LED燈的特性可以提高家禽的產量和利潤

LED光源的高能效，可挑選特殊峰值的led晶片組成特殊光譜，
使LED農業照明技術在生命科學應用中非常有價值。
肯·馬林（Ken Marrin）研究了在家禽飼養應用中如何部署LED照明，
有效率的減少電費，並提高生物的產量。

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LED源的高能效，窄帶發射使照明技術在生命科學應用中非常有價值。KEN MARRIN研究了在家禽飼養應用中如何部署固態照明，以減少電費並提高產量。

到2030年，全球對食品的需求預計將增加一倍。為了滿足這一需求，生產商正在採用新技術，這些技術將使他們能夠以降低的成本增加產量，同時減少對環境的壓力。這些生產技術中的大多數都專注於增強傳統投入，例如水，空氣，養分和住房。輕的是一種很大程度上未開發的生產投入。

通過利用LED照明並利用家禽，豬，奶牛，魚或甲殼類動物的獨特光譜要求，農民可以減少壓力和死亡率，調節晝夜節律，並顯著提高雞蛋，肉和其他蛋白質來源的產量，同時大大減少了能源消耗和其他投入成本。

固態照明（SSL）支持的細分應用包括特定於農業的照明，此類應用可產生巨大的收入潛力。SSL行業的主要參與者，例如Philips和Osram Sylvania，已經開發了光譜調諧的LED燈用於農業和園藝業，此外還發展了較小的企業，例如VITALUX, VITALED TECHNOLOGIES專為家禽市場製造LED燈。。

許多牲畜養殖者仍在穀倉中使用通用的民用和商用60W，80W和100W白熾燈。這些燈非常適合人類環境，但是白熾燈與日光並不相同，因此，對人類而言最佳的光不一定對動物而言就是最佳的光。動物已經進化出生活在陽光下，其光譜與白熾燈的光譜有很大不同。陽光是所有顏色的組合。圖1a顯示了典型的中午陽光下每種顏色的含量。請注意，一天中的這個時候，藍色和綠色比紅色更亮。圖1b顯示了一天結束時典型的陽光中存在的顏色量。請注意，紅色現在比綠色和藍色明亮。

現代的穀倉照明系統試圖模仿太陽的光譜，從而提供包含所有顏色的連續光譜，並且兩者之間沒有間隙。白熾燈（圖2a）有效地模擬了日落時的陽光，產生了一個連續的光譜，其中充滿了紅色，綠色減弱了，藍色幾乎沒有了。但是，該光譜不能模擬中午的陽光，該陽光中的藍色和綠色豐富，紅色減少。一些製造商試圖在燈泡上塗上塗層以改變光譜，但是這種方法不會產生連續光譜。白熾燈泡效率極低（產生的熱量多於光），經常燒壞，並且需要具有濕場所額定值的燈具。當然，隨著白熾燈的新生產被禁止，所有這些將很快被討論。

緊湊型熒光燈（CFL）具有良好的效率並產生白光，但同樣，CFL的光輸出適合於人類的視覺。白光是通過產生和組合紅色，綠色和藍色的窄帶來實現的。結果，紅色，藍色和綠色尖峰之間的光譜之間存在較大的間隙，並且太陽光中存在的許多紅色，藍色和綠色波長都丟失了（圖2b）。藍光異常弱，大部分深紅色消失了。總體而言，節能燈在模仿自然陽光方面做得很糟糕。它們也很難清潔（由於其捲曲的形狀），含有少量有毒的汞，需要對外殼進行潮濕評級並且不會變暗，而且變暗時它們的壽命也會大大縮短。

高壓鈉（HPS）燈泡具有出色的效率和高光輸出，其色譜在紅色和黃色中最強，因此使燈泡具有獨特的橙黃色或琥珀色。但是，與CFL一樣，許多色譜都丟失了，尤其是綠色和藍色。HPS燈也很難調光，預熱緩慢，需要鎮流器才能運行，前期成本高並且可能含有鈉和/或汞。

