Die Vorteile von LED-Beleuchtung in der Landwirtschaft
06.10.2023
LED-Beleuchtung (Light Emitting Diode) erfreut sich in der Landwirtschaft zunehmender Beliebtheit, insbesondere in der Tierhaltung, in Gewächshäusern und in der Indoor Farming, wo sie diverse Vorteile gegenüber herkömmlichen Beleuchtungsmethoden bietet, wie z.B. Wartungsfreiheit und eine höhere Energieeffizienz - LEDs wandeln mehr als 80% des verbrauchten Stroms in Licht um und verbrauchen 60% weniger Energie für die gleiche Beleuchtungsintensität. Der größte Vorteil ist jedoch die Steuerung des Lichtspektrums: Verschiedene Pflanzen und Tiere benötigen für optimales Wachstum, Ertrag und Wohlbefinden Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen. LED-Beleuchtung kann genau das benötigte Spektrum liefern und hat den zusätzlichen Vorteil, dass dieses Spektrum in Echtzeit optimiert werden kann. Diese Fähigkeit zur Feinabstimmung der Farbtemperatur macht die LED-Beleuchtung zu einer kosteneffizenten Lösung, auch wenn die Anschaffungskosten höher sind als bei herkömmlichen Beleuchtungsmethoden.
Inhaltsverzeichnis
Bedeutung von LED-Beleuchtung in der Tierhaltung
LED-Beleuchtung wird in der Tierhaltung eingesetzt, um das Wohlbefinden, das Wachstum und die Produktivität der Tiere zu verbessern. Die richtige und angemessene Beleuchtung ist entscheidend für das Wohlbefinden und das Wachstum der Tiere, und LED-Beleuchtung kann genau das Lichtspektrum liefern, das für die verschiedenen Entwicklungsstadien der Tiere benötigt wird.
In der Geflügelzucht zum Beispiel wird LED-Beleuchtung mit UV- und sichtbarem Licht eingesetzt, um den zirkadianen Rhythmus von Hühnern zu regulieren. Die richtige Lichtmenge und das richtige Lichtspektrum fördern die Eierproduktion, reduzieren den Stress und verbessern das allgemeine Wohlbefinden der Tiere. Da Vögel eine andere visuelle Reaktion als Menschen haben (tetrachromatische statt trichromatische Rezeptoren in der Netzhaut), können sie ultraviolettes Licht wahrnehmen, dass wir nicht sehen können.
Sie nutzen diese Fähigkeit, um sich gegenseitig zu erkennen, um ihre Hackordnung festzulegen, und Hennen nutzen sie, um den Gesundheitszustand ihrer Brut zu beurteilen (gesündere Küken haben ein dichteres Gefieder, das das UV-Licht stärker reflektiert, so dass eine Mutterhenne schnell schwache von starken Küken unterscheiden kann). Bei niedrigem UV-Licht können die Hühner diesen zusätzlichen Sinn nicht nutzen und werden daher unruhig und sogar aggressiv. Im Idealfall sollte die Beleuchtungsstärke 30-50 Lux auf 80% des Raums betragen (Geflügel hat außerdem ein größeres Sichtfeld (300°) als der Mensch (180°), und daher muss der gesamte Raum gut beleuchtet sein, ohne dunkle oder schattige Bereiche, die von den Vögeln als bedrohlich empfunden werden könnten).
In der Milchviehhaltung kann die LED-Beleuchtung zur Steigerung der Milchproduktion eingesetzt werden. Milchkühe benötigen für eine optimale Milchproduktion eine bestimmte Lichtmenge pro Tag (in der Regel 150 Lux für 16 Stunden pro Tag), und LED-Beleuchtung kann genau das benötigte Spektrum und die benötigte Intensität liefern. Tests haben gezeigt, dass bei optimaler Beleuchtung im Vergleich zu dunklen oder kurzen Beleuchtungszeiten eine Steigerung der Milchleistung um 5-16% erzielt werden kann. Wie Geflügel haben Kühe ein sehr weites Sichtfeld und werden durch dunkle oder schattige Bereiche im Sichtfeld verunsichert, daher ist eine breite, gleichmäßige Beleuchtung erforderlich. Es ist auch wichtig, dass es eine Zeit mit geringer Beleuchtung (<50 Lux) gibt, damit die Kühe sich richtig ausruhen können. Da Rinder rotes Licht nicht sehen können, kann die LED-Beleuchtung während dieser Zeit auch auf das rote Spektrum umgeschaltet werden, damit die Landarbeiter nach den Kühen sehen können, ohne sie zu wecken.
