title: Geometrisch-optische Strukturmodellierung zur Simulation von Pflanzenbelichtung
Creators: name: Balasus, Jens
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Elektrische Energie für Belichtung ist ein wesentlicher Kostenpunkt beim geschützten Anbau von Pflanzen.
Die Erhöhung der Effizienz der Lichtquellen ist limitiert, weswegen das Potential einer Optimierung
der Abstrahlcharakteristik, der spektralen Zusammensetzung sowie des emittierten Photonenstroms
von Pflanzenleuchten ausgeschöpft werden muss. Feldexperimente mit realen Pflanzen sind zeit- und
kostenintensiv. Daher wird ein modellbasierter Ansatz (virtuelle Pflanzen) gewählt, um Erkenntnisse
zur Auswirkung von Leuchteneigenschaften simulativ abzuleiten.
Virtuelle Pflanzen bestehen aus einem geometrischen und einem optischen Modell, zu deren Erstellung
Prozesse entwickelt werden. Im ersten Teil erfolgt eine Analyse der optischen Eigenschaften der Blätter
von jungen Schlangengurken. Dabei zeigt sich, dass die Reflexionsgrade für die beiden Blattseiten
separat gemessen und modelliert werden müssen. Auch wird ein Zusammenhang zwischen den spektralen
Reflexionsgraden und dem Blattalter in manchen Spektralbereichen nachgewiesen. Die spektralen
Transmissionsgrade hingegen weisen eine weniger ausgeprägte Abhängigkeit vom Blattalter auf als
die spektralen Reflexionsgrade. Altersabhängige Effekte sind insbesondere in ihrer Auswirkung auf
den spektralen Absorptionsgrad von Bedeutung, da dieser direkt die berechnete Assimilationsrate
beeinflusst. Neben diesen Größen werden die richtungsabhängigen Reflexionseigenschaften spektral
bestimmt. Diese weisen spektrale Abhängigkeiten auf. Die Reflexion ist im grünen und fernroten
Spektralbereich diffus, wohingegen sie im blauen und roten Spektralbereich gestreut ist. Ein Modell zur
Modellierung dieser Eigenschaften wurde angewandt, um sie in Lichtsimulationen berücksichtigen zu
können. Insbesondere im Hinblick auf die Modellierung von richtungsabhängigen Reflexionseigenschaften
ist bisweilen unklar, inwieweit diese das Ergebnis beeinflussen. Die Einflussanalyse zeigt, dass der
Einfluss auf die absorbierte Photonenstromdichte gering, auf die spektrale Photonenstromdichte in der
Blattumgebung jedoch von Bedeutung ist.
Eine Optimierung der Leuchteneigenschaften erfolgt unter Verwendung der erstellten virtuellen Pflanzen.
Dabei wird gezeigt, dass mit virtuellen Pflanzen Leuchteneigenschaften bestimmt werden können,
die den Wirkungsgrad der Belichtung erhöhen. Berücksichtigt werden auch Vergleiche mit Sonnenlicht,
sodass unter Zuhilfenahme von ausgewählten Metriken eine negative Beeinflussung der Pflanzenentwicklung
durch eine ungünstige Wahl der Leuchteneigenschaften verhindert wird. Einen großen Einfluss
auf den Belichtungswirkungsgrad hat die Abstrahlcharakteristik (LVK) der Leuchte. Ebenfalls kann eine
Erhöhung des Reflexionsgrades des Bodens die Assimilationsrate in den niedrigen Blatträngen erhöhen.
In der spektralen Optimierung kann ein Spektrum ermittelt werden, das bei einem Abgleich mit dem
Stand der Forschung nicht nur effizient im Hinblick auf den Belichtungswirkungsgrad, sondern auch
im Hinblick auf die Effizienz der Lichtquelle ist.