農(nóng)業(yè)與UV LED技術(shù)的結(jié)合

紫外線（UV）LED市場在過去十年中已經(jīng)擴(kuò)大了五倍，預(yù)計(jì)到2025年將增長到10億美元以上。預(yù)計(jì)影響市場的一個(gè)關(guān)鍵趨勢是能夠擴(kuò)展到包括農(nóng)業(yè)在內(nèi)的新應(yīng)用。紫外線，在適當(dāng)?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(zhì)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(shè)計(jì)。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(dāng)?shù)溺R片材料至關(guān)重要。

紫外線可以增加藥用植物中活性物質(zhì)的含量

隨著室內(nèi)和城市農(nóng)業(yè)的爆炸，LED的節(jié)能不僅吸引人，而且紫外線LED的進(jìn)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(nèi)農(nóng)業(yè)。紫外線已被證明可以促進(jìn)藥用植物中活性物質(zhì)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(xué)品，因?yàn)樗鼈兙哂性鰪?qiáng)的殺菌能力。雖然室內(nèi)農(nóng)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(shí)際到達(dá)植物的紫外線光。隨著紫外線LED價(jià)格持續(xù)下降，能夠經(jīng)濟(jì)有效地將目標(biāo)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(shí)間將得到改善。然而，UV LED仍然需要與適當(dāng)?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(fēng)險(xiǎn)。

圖1：具有UV分類的UV和可見光譜

介紹

歷史和波長

紫外（UV）光是電磁波譜的關(guān)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?nèi)斯ぎa(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(diǎn)：?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(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)而被人們所知，然而，它也被證明具有 抗菌作用，包括處理農(nóng)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(yīng)?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(rèn)為是最不 危害的;它以紫外線固化，假冒 檢測和法醫(yī)學(xué)應(yīng)用而聞名，但也因其 能夠觸發(fā)所需的植物反應(yīng)而應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。

最近的進(jìn)展

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(jìn)步，這不僅是由于固態(tài)UV裝置的制造的進(jìn)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(yīng)所有的紫外線范圍。自20世紀(jì)90年代末以來，在UV-A（390-420nm）范圍的上部傳輸U(kuò)V光的LED已經(jīng)可用，通常用于偽造檢測或驗(yàn)證駕駛執(zhí)照或文件，以及取證[2]。事實(shí)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(yīng)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(dāng)您進(jìn)入較短波長的UV-B和UV-C時(shí)，應(yīng)用會轉(zhuǎn)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(gè)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(jìn)步，UV LED市場在過去十年中已經(jīng)擴(kuò)大了五倍，預(yù)計(jì)到2025年將增長到13億美元。預(yù)計(jì)影響市場的一個(gè)關(guān)鍵趨勢是能夠進(jìn)一步擴(kuò)展到包括太陽能產(chǎn)品在內(nèi)的新應(yīng)用，食品飲料行業(yè)和農(nóng)業(yè)[5]。然而，仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)，特別是因?yàn)樗婕斑@些產(chǎn)品的鏡片組件，以確保該技術(shù)能夠以成本有效的方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)行業(yè)的期望結(jié)果。

紫外線對園藝的好處

隨著室內(nèi)和城市農(nóng)業(yè)的爆炸，人們越來越希望以經(jīng)濟(jì)有效的方式繼續(xù)改進(jìn)生長過程，這仍然會為目標(biāo)植物帶來積極的結(jié)果。關(guān)于在農(nóng)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]?！笔聦?shí)上，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究來確定不同波長之間的關(guān)系及其影響。關(guān)于植物生長。這些信息將有助于進(jìn)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(jié)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(diào)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(jìn)的LED為室內(nèi)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(xiàng)，如高壓鈉（HPS）。

現(xiàn)在，UV LED的進(jìn)一步發(fā)展使得有可能以非常有針對性的方式為室內(nèi)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]。”例如，普通玻璃阻擋了超過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(bǔ)充照明可能會產(chǎn)生不利影響。

紫外線也被證明可以促進(jìn)藥用植物中活性物質(zhì)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(xué)過程，使它們能夠識別觸發(fā)某些反應(yīng)的不同波長的光，包括可以改變植物形狀和改變化學(xué)組成的紫外線反應(yīng)[9]。然而，光子學(xué)領(lǐng)域仍然需要更多的研究重點(diǎn)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(zhì)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(yīng)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(zhì)，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(hù)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(yù)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(dāng)使用UV-B輻射生長時(shí)，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(rèn)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(dǎo)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(dá)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(xué)品，因?yàn)樗鼈兙哂性鰪?qiáng)的殺菌能力。植物產(chǎn)生的紫外線吸收化合物可以保護(hù)它們免受太多的紫外線輻射，也有助于保護(hù)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(nèi)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(dāng)劑量的UV-B成功地將白粉病的嚴(yán)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(gè)作物。在Ohtsuka和Osakabe的一項(xiàng)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(shí)驗(yàn)的第3天死亡[14]。