Abb. 2.0: „Tageslicht“ für optimale Milchleistung.
Abb. 2.1: Die „Nachtzeit“-Beleuchtung ist für Menschen sichtbar, aber nicht für Rinder.
In der Geflügelzucht zum Beispiel wird LED-Beleuchtung mit UV- und sichtbarem Licht eingesetzt, um den zirkadianen Rhythmus von Hühnern zu regulieren. Die richtige Lichtmenge und das richtige Lichtspektrum fördern die Eierproduktion, reduzieren den Stress und verbessern das allgemeine Wohlbefinden der Tiere. Da Vögel eine andere visuelle Reaktion als Menschen haben (tetrachromatische statt trichromatische Rezeptoren in der Netzhaut), können sie ultraviolettes Licht wahrnehmen, dass wir nicht sehen können.
Sie nutzen diese Fähigkeit, um sich gegenseitig zu erkennen, um ihre Hackordnung festzulegen, und Hennen nutzen sie, um den Gesundheitszustand ihrer Brut zu beurteilen (gesündere Küken haben ein dichteres Gefieder, das das UV-Licht stärker reflektiert, so dass eine Mutterhenne schnell schwache von starken Küken unterscheiden kann). Bei niedrigem UV-Licht können die Hühner diesen zusätzlichen Sinn nicht nutzen und werden daher unruhig und sogar aggressiv. Im Idealfall sollte die Beleuchtungsstärke 30-50 Lux auf 80% des Raums betragen (Geflügel hat außerdem ein größeres Sichtfeld (300°) als der Mensch (180°), und daher muss der gesamte Raum gut beleuchtet sein, ohne dunkle oder schattige Bereiche, die von den Vögeln als bedrohlich empfunden werden könnten).
In der Milchviehhaltung kann die LED-Beleuchtung zur Steigerung der Milchproduktion eingesetzt werden. Milchkühe benötigen für eine optimale Milchproduktion eine bestimmte Lichtmenge pro Tag (in der Regel 150 Lux für 16 Stunden pro Tag), und LED-Beleuchtung kann genau das benötigte Spektrum und die benötigte Intensität liefern. Tests haben gezeigt, dass bei optimaler Beleuchtung im Vergleich zu dunklen oder kurzen Beleuchtungszeiten eine Steigerung der Milchleistung um 5-16% erzielt werden kann. Wie Geflügel haben Kühe ein sehr weites Sichtfeld und werden durch dunkle oder schattige Bereiche im Sichtfeld verunsichert, daher ist eine breite, gleichmäßige Beleuchtung erforderlich. Es ist auch wichtig, dass es eine Zeit mit geringer Beleuchtung (<50 Lux) gibt, damit die Kühe sich richtig ausruhen können. Da Rinder rotes Licht nicht sehen können, kann die LED-Beleuchtung während dieser Zeit auch auf das rote Spektrum umgeschaltet werden, damit die Landarbeiter nach den Kühen sehen können, ohne sie zu wecken.
Abb. 2.0: „Tageslicht“ für optimale Milchleistung.
Abb. 2.1: Die „Nachtzeit“-Beleuchtung ist für Menschen sichtbar, aber nicht für Rinder.
Vorteile von LED-Beleuchtung im Gartenbau
Wie bereits erwähnt, bietet die LED-Beleuchtung eine präzise Steuerung des Spektrums, was bedeutet, dass das Licht auf die spezifischen Bedürfnisse der Pflanzen zugeschnitten werden kann; die klassischen Grow Lampen strahlen stärker in den Farben Magenta und Blau. Für die verschiedenen Phasen des Pflanzenwachstums werden jedoch unterschiedliche Wellenlängen des Lichts benötigt, und die LED-Beleuchtung kann für jede Phase das optimale Spektrum liefern. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie weniger Wärme und Infrarotstrahlung erzeugt als herkömmliche Beleuchtungsmethoden, wodurch das Risiko von Hitzestress für die Pflanzen bei hohen Beleuchtungsstärken verringert wird. Dies ist besonders wichtig für die Indoor Farming und den Gewächshausanbau, wo die Temperaturkontrolle entscheidend ist.
