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Nachrichten

Eigenschaften des LED-Lichts können die Geflügelproduktion und die Gewinne steigern

Mar 31, 2017

IP65 LED Tube mit orange Ende Cap.jpg

Die energieeffiziente, schmalbandige Emission von LED-Quellen macht die Lichttechnik in lebenswissenschaftlichen Anwendungen wertvoll. KEN MARRIN untersucht, wie Solid-State-Beleuchtung in Geflügel-Aufzucht-Anwendungen eingesetzt wird, um sowohl die elektrischen Kosten zu senken als auch die Produktion zu steigern.

Die Nachfrage nach Nahrung weltweit wird voraussichtlich bis 2030 verdoppeln. Um diese Nachfrage zu erfüllen, nehmen die Produzenten neue Technologien an, die es ihnen ermöglichen, die Produktion zu einem reduzierten Preis mit weniger Belastung der Umwelt zu erhöhen. Die meisten dieser Produktionstechnologien konzentrieren sich auf die Verbesserung der traditionellen Inputs wie Wasser, Luft, Nährstoffe und Gehäuse. Ein weitgehend unerforschter Produktionseinsatz ist leicht.

Durch die Nutzung der LED-Beleuchtung und die Nutzung der einzigartigen spektralen Anforderungen von Geflügel, Schweine, Milchvieh, Fisch oder Krustentiere können Landwirte Stress und Mortalität reduzieren, den zirkadianen Rhythmus regulieren und die Produktion von Eiern, Fleisch und anderen Proteinquellen wesentlich erhöhen , während der Energieverbrauch und andere Inputkosten drastisch reduziert werden.

Wie in einem Juni 2013 LEDs Magazin Artikel erwähnt , Nischen-Anwendungen durch Solid-State-Beleuchtung (SSL) aktiviert sind, die für die Landwirtschaft spezifisch sind, und solche Anwendungen könnten erhebliche Umsatzpotenziale liefern. Die bedeutenden Akteure der SSL-Industrie, wie Philips und Osram Sylvania, haben neben kleineren Unternehmen, wie zum Beispiel einmalige Innovationen, Luma Vue und NextGen Illumination LED-Lampen ausschließlich für den Geflügelmarkt, spektral abgestimmte LED-Lampen für die Landwirtschaft und den Gartenbau entwickelt .

Viele Viehzüchter nutzen immer noch Allzweck-Wohn- und Gewerbe 60W, 80W und 100W Glühlampen in ihren Scheunen. Diese Lampen eignen sich gut für menschliche Umgebungen, aber Glühlampen sind nicht das gleiche wie Sonnenlicht, und das beste Licht für den Menschen ist nicht unbedingt das beste Licht für Tiere. Die Tiere haben sich unter dem Sonnenlicht entwickelt, deren Spektrum sich wesentlich von der Glühlampe unterscheidet. Sonnenlicht ist eine Kombination aus allen Farben. Abb. 1a zeigt die Menge der jeweils vorhandenen Farbe im typischen Sonnenlicht am Mittag. Beachten Sie, dass die Blues und Greens sind heller als die Rottöne zu diesem Zeitpunkt des Tages. Abb. 1b zeigt die Menge an Farbe, die im typischen Sonnenlicht am Ende des Tages vorhanden ist. Beachten Sie, dass die Rotweine jetzt heller sind als die Grüns und der Blues.

FEIGE. 1. Tageslicht-Spektrum (a) versus Sonnenuntergangsspektrum (b).

Moderne Stallbeleuchtungssysteme versuchen, das Sonnenspektrum nachzuahmen, das ein kontinuierliches Spektrum mit allen Farben ohne Zwischenräume bietet. Glühbirne (Abb. 2a) simuliert das Sonnenlicht bei Sonnenuntergang und produziert ein kontinuierliches Spektrum reich an Rottönen mit vermindertem Grün und sehr wenig blau. Allerdings simuliert dieses Spektrum nicht das Mittagslicht, das reich an Blues und Greens mit vermindertem Rot ist. Einige Hersteller versuchen, Beschichtungen auf die Glühbirnen zu setzen, um das Spektrum zu verändern, aber dieser Ansatz erzeugt kein kontinuierliches Spektrum. Glühbirnen sind auch sehr ineffizient (produzieren mehr Wärme als Licht), brennen oft aus und erfordern eine Leuchte, die Nass-Standort bewertet ist. Alles, was bald sein wird, ist natürlich, da die neue Herstellung von Glühlampen verboten ist.

