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详细解析:用于农业新兴应用的UV LED技术

中国粉体2019-01-07 来源:高工LED

 紫外线(UV)LED市场在过去十年中已经扩大了五倍,预计到2025年将增长到10亿美元以上。预计影响市场的一个关键趋势是能够扩展到包括农业在内的新应用。紫外线,在适当的频率和剂量下,可以增加药用和传统植物中活性物质的产生,并且还可以帮助维持健康的生长环境。但要充分利用UV LED,需要考虑一些重要的重新设计。Violet Gro的母公司Violet Defense Group的*执行官Terrance Berland将解释这些是什么考虑因素;例如,为什么合并适当的镜片材料至关重要。

 

  

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  紫外线可增加药用植物中活性物质含量

  随着室内和城市农业的爆炸,LED的节能不仅吸引人,而且紫外线LED的进步使得紫外线,特别是UV-A和UV-B的额外好处成为可能。室内农业。紫外线已被证明可以促进药用植物中活性物质的植物生产的增加,包括许多植物的抗氧化益处或大麻中的四氢大麻酚含量。紫外线还可以通过减少霉菌,霉菌和某些植物害虫来帮助维持健康的生长环境-所有这些都需要替代化学品,因为它们具有增强的杀菌能力。虽然室内农业中使用的许多主要固定装置产生一定程度的紫外光谱(无论多小),但它们的外部透镜材料阻挡了大部分(如果不是全部的话),实际到达植物的紫外线光。随着紫外线LED价格持续下降,能够经济有效地将目标紫外线纳入正常生长过程中,正确的波长,正确的剂量,以及特定植物物种生命周期中的正确时间将得到改善。然而,UV LED仍然需要与适当的透镜组合,该透镜能够透射UV光而不会降低透镜和/或LED本身的劣化或破坏的风险。

  

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  图1:具有UV分类的UV和可见光谱

  介绍

  紫外(UV)光是电磁波谱的关键部分,波长范围为10nm至400nm。这部分光谱位于人眼的可见光范围之外,尽管昆虫和鸟类可以感知到某些部分的紫外线[1]。大部分紫外光谱,包括所有极紫外线(10-100纳米)和280纳米以下的大部分光谱都被大气吸收。然而,鉴于我们人工产生这些波长的能力,了解紫外光谱各部分的益处仍然很重要。

  紫外光谱分类,它们的用途和优点:?UV-C(200-280 nm):几乎完全被地球大气吸收,UV-C常用于其杀菌效果?UV-B(280-320 nm):约95 UV-B的百分比被地球大气吸收,并且经常因其与皮肤癌风险增加有关而被人们所知,然而,它也被证明具有抗菌作用,包括处理农业感染和害虫,如白粉病或蜘蛛螨虫;以及触发增加黄酮类和大麻素的植物反应?UV-A(320-400 nm):通常被称为“黑光”,UV-A光在紫外光谱中具有最长的波长,被认为是最不危害的;它以紫外线固化,假冒检测和法医学应用而闻名,但也因其能够触发所需的植物反应而应用于农业。

  大多数紫外线照明行业一直由LED以外的其他来源,尤其是水银灯泡。然而,近年来UV LED已经取得了显着进步,这不仅是由于固态UV装置的制造的进步,而且是由于增加了寻找更环保和节能的产生UV光的选择的压力。

  然而,LED最近才能够有意义地适应所有的紫外线范围。自20世纪90年代末以来,在UV-A(390-420nm)范围的上部传输UV光的LED已经可用,通常用于伪造检测或验证驾驶执照或文件,以及取证[2]。事实上,UV LED市场的很大一部分主要是用于固化的工业和商业应用,例如油墨,涂料或粘合剂,通常通过波长为350-390nm的UV-A光来完成[3]。

  当您进入较短波长的UV-B和UV-C时,应用会转向消毒食品,空气,水和表面。这些是LED中可用的一些*波长(*个商业UV-C LED基于水的消毒系统于2012年推出[4]),尽管紫外线具有长期,完善的杀菌效果历史。LED的节能不仅对许多行业有吸引力,例如水净化,而且它们极小的尺寸使它们成为非常灵活的选择,包括创建便携式消毒系统的能力。