第三個(gè)主要威脅是灰霉?。˙otrytis 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(jìn)入，然后通過空氣或鞋子和衣服傳播到室內(nèi)種植室。因此，處理該害蟲可能涉及整個(gè)室內(nèi)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 /m2時(shí)，消毒率達(dá)到90％以上[15]。

在過去的幾十年中，支持紫外線保護(hù)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(qiáng)植物藥用價(jià)值的能力已經(jīng)大大增加。然而，如何成功地將UV結(jié)合到室內(nèi)生長設(shè)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(gòu)成重大威脅，但使用紫外線可以大大減少

將紫外線融入室內(nèi)農(nóng)業(yè)照明的思考

在考慮UV LED時(shí)，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(yīng)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(xué)設(shè)計(jì)，電源和驅(qū)動器[16]，最重要的是鏡頭材料。

確定應(yīng)用所需的劑量和波長

隨著室內(nèi)生長，確定最能滿足植物需求的光譜至關(guān)重要，因?yàn)椴煌ㄩL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(dá)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(nóng)業(yè)照明中時(shí)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(nèi)生長設(shè)施的主要光源中。例如，白藜蘆醇是植物響應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)生的藥用物質(zhì)，是通過需要波長低于360nm的UV-A輻射的化學(xué)反應(yīng)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(biāo)，以達(dá)到其目標(biāo)效果。

如果種植者有興趣預(yù)防特定植物有害生物的侵染，例如白粉病，蜘蛛螨，設(shè)計(jì)用于提供特定劑量的UV-B光的補(bǔ)充照明對于幫助控制這些植物有害生物是至關(guān)重要的。為了治療灰葡萄孢（Botrytis cinerea），紫外線可以整合到設(shè)計(jì)用于室內(nèi)空氣消毒的方法中，或作為有針對性的補(bǔ)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(nóng)業(yè)的不同需求和應(yīng)用，重要的是與一家了解紫外線應(yīng)用的照明公司合作，以增強(qiáng)生長和消毒/害蟲控制。

測量光輸出

無論是評估照明燈具還是單個(gè)LED組件，常見的方法都是比較各個(gè)制造商宣傳的光輸出測量值。但是，必須極其謹(jǐn)慎地確保您實(shí)際上在各種選項(xiàng)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(guān)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(shè)計(jì)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(yuǎn)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(xiàng)時(shí)，重要的是要了解傳感器將捕獲傳感器校準(zhǔn)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(jià)值或?qū)χ参镉形Γ⑶矣捎趥鞲衅鞯臏y量能力的限制，許多關(guān)鍵波長可能被排除。

每個(gè)光子的能量與相關(guān)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(xué)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(xiàng)，值得一提的是，盡管有各種紫外線輻射計(jì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)包含多個(gè)UV峰，這些UV峰與所使用的傳感器的目標(biāo)光譜沒有特別的對應(yīng)關(guān)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(shí)際經(jīng)歷的良好代理。

即使使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽頊y量光輸出，也要采取適當(dāng)?shù)闹?jǐn)慎措施，工廠本身最終是對燈光性能和實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的最佳判斷，您應(yīng)該認(rèn)真考慮環(huán)境內(nèi)測試以幫助驗(yàn)證來自產(chǎn)品制造商的聲明。

鏡頭的影響

在為植物選擇LED照明時(shí)，至關(guān)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(zhuǎn)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(guān)鍵部分。

此外，當(dāng)光在植物不需要的光譜區(qū)域產(chǎn)生波長時(shí)，未被植物吸收的光子最終將轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)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(shí)際上阻擋了大部分紫外線到達(dá)植物，將光轉(zhuǎn)化為熱量。

使用UV或甚至深藍(lán)色LED的另一個(gè)因素是大多數(shù)鏡片材料隨著時(shí)間的推移會經(jīng)歷顯著的降解，導(dǎo)致效率降低，甚至可能導(dǎo)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(shù)等新技術(shù)的進(jìn)步使得紫外光源與特殊類型的紫外透射鏡片材料相結(jié)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(dú)特的透鏡以及與UV LED的相關(guān)直接接觸允許更多的UV光透射并通過透鏡投射到其預(yù)期的光源，從而進(jìn)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(nèi)生長設(shè)施的冷卻要求。

圖4：被鏡頭內(nèi)的熱量損壞的LED示例

下一步是什么

隨著紫外線LED價(jià)格的不斷下降，在適當(dāng)?shù)牟ㄩL，正確的劑量以及特定植物物種生命周期的適當(dāng)時(shí)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(shí)將有助于進(jìn)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(shí)現(xiàn)特定植物物種的預(yù)期效果。

無論期望的植物生長或害蟲控制結(jié)果如何，對于燈的有效性和壽命，UV LED仍然需要與適當(dāng)?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(fēng)險(xiǎn)和/或或者LED本身。