Beim Indoor Farming werden Pflanzen in Innenräumen unter rein künstlicher Beleuchtung angebaut, was eine ganzjährige Pflanzenproduktion ermöglicht. Bei der vertikalen Landwirtschaft werden die Pflanzen in übereinanderliegenden Schichten angebaut, was eine platzsparende Option für städtische Gebiete darstellt. Die LED-Beleuchtung sorgt für das notwendige Licht für das Pflanzenwachstum in jeder Schicht und reduziert den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung. Beim Hydrokulturanbau werden die Pflanzen in einer nährstoffreichen Wasserlösung ohne Erde angebaut. Die LED-Beleuchtung bietet das richtige Lichtspektrum für die Photosynthese, sodass die Pflanzen schneller wachsen und höhere Erträge erzielen. Eine Variante des erdlosen Gartenbaus ist die aeroponische Landwirtschaft, bei der Pflanzen in einer Luft- oder Nebelumgebung angebaut werden, und die aquaponische Landwirtschaft, bei der Pflanzen in einer Wasserumgebung mit Fischen angebaut werden.
Auch hier wird LED-Beleuchtung eingesetzt, um das notwendige Lichtspektrum für ein optimales Pflanzenwachstum bereitzustellen und das Wachstum der Wasserorganismen zu unterstützen. Indoor Farming wird immer beliebter, besonders in städtischen Gebieten, wo der Platz begrenzt ist. Hier spielt die LED-Beleuchtung eine entscheidende Rolle, da sie das notwendige Licht für das Pflanzenwachstum liefert und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Wärmeabgabe reduziert. In größerem Maßstab wird LED-Beleuchtung im Gewächshausanbau eingesetzt, um unabhängig von den Wetterbedingungen das notwendige Licht für das Pflanzenwachstum zu liefern. Künstliche Beleuchtung wird auch eingesetzt, um die Vegetationsperiode zu verlängern, d.h. Pflanzen können außerhalb ihrer normalen Vegetationsperiode angebaut werden.
Beim Indoor Farming werden Pflanzen in Innenräumen unter rein künstlicher Beleuchtung angebaut, was eine ganzjährige Pflanzenproduktion ermöglicht. Bei der vertikalen Landwirtschaft werden die Pflanzen in übereinanderliegenden Schichten angebaut, was eine platzsparende Option für städtische Gebiete darstellt. Die LED-Beleuchtung sorgt für das notwendige Licht für das Pflanzenwachstum in jeder Schicht und reduziert den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung. Beim Hydrokulturanbau werden die Pflanzen in einer nährstoffreichen Wasserlösung ohne Erde angebaut. Die LED-Beleuchtung bietet das richtige Lichtspektrum für die Photosynthese, sodass die Pflanzen schneller wachsen und höhere Erträge erzielen. Eine Variante des erdlosen Gartenbaus ist die aeroponische Landwirtschaft, bei der Pflanzen in einer Luft- oder Nebelumgebung angebaut werden, und die aquaponische Landwirtschaft, bei der Pflanzen in einer Wasserumgebung mit Fischen angebaut werden.
Auch hier wird LED-Beleuchtung eingesetzt, um das notwendige Lichtspektrum für ein optimales Pflanzenwachstum bereitzustellen und das Wachstum der Wasserorganismen zu unterstützen. Indoor Farming wird immer beliebter, besonders in städtischen Gebieten, wo der Platz begrenzt ist. Hier spielt die LED-Beleuchtung eine entscheidende Rolle, da sie das notwendige Licht für das Pflanzenwachstum liefert und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Wärmeabgabe reduziert. In größerem Maßstab wird LED-Beleuchtung im Gewächshausanbau eingesetzt, um unabhängig von den Wetterbedingungen das notwendige Licht für das Pflanzenwachstum zu liefern. Künstliche Beleuchtung wird auch eingesetzt, um die Vegetationsperiode zu verlängern, d.h. Pflanzen können außerhalb ihrer normalen Vegetationsperiode angebaut werden.