LED是最有效，最環保的農業照明選擇，它通過將藍色LED與紅色和綠色磷光體相結合來產生白光。光譜接近連續（圖3），藍色特別強，但綠色和紅色也很豐富。儘管不完全是日光，但從人類的角度來看，LED光譜提供的日光非常接近，而沒有其他技術的光譜差距。它們還具有最長的使用壽命（使用24/7操作時長達10年），堅固耐用，不易受到衝擊或振動的影響，並且可以進行色彩轉換和色彩控制。LED具有高昂的前期成本，但這些成本可通過節省能源而迅速收回，從而使農業照明選擇的總擁有成本最低。

家禽養殖中的LED

曾經的創新部總裁Brian Wilcox就“如何使小雞快樂”進行了演講，探討了令人信服的科學，該論據支持LED照明的經濟效益超出了降低的能源成本，從而真正產生了積極的成果-因此，增加收入-家禽管理和生產。在這裡，我們將更深入地訪問家禽應用程序。

儘管有效和準確地複制太陽光的能力使LED優於其他農業照明選擇，但它們提供可定制的可調諧光譜的能力可能是其最大的優勢。動物的光譜靈敏度與人類的光譜靈敏度不同，因此它們的光譜要求也不同。通過優化穀倉中光譜，輻照度和調製的使用，農民可以為其動物創造一個光照環境，從而增加健康和福祉，從而促進生長，同時最大程度地減少能源和飼料支出。

農用LED的最有前途的應用之一是家禽舍的照明，這主要是由於人類和家禽對光子的吸收，檢測和反應方式的巨大差異。通過利用這些差異，基於LED的技術可以降低照明設備成本，增加肌肉骨骼發育和增重，在預定要生產卵的蛋雞中提前成熟，改善飼料轉化率，改變褪黑激素的產量，增加卵的產量和質量，調節生殖週期，並延長生殖壽命。

人類是對紅色，綠色和藍色光譜能量敏感的三色性物質。人類在550 nm（綠色）處具有峰值靈敏度，並顯著下降到紅色和藍色光譜中。人體完全依賴於視網膜的接收，它們通過光色素視紫紅質（棒狀），碘視蛋白（圓錐形）和黑視質吸收光子。

禽類還會通過視桿，視錐細胞和黑視素吸收視網膜上的光子。但是，它們也通過位於大腦頂部的松果體中的功能性光感受器吸收光子（松果體接收）。更令人驚訝的是，它們甚至通過深層腦部感光器（下丘腦接收）吸收光子。

家禽是四色的。像人類一樣，家禽在550 nm處對綠色的靈敏度達到峰值。但是它們還增強了對紅色，藍色和紫外線（UV）的敏感性。人們認為這是由於它們的起源。由於樹冠上的綠葉，南亞的熱帶叢林對光有過濾作用。因此，家禽對藍色和紅色的靈敏度提高了，在450 nm（人類靈敏度的12倍）和640 nm（人類靈敏度的4倍）處出現了峰。但是，人與禽類之間最顯著的差異可能是禽類視網膜感知紫外線的能力（峰值在385 nm）。家禽能看見紫外線的原因在很大程度上被調查。兩個主要的嫌疑人是食物和羊群識別能力。

每種顏色對家禽的生理都有明顯的影響。例如，綠光可通過增強骨骼肌衛星細胞的增殖來顯著提高其早期生長速度。藍光可通過升高血漿雄激素來增加年齡增長。窄帶藍光可減少運動。它還降低了晚年的同類相食率（尤其是飼養供人類食用的肉雞）。由於更有效地刺激了睾丸激素的分泌，綠色和藍色的光共同促進了肌纖維的生長。總體而言，藍光已顯示可將飼料轉化率提高多達4％，從而將每磅成本降低多達3％，並將總活重增加多達5％。