FEIGE. 2. Glühlampe (a) gegenüber dem CFL-Spektrum (b).

Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) haben einen guten Wirkungsgrad und produzieren weißes Licht, aber wieder ist die CFL-Lichtausgabe auf das menschliche Sehvermögen zugeschnitten. Das weiße Licht wird durch die Herstellung und Kombination von schmalen Bändern aus Rot, Grün und Blau erreicht. Als Ergebnis gibt es große Lücken im Spektrum zwischen den roten, blauen und grünen Spikes, und viele der im Sonnenlicht vorhandenen roten, blauen und grünen Wellenlängen gehen verloren (Abb. 2b). Blaues Licht ist außergewöhnlich schwach, und die meisten tieferen Rottöne sind verloren. Insgesamt machen CFLs eine schreckliche Aufgabe, das natürliche Sonnenlicht nachzuahmen. Sie sind auch schwer zu reinigen (wegen ihrer lockigen Form), enthalten kleine Mengen an giftigem Quecksilber, erfordern ein Gehäuse nass bewertet und nicht gut dimmen - und ihre Lebensdauer wird deutlich verkürzt, wenn abgeblendet.

Hochdruck-Natrium (HPS) Glühbirnen bieten hervorragende Effizienz und hohe Lichtausbeute, mit einem Farbspektrum, das am stärksten in den Roten und Gelbs ist, so dass die Glühbirnen ihre unverwechselbaren orange-gelb oder bernsteinfarbenen Farbton. Wie bei CFLs fehlt jedoch viel von dem Farbspektrum, vor allem die Grüns und Blues. HPS-Lampen sind auch sehr schwer zu dimmen, sind langsam aufzuwärmen, benötigen ein Vorschaltgerät für den Betrieb, haben hohe Vorlaufkosten und können Natrium und / oder Quecksilber enthalten.

FEIGE. 3. Standardweißes LED-Spektrum.

LEDs sind die effizientesten und umweltfreundlichsten der landwirtschaftlichen Beleuchtungsoptionen und produzieren weißes Licht durch die Kombination einer blauen LED mit roten und grünen Leuchtstoffen. Das Spektrum ist nahezu kontinuierlich (Abb. 3) mit besonders starkem Blues, aber auch reichlich grün und rot. Während nicht gerade Tageslicht, bietet das LED-Spektrum eine enge Annäherung des Tageslichts aus menschlicher Sicht, ohne die spektralen Lücken anderer Technologien. Sie haben auch die längste Lebensdauer (bis zu 10 Jahre mit 24/7 Betrieb), sind sehr robust, sind nicht anfällig für Schock oder Vibrationen und erlauben Farbverschiebung und Farbkontrolle. LEDs haben hohe Vorlaufkosten, aber diese Kosten werden schnell durch Energieeinsparungen wiederhergestellt, was zu den niedrigsten Gesamtbetriebskosten für landwirtschaftliche Beleuchtungsoptionen führt.

LEDs in der Geflügelzucht

Bei den 2014 Strategies in Light Event präsentierte Say Innovations-Präsident Brian Wilcox einen Vortrag über "How to make chicks happy" und erforscht überzeugende Wissenschaft, die die Behauptungen unterstützt, dass die ökonomischen Vorteile der LED-Beleuchtung über die Energiekosten hinausgehen, um wirklich positive Ergebnisse zu erzielen - und damit verbesserte Einnahmen - im Geflügelmanagement und in der Produktion. Hier werden wir die Geflügelanwendung tiefer besuchen.

Während die Fähigkeit, das Sonnenlicht effizient und genau zu replizieren, gibt LEDs einen Vorteil gegenüber anderen landwirtschaftlichen Beleuchtungsoptionen, es ist ihre Fähigkeit, ein anpassbares, abstimmbares Spektrum zu liefern, das ihre größte Stärke sein kann. Die spektrale Empfindlichkeit der Tiere unterscheidet sich von der des Menschen, und auch ihre spektralen Anforderungen. Durch die Optimierung der Nutzung von Spektrum, Bestrahlung und Modulation in ihren Scheunen können Landwirte eine Beleuchtungsumgebung für ihre Tiere schaffen, die Gesundheit und Wohlbefinden erhöhen und dadurch das Wachstum erhöhen und gleichzeitig die Energie- und Futterkosten minimieren.