Eine praktische LED-Lösung für landwirtschaftliche LED-Beleuchtung
Das folgende Schema zeigt ein Konzept für eine sehr flexible und kosteneffektive Lösung für eine großflächige LED-Innenbeleuchtung für die Landwirtschaft. Das Herzstück des Systems besteht aus einem günstigen Einplatinencomputer (SBC), wie z.B. einem Raspberry Pi oder einem Arduino mit einem WiFi-Kommunikationsmodul und einem kleinen LCD (optional mit Touchscreen), sowie einem digitalen Netzteil RACM1200, das 1000W in einem geschlossenen, staubdichten und lüfterlosen Gehäuse liefern kann.
Abb. 4: Blockdiagramm eines einfachen universellen LED-Beleuchtungssystems, das mit einem
dynamischen Farbspektrum auf verschiedene Tiere und Pflanzen abgestimmt werden kann.
Das LED-Beleuchtungssteuerungssystem kann das Farbspektrum in Echtzeit manipulieren, indem es verschiedene LED-Bänke einzeln dimmt, während der SBC mit der Stromversorgung kommuniziert, um die LED-Beleuchtung zu voreingestellten Zeiten ein- und auszuschalten oder die Gesamtlichtintensität einzustellen. Ein zentrales Dimmen für einen geringeren Stromverbrauch kann erreicht werden, indem die Ausgangsspannung über eine digitale Steuerung heruntergeregelt wird.
Der RACM1200 ist ideal für diese Anwendung, da er über einen separaten „immer eingeschalteten“ 5V-Ausgang verfügt, der den SBC auch dann noch mit Strom versorgt, wenn der Hauptausgang komplett ausgeschaltet ist. Darüber hinaus verfügt er über einen separaten 12V-Lüfterausgang, der in diesem Beispiel verwendet wird, um den Logikpegel der E/A-Pins auf dem SBC auf ein höheres Spannungssignal zu erhöhen, das die Leistungs-MOSFETs effizienter und mit voller Leistung schalten kann.
Die LED-Leuchten werden mit einer sicheren Spannung von 48VDC betrieben, so dass keine Gefahr besteht, dass Tiere einen Stromschlag erleiden, wenn sie auf freiliegenden Kabeln herumkauen, und dass die Leuchten in optimaler Höhe für eine gleichmäßige Beleuchtung von der Decke abgehängt werden können, obwohl sie für die Landarbeiter leicht zu erreichen sind. In der vertikalen Landwirtschaft, wo jeder Stapel einzeln auf engstem Raum in einer feuchten oder nebligen Umgebung beleuchtet wird, erfordert der Schutz der Arbeiter eine solche sichere Niederspannungs-Verkabelung. Natürlich ist der RACM1200 durchgehend kurzschlussfest und wird bei einem Kurzschluss am Ausgang nicht beschädigt.
Abb. 5: Durch Variation des PWM-Signals für jede LED-Bank wird die
scheinbare Beleuchtung (Farbtemperatur) verändert.
Die Farbtemperatur der Beleuchtung wird eingestellt, indem das PWM-Signal vom SBC für jeden Kanal geändert wird, um je nach Bedarf mehr rote, mehr blaue, weißere oder mehr UV-Beleuchtung anzubieten. Die LEDs werden mit einem PWM-Signal von über 200Hz geschaltet, damit das Geflügel nicht durch das Flimmern gestört wird (Menschen können Flimmern bei 100Hz oder mehr nicht sehen, daher haben viele kostengünstige LED-Stromversorgungen ein sehr hohes Ausgangsflimmern bei der doppelten Netzfrequenz von 50Hz oder 60Hz. Dies kann ein Problem für Vögel sein, die ein Flimmern der Beleuchtung bis zu 190 Hz wahrnehmen können. Der Ausgang des RACM1200 ist flimmerfrei und die PWM-Dimmung erfolgt mit einer höheren Frequenz, als die Tiere wahrnehmen können).
