農業におけるLED照明のメリット

畜産業におけるLED照明の重要性

LED照明は、動物の繁殖、成長、生産性を向上させるために畜産業で使用されています。動物の繁殖と成長には適切で十分な照明が不可欠であり、LED照明は動物の発達段階ごとに必要な光のスペクトルを正確に提供することができます。

例えば養鶏では、鶏の概日リズムを整えるために紫外線や可視光線のLED照明が使われています。適切な光の量とスペクトルは、卵の生産量の増加を促進し、ストレスを軽減し、鳥の全体的な繁殖を向上させます。鳥は人間とは異なる視覚反応（網膜の受容体が3色ではなく4色）を持っているため、人間には見えない紫外線を知覚することができます。鳥はこの能力を利用してお互いを識別して序列を作り、雌鶏はこの能力を利用して子鳥の健康状態を判断します（健康なヒナは紫外線をより強く反射する羽毛が密集しているので、雌鶏は弱いヒナと強いヒナをすぐに見分けることができます）。紫外線が少ない環境では、家禽はこのような感覚を働かせることができず、不快感を感じたり、攻撃的になったりすることもあります。理想的な照度は、空間の80％以上が30～50ルクスです。家禽は人間（180度）よりも広い視野（300度）を持っているため、空間全体が明るく、鳥にとって脅威と感じられるような暗い部分や日陰がないことが必要です。

酪農では、LED照明を使って乳量を増やすことができます。乳牛は、最適な乳量を得るために1日あたり特定の光量（通常150ルクス、1日あたり16時間）を必要としますが、LED照明は必要なスペクトルと強度を正確に提供することができます。テストによると、照明が最適な場合、暗すぎたり、照明時間が短い場合と比較して、乳量が5～16％増加することが分かっています。家禽類と同様、牛の視野は非常に広く、視界に暗い部分や陰があると落ち着かないので、広く均一な照明が必要です。また、牛をしっかり休ませるために、低照度（50ルクス以下）の時間を設けることも重要です。牛は赤い光を見ることができないので、この時間帯にLED照明を赤色に切り替えることで、牛を起こさずに農作業者が牛の様子を確認することもできます。

園芸におけるLED照明のメリットについて

前述したように、LED照明は精密なスペクトル制御が可能であるため、植物の特定のニーズに合わせた光を照射することができます。従来の栽培ランプは、マゼンタ色と青色を強く放射していましたが、植物の成長段階によって必要な光の波長は異なり、LED照明では各段階に最適なスペクトルを提供することができます。また、従来の照明方法と比べて熱や赤外線の発生が少ないため、高照度下で植物が熱ストレスを受けるリスクを軽減できるのも利点です。これは、温度管理が重要な室内農業や温室栽培において特に重要です。

屋内農業は、屋内で人工照明だけで作物を栽培するもので、年間を通じて作物を生産することが可能です。垂直農法は、作物を積み重ねて栽培するため、都市部ではスペースを有効に活用できます。LED照明が各層の植物の成長に必要な光を供給し、エネルギー消費と発熱を抑えることができます。水耕栽培では、土を使わず栄養価の高い水溶液で植物を育てます。LED照明は光合成に適したスペクトルの光を提供するため、植物の成長が早く、収穫量も多くなります。また、植物の種類に応じた光の必要条件をカスタマイズすることもできます。土を使わない園芸には、空気や霧の中で植物を育てるエアロポニック農法や、魚と一緒に水を使った環境で植物を育てるアクアポニック農法があります。ここでも、植物の生育に必要な光のスペクトルを確保し、水生生物の生育をサポートするために、LED照明が使用されています。特にスペースが限られている都市部では、屋内農業の人気が高まっています。植物の生育に必要な光を供給しながら、消費電力や発熱量を抑えることができるLED照明が重要な役割を担っているのです。

さらに大規模なものでは、温室栽培において、天候に左右されずに植物の生育に必要な光を供給するためにLED照明が使われています。また、人工照明によって栽培期間を延長することで、通常の栽培期間以外でも作物を栽培することができます。

農業用LED照明の実用的なLEDソリューション

以下の概略図は、農業用大面積屋内LED照明のための非常に柔軟で低コストのソリューションのコンセプトを示しています。システムの中心は、WiFi通信モジュールと小型LCD（オプションでタッチスクリーン付き）を搭載したRaspberry PiやArduinoなどの安価なシングルボードコンピュータ（SBC）と、1000Wを供給できるRACM1200デジタル電源からなり、密閉型、防塵型、ファンレスの筐体に収まっています。


LED照明制御システムは、異なるバンクのLEDを個別に調光することでリアルタイムにカラースペクトルを操作でき、SBCは電源と通信して、あらかじめ設定した時間にLED照明をオン・オフしたり、全体の光量を設定したりすることができます。デジタル制御により出力電圧を下げることで、より消費電力が低いグローバル調光を実現することができます。

RACM1200は、メイン出力が完全にオフになってもSBCに電力を供給し続ける独立した「常時オン」5V出力を備えているため、このアプリケーションに最適です。また、SBCのI/Oピンのロジックレベル出力を、パワーMOSFETをより効率的に、フルパワーでスイッチできる高い電圧信号へ昇圧するために使用する12Vファン出力も備えています。

LED照明器具は安全なDC48Vで動作するため、動物が露出した配線をかじって感電する心配がなく、農作業者の手が届きやすい高さで天井から吊るすことができるため均一な照明が得られます。垂直農法では、湿潤なミスト環境下で農作物1本1本を照らすため、作業員保護の観点からこのように安全な超低電圧配線が必要です。もちろん、RACM1200は連続短絡防止構造になっており、出力が短絡しても損傷することはありません。


照明の色温度は、SBCからのPWM信号をチャンネルごとに変更することで設定し、必要に応じて赤を強く、青を強く、白を強く、紫外線を強く照射することができます。LEDは200Hz以上のPWM信号でスイッチングされ、鳥がフリッカーに邪魔されないようになっています（人間は100Hz以上のフリッカーを見ることができないため、多くのコストパフォーマンスの高いLED電源は、メイン周波数の2倍の50Hzや60Hzのフリッカーを非常に高く出力しています。これは、190Hzまでの照明のちらつきを知覚できる鳥にとって問題となることがあります。RACM1200の出力はフリッカーがなく、PWM調光は動物が見ることのできる周波数よりも高い周波数です）。

RACM1200は、それだけで納屋や温室全体を照らすのに十分なパワーを持っていますが、システム全体は靴箱ほどの大きさに収めることができます（ファン冷却なしで出力1000W）。また、入力電圧範囲がAC80-264Vと広いので、遠隔地の納屋や遠くの温室への不安定な電源供給も大きな問題ではありません。