Eine der vielversprechendsten Anwendungen für landwirtschaftliche LEDs ist die Beleuchtung von Geflügelschalen, vor allem aufgrund der tiefen Unterschiede in der Art und Weise, wie Menschen und Geflügel absorbieren, erkennen und auf Photonen reagieren. Durch die Ausnutzung dieser Unterschiede können LED-basierte Technologien die Kosten der Leuchten senken, die Muskel-Skelett-Entwicklung erhöhen und die Gewichtszunahme erhöhen, eine frühere Reife in Schichthühnern hervorrufen, die dazu bestimmt sind, Eier zu produzieren, die Futterverwertung zu verbessern, die Melatoninproduktion zu verändern, die Eierausgabe zu erhöhen und die Reproduktionszyklen zu regulieren, und die Länge des Fortpflanzungslebens erhöhen

Menschen sind Tri-Chromanten mit Empfindlichkeit gegenüber Rot, Grün und Blau Spektrale Energie. Die Menschen haben eine Peakempfindlichkeit bei 550 nm (grün), die sich deutlich in das rote und blaue Spektrum verläuft. Wenn wir uns ganz auf den retinalen Empfang verlassen, absorbieren die Menschen Photonen durch die Photopigmente Rhodopsin (Stäbchen), Iodopsin (Kegel) und Melanopsin.

Geflügel absorbieren auch Photonen retinal durch Stäbchen, Kegel und Melanopsin. Allerdings absorbieren sie auch Photonen durch funktionelle Photorezeptoren in der Zirbeldrüse oben auf dem Gehirn (pineal Empfang). Was noch erstaunlicher ist, absorbieren sie sogar Photonen durch tiefe Enzephal-Photorezeptoren (hypothalamischer Empfang).

Inländische Geflügel sind Quad-Chromanten. Wie die Menschen entwickelte das Geflügel bei 550 nm eine Peakempfindlichkeit gegenüber Grün. Aber sie haben auch eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber Rot-, Blues- und Ultraviolett- (UV-) Licht. Das ist vermutlich wegen ihrer Herkunft. Die tropischen Dschungel von Südasien haben eine Filterwirkung auf das Licht durch die grünen Blätter in den Baumvordächern. So entwickelte das Geflügel eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Blau und Rot mit Peaks bei 450 nm (12x menschliche Empfindlichkeit) und 640 nm (4x menschliche Empfindlichkeit). Aber wahrscheinlich der dramatischste Unterschied zwischen Mensch und Geflügel ist die Fähigkeit des Geflügels, UV-Licht retinal wahr zu nehmen (Peak bei 385 nm). Die Gründe, warum Hausgeflügel UV-Licht sehen können, werden weitgehend untersucht. Zwei Hauptverdächtige sind Nahrungsmittel- und Flockerkennungsfähigkeiten.

Jede Farbe hat eine deutliche Wirkung auf die Geflügelphysiologie. Grünes Licht z. B. erhöht die Wachstumsrate in einem frühen Alter durch die Erhöhung der Proliferation von Skelettmuskelsatellitenzellen. Blaues Licht erhöht das Wachstum in einem späteren Alter durch Erhöhung der Plasma-Androgene. Schmalbandiges blaues Licht reduziert Fortbewegung. Es reduziert auch die Kannibalismusrate im späten Alter (vor allem bei Masthühnern, die zum menschlichen Verzehr angehoben wurden). Zusammen, grünes und blaues Licht fördern das Myofaserwachstum durch eine effektivere Stimulierung der Testosteronsekretion. Insgesamt hat sich gezeigt, dass blaues Licht die Futterverwertung um bis zu 4% verbessert, wodurch die Kosten pro Pfund um bis zu 3% gesenkt und das Gesamtgewicht um bis zu 5% erhöht wird.

Rotlicht stimuliert und fördert die sexuelle Aktivität und erhöht die Wachstumsraten für Hühner und Puten zu Beginn der Aufzuchtperiode. Es erhöht auch die Fortbewegung, wodurch die Beinstörungen am Ende der Aufzuchtperiode minimiert werden. Rotes Licht reduziert auch die Menge an Futterverbrauch pro Ei gelegt ohne Unterschiede in Ei Größe, Schale Gewicht, Schalendicke oder Eigelb und Albumin Gewichte. Insgesamt hat sich gezeigt, dass rotes Licht die Spitzenproduktionszeit verlängert und die Eiproduktion um bis zu 38 Eier pro Henne erhöht und gleichzeitig den Lebensmittelverbrauch um bis zu 20% verringert.