Das gesamte System kann in einem Gehäuse untergebracht werden, das nicht größer als ein Schuhkarton ist, obwohl der RACM1200 stark genug ist, um einen ganzen Stall oder ein Gewächshaus zu beleuchten (Ausgangsleistung 1000W ohne Ventilatorkühlung). Ein weiterer Vorteil ist der weite Eingangsspannungsbereich von 80-264VAC, so dass selbst instabile oder unregelmäßige Stromversorgungen in abgelegenen Scheunen oder entfernten Nebengebäuden kein großes Problem darstellen.
Abb. 4: Blockdiagramm eines einfachen universellen LED-Beleuchtungssystems, das mit einem
dynamischen Farbspektrum auf verschiedene Tiere und Pflanzen abgestimmt werden kann.
Das LED-Beleuchtungssteuerungssystem kann das Farbspektrum in Echtzeit manipulieren, indem es verschiedene LED-Bänke einzeln dimmt, während der SBC mit der Stromversorgung kommuniziert, um die LED-Beleuchtung zu voreingestellten Zeiten ein- und auszuschalten oder die Gesamtlichtintensität einzustellen. Ein zentrales Dimmen für einen geringeren Stromverbrauch kann erreicht werden, indem die Ausgangsspannung über eine digitale Steuerung heruntergeregelt wird.
Der RACM1200 ist ideal für diese Anwendung, da er über einen separaten „immer eingeschalteten“ 5V-Ausgang verfügt, der den SBC auch dann noch mit Strom versorgt, wenn der Hauptausgang komplett ausgeschaltet ist. Darüber hinaus verfügt er über einen separaten 12V-Lüfterausgang, der in diesem Beispiel verwendet wird, um den Logikpegel der E/A-Pins auf dem SBC auf ein höheres Spannungssignal zu erhöhen, das die Leistungs-MOSFETs effizienter und mit voller Leistung schalten kann.
Die LED-Leuchten werden mit einer sicheren Spannung von 48VDC betrieben, so dass keine Gefahr besteht, dass Tiere einen Stromschlag erleiden, wenn sie auf freiliegenden Kabeln herumkauen, und dass die Leuchten in optimaler Höhe für eine gleichmäßige Beleuchtung von der Decke abgehängt werden können, obwohl sie für die Landarbeiter leicht zu erreichen sind. In der vertikalen Landwirtschaft, wo jeder Stapel einzeln auf engstem Raum in einer feuchten oder nebligen Umgebung beleuchtet wird, erfordert der Schutz der Arbeiter eine solche sichere Niederspannungs-Verkabelung. Natürlich ist der RACM1200 durchgehend kurzschlussfest und wird bei einem Kurzschluss am Ausgang nicht beschädigt.
Abb. 5: Durch Variation des PWM-Signals für jede LED-Bank wird die
scheinbare Beleuchtung (Farbtemperatur) verändert.
Die Farbtemperatur der Beleuchtung wird eingestellt, indem das PWM-Signal vom SBC für jeden Kanal geändert wird, um je nach Bedarf mehr rote, mehr blaue, weißere oder mehr UV-Beleuchtung anzubieten. Die LEDs werden mit einem PWM-Signal von über 200Hz geschaltet, damit das Geflügel nicht durch das Flimmern gestört wird (Menschen können Flimmern bei 100Hz oder mehr nicht sehen, daher haben viele kostengünstige LED-Stromversorgungen ein sehr hohes Ausgangsflimmern bei der doppelten Netzfrequenz von 50Hz oder 60Hz. Dies kann ein Problem für Vögel sein, die ein Flimmern der Beleuchtung bis zu 190 Hz wahrnehmen können. Der Ausgang des RACM1200 ist flimmerfrei und die PWM-Dimmung erfolgt mit einer höheren Frequenz, als die Tiere wahrnehmen können).
Das gesamte System kann in einem Gehäuse untergebracht werden, das nicht größer als ein Schuhkarton ist, obwohl der RACM1200 stark genug ist, um einen ganzen Stall oder ein Gewächshaus zu beleuchten (Ausgangsleistung 1000W ohne Ventilatorkühlung). Ein weiterer Vorteil ist der weite Eingangsspannungsbereich von 80-264VAC, so dass selbst instabile oder unregelmäßige Stromversorgungen in abgelegenen Scheunen oder entfernten Nebengebäuden kein großes Problem darstellen.
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