etkileri. Hayvansal Üretim, 46(2): Bern, C.J., and D.I., Olson, Electricity for Agricultural Applications. Iowa State Press, U.S.A. Erol, Y., Power LED Sürücü. Bilim ve Teknik, Ekim- 2008: Erişim tarihi:nisan Erişim tarihi:nisan Erişim tarihi:nisan Jao, R.C., and Fang, W., An Adjustable Light Source for Photo-Phyto Related Research and Young Plant Production. Applied Engineering in Agriculture, 19(5): Kommareddy, A., Anderson, G., Design and Construction of Light Guides for Efficient Transfer of Light in to a Dense Algal Culture in a Photo-Bio Reactor (PBR). ASAE Annual International Meeting, Paper Number: Kondo, N., Ling, P.P., Kurita, M., Falzea, P.D., Nishizu, T., Kuramoto, M., Ogawa, Y., and Minami, Y., A Double Image Acquisition System with Visible and UV LEDs for Citrus Fruit. ASABE Publication Number 701P0508cd. Lawrance K.C., Park, B., Heitschmidt, G., and W.R., Windham, LED Lighting for Use in Multispectral and Hyperspectral Imaging. ASAE Annual International Meeting, Paper Number: McFate, K.L., Electrical Energy in Agriculture. Elsevier Science Publishers, Netherlands. Miyashita, Y., Kitaya, Y., Kozai, T., and T., Kimura, Effects of Red and Far-RED Light on the Growth and Morphology of Potato Planters in Vitro: Using Light Emitting diyote as a Light Source for Micropropagation. Acta Horticulturae 393: Schreiber, H., LED ler ile 50 Pratik Devre (Çeviri: S., İkizoğlu). Yüce Yayınları, İstanbul. Shimizu, H., Ma, Z., Tazawa, S., Douzono, M., Runkle, E., and Heins, R., The Application of Blue Light as a 157

6 Growth Regulator. ASAE International Meeting, Paper Number: Yağcıoğlu, A., Tarımsal Elektrifikasyon. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, İzmir. Yavuzcan, G., Tarımsal Elektrifikasyon. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları: 1168, Ankara. Yılmaz, H.K., Mikroalg Üretimi İçin Fotobiyoreaktör Tasarımları. Ege Üniversitesi Su Ürünleri Dergisi, 23(1/2):