Energie sparen Schlüssel zur Profitabilität

Die landwirtschaftliche Beleuchtung ist ein wesentlicher Teil des Gesamtenergieverbrauchs. Die landwirtschaftlichen Einrichtungen haben ähnliche Beleuchtungssysteme, sind in einem relativ kleinen geografischen Gebiet konzentriert, leicht umgebaut und reagieren gut auf Rabatte. Nach Angaben des amerikanischen Rates für eine energieeffiziente Wirtschaft (ACEEE) existiert eine jährliche Energieeinsparung von $ 1B (Milliarden) im Agrarsektor in Nordamerika, vor allem im Mittleren Westen. Das entspricht zwei Kernkraftwerken. Nach Kate Farley von der ACEEE sind 7% der landwirtschaftlichen Ausgaben energiebezogen. Das Umschalten von Glühlampen auf LED-Beleuchtung könnte eine Energieeinsparung von $ 2000 pro Scheune liefern - eine Ersparnis, die mit Rabatten, Stipendien und anderen Finanzierungen gesüßt werden kann, und gehen einen langen Weg, um jede Scheune für Landwirte rentabel zu machen.

Betrachten wir die Energieeinsparungen im Schichtmarkt alleine. Nationwide gibt es mehr als 2500 Ei-Layer-Anlagen, mit sechs der Top-Ten-Eierproduzenten im Mittleren Westen. Im Durchschnitt verwendet jeder Schichtbetrieb 800 Glühlampen pro Anlage. Das Ersetzen dieser Lichter mit LEDs würde eine Ersparnis von 800 Lichtern × (9W - 3W) / Licht × 16 Stunden / Tag × 365 Tage pro Jahr oder 28.032 kWh pro Betrieb ergeben. Mit 42% der Schicht-Operationen in Iowa, Ohio und Indiana, die für eine 70M (Millionen) kWh Einsparungen in diesen drei Staaten allein verantwortlich sind.

Die Einsparungen sind für den Broilermarkt noch ausgeprägter, was viermal mehr Energie als der Schichtmarkt nutzt. Die meisten von ihnen sind über den Südosten und Süd-Zentralstaaten mit vielen noch mit veralteten Lichttechnik. Glühlampenverbrauch für Masthühner im Durchschnitt 271.814 kWh pro Betrieb pro Jahr, basierend auf 4 Scheunen / Bauernhof × 132 Lichter / Scheune × 100W / Licht × 18 Stunden / Tag × 52 Tage / Flock × 5,5 Herden / Jahr.

Dr. Joey Bray von der Steven F. Austin Universität in Nacogdoches, Texas, berechnete die Energieeinsparung durch den Vergleich von einmaligen Innovations AgriShift LED-Technologie mit vorhandenen Glühlampen und HPS-Lampen in einer Produktionseinstellung. In der Bray-Broilerstudie verbrauchte die durchschnittliche Broilerfarm mit einer Standard-Glühlampe / HPS-Lösung 3837 kWh pro Herde pro Jahr. Die gleiche Farm, die mit AgriShift LEDs ausgestattet war, verbrauchte nur 109 kWh, eine Einsparung von mehr als 95% pro Farm pro Herde. Die Anwendung dieser Branche könnte eine Gesamtenergieeinsparung von 2B bis 5B kWh oder die Gesamtleistung eines Kernkraftwerks darstellen. Für weitere Details zu Once Innovations und AgriShift siehe "LED-landwirtschaftliche Lösung verwendet fahrerlose AC-Design."

Die Energieeinsparungen sind gleichermaßen beeindruckend für die Schweinefleischproduktion. Acht der Top-Ten-Schweine-Staaten befinden sich im Mittleren Westen, mit Gesamtlicht-Steckdosen (meist CFL) von 1,8M. Wenn alle Schweinelichter im Mittleren Westen durch LEDs ersetzt wurden, konnten 52.2M kWh (CFL) - 25.2M kWh (SSL) = 27M kWh × 20 Stunden / Tag × 365 Tage = 540M kWh eingespart werden.

