紫外線(UV)LED市場在過去十年中已經(jīng)擴大了五倍，預計到2025年將增長到10億美元以上。預計影響市場的一個關鍵趨勢是能夠擴展到包括農業(yè)在內的新應用。紫外線，在適當?shù)念l率和劑量下，可以增加藥用和傳統(tǒng)植物中活性物質的產(chǎn)生，并且還可以幫助維持健康的生長環(huán)境。但要充分利用UV LED，需要考慮一些重要的重新設計。Violet Gro的母公司Violet Defense Group的首席執(zhí)行官Terrance Berland將解釋這些是什么考慮因素;例如，為什么合并適當?shù)溺R片材料至關重要。
紫外線可增加藥用植物中活性物質含量
隨著室內和城市農業(yè)的爆炸，LED的節(jié)能不僅吸引人，而且紫外線LED的進步使得紫外線，特別是UV-A和UV-B的額外好處成為可能。室內農業(yè)。紫外線已被證明可以促進藥用植物中活性物質的植物生產(chǎn)的增加，包括許多植物的抗氧化益處或大麻中的四氫大麻酚含量。紫外線還可以通過減少霉菌，霉菌和某些植物害蟲來幫助維持健康的生長環(huán)境-所有這些都需要替代化學品，因為它們具有增強的殺菌能力。雖然室內農業(yè)中使用的許多主要固定裝置產(chǎn)生一定程度的紫外光譜(無論多小)，但它們的外部透鏡材料阻擋了大部分(如果不是全部的話)，實際到達植物的紫外線光。隨著紫外線LED價格持續(xù)下降，能夠經(jīng)濟有效地將目標紫外線納入正常生長過程中，正確的波長，正確的劑量，以及特定植物物種生命周期中的正確時間將得到改善。然而，UV LED仍然需要與適當?shù)耐哥R組合，該透鏡能夠透射UV光而不會降低透鏡和/或LED本身的劣化或破壞的風險。
圖1：具有UV分類的UV和可見光譜
介紹
紫外(UV)光是電磁波譜的關鍵部分，波長范圍為10nm至400nm。這部分光譜位于人眼的可見光范圍之外，盡管昆蟲和鳥類可以感知到某些部分的紫外線[1]。大部分紫外光譜，包括所有極紫外線(10-100納米)和280納米以下的大部分光譜都被大氣吸收。然而，鑒于我們人工產(chǎn)生這些波長的能力，了解紫外光譜各部分的益處仍然很重要。
紫外光譜分類，它們的用途和優(yōu)點：?UV-C(200-280 nm)：幾乎完全被地球大氣吸收，UV-C常用于其殺菌效果?UV-B(280-320 nm)：約95 UV-B的百分比被地球大氣吸收，并且經(jīng)常因其與皮膚癌風險增加有關而被人們所知，然而，它也被證明具有抗菌作用，包括處理農業(yè)感染和害蟲，如白粉病或蜘蛛螨蟲;以及觸發(fā)增加黃酮類和大麻素的植物反應?UV-A(320-400 nm)：通常被稱為“黑光”，UV-A光在紫外光譜中具有最長的波長，被認為是最不危害的;它以紫外線固化，假冒檢測和法醫(yī)學應用而聞名，但也因其能夠觸發(fā)所需的植物反應而應用于農業(yè)。
大多數(shù)紫外線照明行業(yè)一直由LED以外的其他來源，尤其是水銀燈泡。然而，近年來UV LED已經(jīng)取得了顯著進步，這不僅是由于固態(tài)UV裝置的制造的進步，而且是由于增加了尋找更環(huán)保和節(jié)能的產(chǎn)生UV光的選擇的壓力。
然而，LED最近才能夠有意義地適應所有的紫外線范圍。自20世紀90年代末以來，在UV-A(390-420nm)范圍的上部傳輸UV光的LED已經(jīng)可用，通常用于偽造檢測或驗證駕駛執(zhí)照或文件，以及取證[2]。事實上，UV LED市場的很大一部分主要是用于固化的工業(yè)和商業(yè)應用，例如油墨，涂料或粘合劑，通常通過波長為350-390nm的UV-A光來完成[3]。