在飼養期開始時，紅燈會刺激和促進性活動，並提高雞和火雞的生長率。它還會增加運動能力，從而最大程度地減少飼養期間結束時的腿部不適。紅光還可以減少每個產蛋的飼料消耗量，蛋大小，蛋殼重量，蛋殼厚度或蛋黃和白蛋白重量沒有差異。總體而言，紅光顯示出可以延長高峰生產時間，並使每隻母雞的產蛋量最多增加38個蛋，同時有可能使食物消耗減少多達20％。

節能是盈利的關鍵

農場照明是整個能源消耗的重要部分。農業設施具有類似的照明系統，集中在相對較小的地理區域中，易於轉換，並且對回扣反應良好。根據美國節能經濟理事會（ACEEE）的數據，每年在北美（主要是中西部）的農業部門中，有10億美元（十億美元）的節能機會。那相當於兩個核電廠。ACEEE的Kate Farley表示，農場開支的7％與能源有關。從白熾燈泡轉換為LED照明可以為每個穀倉節省2000美元的能源-可以通過回扣，贈款和其他資金來節省下來的錢，並且要使每個穀倉對農民有利可圖。

僅考慮層市場的節能量。在全國范圍內，有2500多個蛋層設施，在中西部地區排名前十的蛋生產商中有六家。平均而言，每層操作每個設施使用800個白熾燈。用LED替換這些燈每年將節省800燈×（9W – 3W）/燈×16小時/天×365天，或每操作28,032 kWh。在愛荷華州，俄亥俄州和印第安納州擁有42％的層運行，僅在這三個州就可節省7,000萬（百萬）千瓦時。

對於肉雞市場而言，這種節省更為顯著，該市場所消耗的能量是蛋雞市場的四倍。其中大多數位於東南部和中南部各州，許多仍在使用過時的照明技術。肉雞場的白熾燈光能消耗平均為每個場每年271,814 kWh，基於4個雞舍/農場×132燈/穀倉×100W /光×18小時/天×52天/羊群×5.5雞群/年。

得克薩斯州納科多奇斯的史蒂芬·奧斯汀大學的史蒂芬·F·奧斯汀大學的喬伊·布雷博士（Dr. Joey Bray）通過將Once Innovations的AgriShift LED技術與生產環境中的現有白熾燈和HPS燈進行比較，計算出了節能量。在Bray的肉雞研究中，使用標準白熾燈/ HPS溶液的普通肉雞場每年每隻雞群消耗3837 kWh。配備AgriShift LED的同一農場僅消耗109 kWh，每個農場每隻雞群可節省95％以上。在整個行業中應用該技術可相當於節省全國2B至5B kWh的能源，或者相當於一個核電廠的全部發電量。有關“一次創新”和“ AgriShift”的更多詳細信息，請參閱“ LED農業解決方案使用無驅動器交流設計”。

豬肉生產的節能效果同樣令人印象深刻。排名前十的豬州中有八個位於中西部，總燈座（多數為CFL）為180萬。如果將中西部的所有豬舍照明燈替換為LED，則可以節省52.2M kWh（CFL）– 25.2M kWh（SSL）= 27M kWh×20小時/天×365天= 540M kWh。

標準和返利

儘管基於LED的農業照明產品具有更高的效率，有效性和更低的總體擁有成本，但高昂的前期成本一直是絆腳石。部分原因是由於缺乏農業照明行業的性能標準，而缺少這些性能標準，使得基於LED的農業照明產品的消費者難以利用諸如那些為白熾燈和CFL照明所提供的節能折扣的優勢。用於消費和商業應用的產品。

當前的照明標準關注照明性能和要求，因為它們適用於住宅和商業應用中的人類。節能消費照明產品帶有能源之星標籤，商業產品帶有DesignLights聯盟（DLC）標籤。不幸的是，農業照明產品沒有可比的性能標準和標籤。這給公用事業公司在其折扣計劃中指定這些產品帶來了挑戰，從而使這些產品處於確定的成本劣勢。農民仍然可以通過使用通用的家用和商用照明產品並將其改裝用於穀倉（包括必須將它們封裝在堅固或潮濕位置的固定裝置中）來獲得回扣，