Standards und Rabatte

Trotz der höheren Effizienz, Effektivität und niedrigeren Gesamtbetriebskosten für LED-basierte landwirtschaftliche Beleuchtung Produkte, hohe upfront Kosten wurden ein Stolperstein. Dies ist zum Teil auf fehlende Leistungsstandards für die landwirtschaftliche Beleuchtungsindustrie zurückzuführen, deren Abwesenheit es für die Verbraucher von LED-basierten landwirtschaftlichen Beleuchtungsprodukten schwierig macht, die Energieeinsparungsrabatte zu nutzen, wie diese Versorgungseinrichtungen für die Glühlampen- und CFL-Beleuchtung bieten Produkte, die in verbraucher- und kommerziellen Anwendungen verwendet werden.

Aktuelle Lichtstandards konzentrieren sich auf die Lichtleistung und die Anforderungen, wie sie für Menschen in Wohn- und Gewerbeanwendungen gelten. Energieeffiziente Verbraucherbeleuchtungsprodukte tragen das Energy Star Label, kommerzielle Produkte das Label DesignLights Consortium (DLC). Leider gibt es keinen vergleichbaren Leistungsstandard und Etikett für landwirtschaftliche Beleuchtungsprodukte. Dies macht es für die Versorgungsunternehmen herausfordernd, diese Produkte in ihren Rabattprogrammen anzugeben, was wiederum diese Produkte zu einem entschiedenen Kostennachteil macht. Die Landwirte können immer noch einen Rabatt erhalten, indem sie Allzweck- und kommerzielle Beleuchtungsprodukte einsetzen und sie für ihre Scheunen nachrüsten (einschließlich, um sie in schroffe oder nassbehaftete Armaturen einzuschließen), aber ausserhalb der Beleuchtungsprodukte, Tiere und Scheunenumgebungen sind in der Regel nicht qualifiziert.

Was Lieferanten und Verbraucher (zB Landwirte) von landwirtschaftlichen Beleuchtungsprodukten benötigen, ist ein Programm, das die Beleuchtungsprodukte speziell hinsichtlich der landwirtschaftlichen Leistung bewertet. Ein solches Programm, das als Teil von Energy Star oder DLC integriert werden könnte oder sogar unabhängig existiert, würde den Verbrauchern und Energieunternehmen die Informationen geben, die sie benötigen, um landwirtschaftliche Beleuchtungsprodukte zu vergleichen, während sie das Spielfeld für Rabatte ausgleichen. Idealerweise würde der Standard eine einheitliche Mehrheit über mehrere Dienstprogramme bieten und die wichtigsten Leistungskriterien wie Haltbarkeit, Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit ansprechen. Die Bemühungen, einen solchen Standard zu schaffen, sind bereits im Gange, wobei mehrere Versorgungsunternehmen bereits ein Interesse am Beitritt geäußert haben.

Die Zukunft der Landwirtschaft zu schieben

Die Mehrheit der FuE-Anstrengungen konzentriert sich zunächst auf die Geflügel- und Schweinemärkte, aber auch die Technologie von Innovations kann vor allem auf Milchvieh, Pferde und Aquakultur angewendet werden. Schweine, Rinder und Pferde, zum Beispiel, kann kein rotes Licht sehen, so dass das Dimmen nach einem roten Spektrum in der Nacht den Arbeitern die Scheune bedienen kann, ohne die Tiere zu stören. Ein ähnlicher Ansatz wird bei Menschen in Krankenhäusern verwendet, wo das rote Licht dem Krankenhauspersonal erlaubt, sich nachts zu bewegen, ohne die Notwendigkeit eines weißen Lichts, das die Pataton-Melatonin-Produktion einschränken und den Schlaf unterbrechen würde. (Für mehr über die Beleuchtung im Gesundheitswesen, siehe " Solid-State-Beleuchtung bringt die wahren Farben der modernen Gesundheitsversorgung " aus dieser Ausgabe.)

Maßgeschneiderte Spektren haben auch Anwendung auf Fische und Krustentiere, wo sie verwendet werden können, um die Teichumgebung zu kontrollieren. Sobald AquaShift Beleuchtungssysteme zum Beispiel in kommerziellen Teichen in China und Belize installiert wurden, und Universitätsstudien, die die Wirkung der LED-Beleuchtung auf die Krustentierproduktivität abschließen, sind im Gange. Weltweites Marktpotenzial für solide landwirtschaftliche Beleuchtung ist über $ 17B. Das wird nur zunehmen, da LED-Anbieter neue Wege finden, um Licht zu nutzen, um Tier-Wellness zu verbessern und die landwirtschaftliche Produktion zu erhöhen und gleichzeitig die Energieausnutzung und die Kosten zu senken.

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