當您進入較短波長的UV-B和UV-C時，應用會轉向消毒食品，空氣，水和表面。這些是LED中可用的一些最新波長(第一個商業(yè)UV-C LED基于水的消毒系統(tǒng)于2012年推出[4])，盡管紫外線具有長期，完善的殺菌效果歷史。LED的節(jié)能不僅對許多行業(yè)有吸引力，例如水凈化，而且它們極小的尺寸使它們成為非常靈活的選擇，包括創(chuàng)建便攜式消毒系統(tǒng)的能力。
鑒于這些進步，UV LED市場在過去十年中已經(jīng)擴大了五倍，預計到2025年將增長到13億美元。預計影響市場的一個關鍵趨勢是能夠進一步擴展到包括太陽能產(chǎn)品在內的新應用，食品飲料行業(yè)和農業(yè)[5]。然而，仍然需要進一步的改進，特別是因為它涉及這些產(chǎn)品的鏡片組件，以確保該技術能夠以成本有效的方式實現(xiàn)每個行業(yè)的期望結果。
隨著室內和城市農業(yè)的爆炸，人們越來越希望以經(jīng)濟有效的方式繼續(xù)改進生長過程，這仍然會為目標植物帶來積極的結果。關于在農業(yè)中使用LED的許多現(xiàn)有研究都集中在可見光的波長和植物對各種過程所需的光譜上。在廣泛的研究中，“美國宇航局確定LED燈是在地球和太空中種植植物的最佳單源光源[6]。”事實上，已經(jīng)進行了許多研究來確定不同波長之間的關系及其影響。關于植物生長。這些信息將有助于進一步開發(fā)定制光譜照明，從而以更低的能源成本為工廠帶來更好的結果。例如，已經(jīng)確定紅光光譜(630-660nm)對于莖的生長和葉片的膨脹是必需的。它也是調節(jié)開花和休眠期的波長。
雖然早期的LED讓大多數(shù)工廠(和種植者)想要更多，但最新的最先進的LED為室內種植提供了更多可行的選擇，可以節(jié)省大量成本(如果與正確的鏡片材料配對)，特別是與傳統(tǒng)相比照明選項，如高壓鈉(HPS)。
現(xiàn)在，UV LED的進一步發(fā)展使得有可能以非常有針對性的方式為室內生長過程帶來紫外線，特別是UV-A和UV-B的額外好處。研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒有紫外線的情況下，某些植物品種可能“在葉片和枝條組織上形成愈傷組織樣膨脹[7]?！崩纾胀úＡё钃趿顺^90%的UV-B輻射[8]，因此，在溫室或其他類似環(huán)境中生長的植物，沒有補充照明可能會產(chǎn)生不利影響。
紫外線也被證明可以促進藥用植物中活性物質的植物生產(chǎn)的增加，包括許多植物的抗氧化益處或大麻中的四氫大麻酚含量。植物具有化學過程，使它們能夠識別觸發(fā)某些反應的不同波長的光，包括可以改變植物形狀和改變化學組成的紫外線反應[9]。然而，光子學領域仍然需要更多的研究重點來真正理解所有影響，包括最佳的部署方法。
圖2：紫外線可以增加藥用植物中活性物質的含量，如迷迭香或四氫大麻酚的抗氧化作用
植物對紫外線的響應最常見的方法之一是紫外吸收化合物的合成和積累。這些化合物，包括酚類物質，對植物來說就像一種防曬劑，可以防止過度暴露在紫外線下造成的損害。然而，酚類化合物的益處不僅有助于保護植物，而且已被證明具有顯著的人類健康益處，包括抗氧化益處和預防各種慢性疾病，包括某些癌癥和心血管疾病。在葡萄和紅葡萄酒中發(fā)現(xiàn)的白藜蘆醇已經(jīng)被研究過它對心臟，免疫系統(tǒng)甚至大腦功能的健康影響[10]。對迷迭香的研究表明，當使用UV-B輻射生長時，其總酚含量大約翻倍。
另一種以紫外線輻射下藥用化合物產(chǎn)量增加而聞名的植物是大麻(Cannabis sativa)。研究發(fā)現(xiàn)，在赤道最低緯度和高海拔地區(qū)的植物中發(fā)現(xiàn)了較高水平的大麻素(在3350米處比在1500米處大32%)。該協(xié)會認為，世界上這些地區(qū)的UV-B水平較高。隨后的研究表明，將植物暴露于UV-B可導致Δ9-四氫大麻酚(Δ9-THC)水平，其具有廣泛的藥用益處，在葉組織中增加高達48%，在花組織中增加32%[12]。