農業照明產品的供應商和消費者（例如，農民）需要的是一個針對照明產品特別針對農業性能進行評估的程序。這樣的程序可以合併為能源之星或DLC的一部分，甚至可以獨立存在，它將為消費者和電力公司提供他們所需的信息，以比較農業照明產品，同時為返利提供公平的競爭環境。理想情況下，該標準將在多個公用事業之間提供統一性，並解決關鍵性能標準，例如耐用性，性能，可靠性和安全性。建立這樣一個標準的努力已經在進行中，有許多公用事業公司已經表示有興趣加入。

推動農業的未來

大部分研發工作最初都集中在家禽和豬市場上，但是一旦VITALUX的技術也可以應用於奶牛，馬匹和水產養殖。例如，豬，牛和馬看不見紅光，因此晚上調暗到紅色光譜使工人能夠在不影響動物的情況下為穀倉服務。醫院中的人類也使用類似的方法，其中紅燈可使醫院工作人員在夜間移動，而無需白光，因為白光會減少患者褪黑激素的產生併中斷睡眠。

量身定制的光譜還可以應用於魚類和甲殼類動物，它們可以用來控制池塘環境。例如，一旦將VITALUX照明系統安裝在中國和伯利茲的商業池塘中，大學就開始研究LED照明對甲殼類動物生產力的影響。固態農業照明的全球市場潛力超過$ 17B。僅當LED供應商找到利用光來增強動物健康並增加農場產量同時降低能源利用率和成本的新方法時，這種情況才會增加。

LED農業解決方案採用無驅動器交流設計

不論正式的性能規格和激勵措施如何，像VITALUX這樣的公司都在利用基於LED的節能LED農業照明向前邁進，該技術可改善動物的健康狀況並以降低的成本提高產量。

一旦專有技術在通用白光LED技術的基礎上進行了改進，就可以使用一種混色方法，該方法將單色組合在一起以增強紅色和綠色，並在整個光譜範圍內產生更均勻，可調，可調光的光（此處的圖1）。顯示器中使用的常規RGB陣列是由脈寬調製的DC脈衝驅動的。每個LED的開啟時間受到控制，從而改變了DC脈衝的佔空比。相比之下，VITALUX利用專有的步進式交流電壓直接驅動其LED。這種方法消除了對AC / DC開關模式驅動器和EMI濾波器的需求，從而降低了成本和空間，同時提高了可靠性。從動物福利的角度來看，低EMI的方法也很重要，因為所有鳥類（包括家禽）對EMI噪聲都非常敏感。

VITALUX產品中使用的交流技術是獨特的，因為它採用簡單的模擬拓撲來完成某種複雜的目標。通過以各種預定的電壓電平將LED排列成串，並與專有的開關FET耦合，該電路消除了複雜的數字開關電路，否則將無法構建合適的驅動電流波形。本質上，LED響應於所施加的交流電壓會產生自己的電流波形。通過改變每串LED的類型（使用單色和白色的組合）並施加不同的電壓電平，可以改變色譜圖。這種架構使使用傳統的調光技術輕鬆實現變色燈具。它也避免了傳統上在變色照明系統中使用的複雜的DC控制電路。由此產生的燈具與現有的穀倉照明控制系統可以很好地相互作用，這使得農民很容易轉換為新技術。

VITALUX燈的調光範圍是2％至100％，包括日出/日落模式，當該燈變暗時，該模式會將光譜移向紅色。在不調光的情況下，該燈可產生完整的光譜，非常適合在雞早期發育（育雛照明）中刺激生長。在成長過程中，可以將調光降低到30％，並保留藍色和綠色以促進肌肉生長，並去除紅色以減少運動。月球照明採用完全調光，單色藍色用於鎮靜雞隻，減少激進的飲食習慣並促進捕撈。這裡的圖2顯示了使用標準雙向可控矽調光器將VITALUX（可變輸出肉雞治具）家禽燈調暗時發生的從白色到單色的光譜偏移。