  鉴于这些进步,UV LED市场在过去十年中已经扩大了五倍,预计到2025年将增长到13亿美元。预计影响市场的一个关键趋势是能够进一步扩展到包括太阳能产品在内的新应用,食品饮料行业和农业[5]。然而,仍然需要进一步的改进,特别是因为它涉及这些产品的镜片组件,以确保该技术能够以成本有效的方式实现每个行业的期望结果。

  随着室内和城市农业的爆炸,人们越来越希望以经济有效的方式继续改进生长过程,这仍然会为目标植物带来积极的结果。关于在农业中使用LED的许多现有研究都集中在可见光的波长和植物对各种过程所需的光谱上。在广泛的研究中,“美国宇航局确定LED灯是在地球和太空中种植植物的*单源光源[6]。”事实上,已经进行了许多研究来确定不同波长之间的关系及其影响。关于植物生长。这些信息将有助于进一步开发定制光谱照明,从而以更低的能源成本为工厂带来更好的结果。例如,已经确定红光光谱(630-660nm)对于茎的生长和叶片的膨胀是必需的。它也是调节开花和休眠期的波长。

  虽然早期的LED让大多数工厂(和种植者)想要更多,但*的*进的LED为室内种植提供了更多可行的选择,可以节省大量成本(如果与正确的镜片材料配对),特别是与传统相比照明选项,如高压钠(HPS)。

  现在,UV LED的进一步发展使得有可能以非常有针对性的方式为室内生长过程带来紫外线,特别是UV-A和UV-B的额外好处。研究人员发现,在没有紫外线的情况下,某些植物品种可能“在叶片和枝条组织上形成愈伤组织样膨胀[7]。”例如,普通玻璃阻挡了超过90%的UV-B辐射[8],因此,在温室或其他类似环境中生长的植物,没有补充照明可能会产生不利影响。

  紫外线也被证明可以促进药用植物中活性物质的植物生产的增加,包括许多植物的抗氧化益处或大麻中的四氢大麻酚含量。植物具有化学过程,使它们能够识别触发某些反应的不同波长的光,包括可以改变植物形状和改变化学组成的紫外线反应[9]。然而,光子学领域仍然需要更多的研究重点来真正理解所有影响,包括*的部署方法。

  

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  图2:紫外线可以增加药用植物中活性物质的含量,如迷迭香或四氢大麻酚的抗氧化作用

  植物对紫外线的响应最常见的方法之一是紫外吸收化合物的合成和积累。这些化合物,包括酚类物质,对植物来说就像一种防晒剂,可以防止过度暴露在紫外线下造成的损害。然而,酚类化合物的益处不仅有助于保护植物,而且已被证明具有显着的人类健康益处,包括抗氧化益处和预防各种慢性疾病,包括某些癌症和心血管疾病。在葡萄和红葡萄酒中发现的白藜芦醇已经被研究过它对心脏,免疫系统甚至大脑功能的健康影响[10]。对迷迭香的研究表明,当使用UV-B辐射生长时,其总酚含量大约翻倍。

  另一种以紫外线辐射下药用化合物产量增加而闻名的植物是大麻(Cannabis sativa)。研究发现,在赤道*纬度和高海拔地区的植物中发现了较高水平的大麻素(在3350米处比在1500米处大32%)。该协会认为,世界上这些地区的UV-B水平较高。随后的研究表明,将植物暴露于UV-B可导致Δ9-四氢大麻酚(Δ9-THC)水平,其具有广泛的药用益处,在叶组织中增加高达48%,在花组织中增加32%[12]。

  紫外线还可以通过减少霉菌,霉菌和某些植物害虫来帮助维持健康的生长环境-所有这些都需要替代化学品,因为它们具有增强的杀菌能力。植物产生的紫外线吸收化合物可以保护它们免受太多的紫外线辐射,也有助于保护植物免受感染,伤害和某些植物害虫的侵害。就好像这些化合物改变了植物对这些害虫的“吸引力”。

  室内种植者面临的主要威胁是白粉病。然而,已经证明紫外线可以显着减少葡萄,玫瑰植物,黄瓜,迷迭香和草莓等植物的霉菌。研究人员使用适当剂量的UV-B成功地将白粉病的严重程度降低了90-99%[13]。