紫外線還可以通過減少霉菌，霉菌和某些植物害蟲來幫助維持健康的生長環(huán)境-所有這些都需要替代化學品，因為它們具有增強的殺菌能力。植物產(chǎn)生的紫外線吸收化合物可以保護它們免受太多的紫外線輻射，也有助于保護植物免受感染，傷害和某些植物害蟲的侵害。就好像這些化合物改變了植物對這些害蟲的“吸引力”。
室內種植者面臨的主要威脅是白粉病。然而，已經(jīng)證明紫外線可以顯著減少葡萄，玫瑰植物，黃瓜，迷迭香和草莓等植物的霉菌。研究人員使用適當劑量的UV-B成功地將白粉病的嚴重程度降低了90-99%[13]。
UV-B光還被證明可有效減少生存螨蟲，已知螨蟲會破壞整個作物。在Ohtsuka和Osakabe的一項研究中，暴露于UV-B劑量的幼蟲中只有不到6%在第二天存活，所有幼蟲在實驗的第3天死亡[14]。
第三個主要威脅是灰霉病(Botrytis cinerea)，一種灰霉病或通常稱為灰腐病，可以針對大約200種不同的物種，通常是水果或花卉，包括草莓，葡萄和大麻。這種害蟲通常從室外進入，然后通過空氣或鞋子和衣服傳播到室內種植室。因此，處理該害蟲可能涉及整個室內空氣消毒和/或地板消毒系統(tǒng)。研究表明，使用UV-C輻射可以最有效地處理灰葡萄孢(Botrytis cinerea)孢子。Mercier等。al(2001)的UV-C劑量為440-2200 J/m?時，消毒率達到90%以上[15]。
在過去的幾十年中，支持紫外線保護作物免受霉菌，霉菌和其他植物害蟲的益處的證據(jù)，以及增強植物藥用價值的能力已經(jīng)大大增加。然而，如何成功地將UV結合到室內生長設施中仍然存在重大挑戰(zhàn)。
圖3：白粉病和螨蟲對許多作物構成重大威脅，但使用紫外線可以大大減少
在考慮UV LED時，您不能僅僅停留在LED上。UV LED系統(tǒng)必須根據(jù)所需的UV劑量，應用所需的波長以及相對于植物冠層的照明布局來考慮特定的LED。但是，您還必須添加熱管理，光學設計，電源和驅動器[16]，最重要的是鏡頭材料。
隨著室內生長，確定最能滿足植物需求的光譜至關重要，因為不同波長的影響取決于您在生長周期中的位置以及特定的植物種類。例如，在可見光譜中，一小部分綠光(特定物種高達24%)可能有利于支持植物生長，但研究表明它是物種特異性的，超過50%可能有害效果[17]。將紫外線照射到農業(yè)照明中時也是如此-您必須清楚自己想要為植物完成的工作。
有幾種情況可能需要將UV集成到室內生長設施的主要光源中。例如，白藜蘆醇是植物響應應力產(chǎn)生的藥用物質，是通過需要波長低于360nm的UV-A輻射的化學反應形成的。對增加特定類黃酮或大麻素水平感興趣的種植者可能希望將UV-A，UV-B或兩者的組合作為目標，以達到其目標效果。
如果種植者有興趣預防特定植物有害生物的侵染，例如白粉病，蜘蛛螨，設計用于提供特定劑量的UV-B光的補充照明對于幫助控制這些植物有害生物是至關重要的。為了治療灰葡萄孢(Botrytis cinerea)，紫外線可以整合到設計用于室內空氣消毒的方法中，或作為有針對性的補充照明，可用于在常規(guī)治療周期中提供正確劑量的UV-C光。鑒于紫外線對農業(yè)的不同需求和應用，重要的是與一家了解紫外線應用的照明公司合作，以增強生長和消毒/害蟲控制。
無論是評估照明燈具還是單個LED組件，常見的方法都是比較各個制造商宣傳的光輸出測量值。但是，必須極其謹慎地確保您實際上在各種選項中比較相同的測量值，并且要注意許多產(chǎn)品/公司沒有充分披露其測試參數(shù)，包括稱為距離的關鍵尺寸。如果不控制這些參數(shù)的差異，數(shù)字的比較就沒有意義了。
此外，市場上的許多傳感器被設計成僅測量電磁波譜的特定部分，并且可能無法正確地捕獲選擇部分，通常包括可見光譜的遠紅端和非可見光譜的UV端。例如，在使用光合光子通量密度(PPFD)專門評估照明選項時，重要的是要了解傳感器將捕獲傳感器校準的波長中的任何能量。然而，并非所有波長都攜帶相同的能量，并且所有波長都不具有同等價值或對植物有吸引力，并且由于傳感器的測量能力的限制，許多關鍵波長可能被排除。
每個光子的能量與相關電磁波的波長成反比。波長越短，光子的能量越大，波長越長，光子的能量越小。因此，紅光比黃光或綠光具有更少的能量，即使在光合作用和其他植物化學過程方面紅光更適合植物。換句話說，產(chǎn)生大量黃光和綠光的光可以產(chǎn)生更高的PPFD讀數(shù)，但可能不會產(chǎn)生植物所需的光。
如果專門評估紫外線照明選項，值得一提的是，盡管有各種紫外線輻射計設計用于測量主要產(chǎn)生UV-C的傳統(tǒng)寬帶汞弧系統(tǒng)產(chǎn)生的紫外線，但它們無法正確測量紫外線產(chǎn)生的紫外線輸出。UV-LED，特別是如果您的燈光設計包含多個UV峰，這些UV峰與所使用的傳感器的目標光譜沒有特別的對應關系。許多UV-LED芯片制造商將在積分球中測量其LED的UV輸出，也稱為Ulbricht球[18]，它可能或可能不是工廠實際經(jīng)歷的良好代理。
即使使用適當?shù)膫鞲衅鱽頊y量光輸出，也要采取適當?shù)闹斏鞔胧?，工廠本身最終是對燈光性能和實現(xiàn)預期結果的最佳判斷，您應該認真考慮環(huán)境內測試以幫助驗證來自產(chǎn)品制造商的聲明。
在為植物選擇LED照明時，至關重要的是要記住雖然植物可能無法獲得太多光線，但它們肯定會產(chǎn)生過多的熱量。雖然LED比汞燈更有效，但研究表明紫外LED僅將接收輸入功率的約15-25%[19]轉換為光。剩余部分作為熱量傳遞，因此熱管理必須是系統(tǒng)的關鍵部分。
此外，當光在植物不需要的光譜區(qū)域產(chǎn)生波長時，未被植物吸收的光子最終將轉化為需要更大冷卻成本的環(huán)境中的熱量-無論是在持續(xù)的電力需求方面，還是在前期基礎設施成本。
類似于溫室上的覆蓋物，某些類型的鏡片，例如來自HPS照明的外部玻璃夾套，實際上阻擋了大部分紫外線到達植物，將光轉化為熱量。
使用UV或甚至深藍色LED的另一個因素是大多數(shù)鏡片材料隨著時間的推移會經(jīng)歷顯著的降解，導致效率降低，甚至可能導致足夠的熱量被困住以最終破壞LED本身。
然而，Violet Gro的專利技術等新技術的進步使得紫外光源與特殊類型的紫外透射鏡片材料相結合，可以直接和直接接觸，而不會產(chǎn)生這些不利影響。這種獨特的透鏡以及與UV LED的相關直接接觸允許更多的UV光透射并通過透鏡投射到其預期的光源，從而進一步提高效率并降低熱輸出。這有利于LED的壽命，并且大大降低室內生長設施的冷卻要求。
圖4：被鏡頭內的熱量損壞的LED示例
隨著紫外線LED價格的不斷下降，在適當?shù)牟ㄩL，正確的劑量以及特定植物物種生命周期的適當時間，將紫外線有效地納入生長過程的能力將大大提高。這一現(xiàn)實將有助于進一步研究和開發(fā)紫外線解決方案，包括確定紫外波長和劑量的最佳組合，以實現(xiàn)特定植物物種的預期效果。
無論期望的植物生長或害蟲控制結果如何，對于燈的有效性和壽命，UV LED仍然需要與適當?shù)淖贤馔干渫哥R組合，該透鏡能夠透射紫外光而不會有降低或破壞透鏡的風險和/或或者LED本身。
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