  UV-B光还被证明可有效减少生存螨虫,已知螨虫会破坏整个作物。在Ohtsuka和Osakabe的一项研究中,暴露于UV-B剂量的幼虫中只有不到6%在第二天存活,所有幼虫在实验的第3天死亡[14]。

  第三个主要威胁是灰霉病(Botrytis cinerea),一种灰霉病或通常称为灰腐病,可以针对大约200种不同的物种,通常是水果或花卉,包括草莓,葡萄和大麻。这种害虫通常从室外进入,然后通过空气或鞋子和衣服传播到室内种植室。因此,处理该害虫可能涉及整个室内空气消毒和/或地板消毒系统。研究表明,使用UV-C辐射可以最有效地处理灰葡萄孢(Botrytis cinerea)孢子。Mercier等。al(2001)的UV-C剂量为440-2200 J/m?时,消毒率达到90%以上[15]。

  在过去的几十年中,支持紫外线保护作物免受霉菌,霉菌和其他植物害虫的益处的证据,以及增强植物药用价值的能力已经大大增加。然而,如何成功地将UV结合到室内生长设施中仍然存在重大挑战。

  

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  图3:白粉病和螨虫对许多作物构成重大威胁,但使用紫外线可以大大减少

  在考虑UV LED时,您不能仅仅停留在LED上。UV LED系统必须根据所需的UV剂量,应用所需的波长以及相对于植物冠层的照明布局来考虑特定的LED。但是,您还必须添加热管理,光学设计,电源和驱动器[16],最重要的是镜头材料。

  随着室内生长,确定最能满足植物需求的光谱至关重要,因为不同波长的影响取决于您在生长周期中的位置以及特定的植物种类。例如,在可见光谱中,一小部分绿光(特定物种高达24%)可能有利于支持植物生长,但研究表明它是物种特异性的,超过50%可能有害效果[17]。将紫外线照射到农业照明中时也是如此-您必须清楚自己想要为植物完成的工作。

  有几种情况可能需要将UV集成到室内生长设施的主要光源中。例如,白藜芦醇是植物响应应力产生的药用物质,是通过需要波长低于360nm的UV-A辐射的化学反应形成的。对增加特定类黄酮或大麻素水平感兴趣的种植者可能希望将UV-A,UV-B或两者的组合作为目标,以达到其目标效果。

  如果种植者有兴趣预防特定植物有害生物的侵染,例如白粉病,蜘蛛螨,设计用于提供特定剂量的UV-B光的补充照明对于帮助控制这些植物有害生物是至关重要的。为了治疗灰葡萄孢(Botrytis cinerea),紫外线可以整合到设计用于室内空气消毒的方法中,或作为有针对性的补充照明,可用于在常规治疗周期中提供正确剂量的UV-C光。鉴于紫外线对农业的不同需求和应用,重要的是与一家了解紫外线应用的照明公司合作,以增强生长和消毒/害虫控制。

  无论是评估照明灯具还是单个LED组件,常见的方法都是比较各个制造商宣传的光输出测量值。但是,必须极其谨慎地确保您实际上在各种选项中比较相同的测量值,并且要注意许多产品/公司没有充分披露其测试参数,包括称为距离的关键尺寸。如果不控制这些参数的差异,数字的比较就没有意义了。

  此外,市场上的许多传感器被设计成仅测量电磁波谱的特定部分,并且可能无法正确地捕获选择部分,通常包括可见光谱的远红端和非可见光谱的UV端。例如,在使用光合光子通量密度(PPFD)专门评估照明选项时,重要的是要了解传感器将捕获传感器校准的波长中的任何能量。然而,并非所有波长都携带相同的能量,并且所有波长都不具有同等价值或对植物有吸引力,并且由于传感器的测量能力的限制,许多关键波长可能被排除。

  每个光子的能量与相关电磁波的波长成反比。波长越短,光子的能量越大,波长越长,光子的能量越小。因此,红光比黄光或绿光具有更少的能量,即使在光合作用和其他植物化学过程方面红光更适合植物。换句话说,产生大量黄光和绿光的光可以产生更高的PPFD读数,但可能不会产生植物所需的光。

  如果专门评估紫外线照明选项,值得一提的是,尽管有各种紫外线辐射计设计用于测量主要产生UV-C的传统宽带汞弧系统产生的紫外线,但它们无法正确测量紫外线产生的紫外线输出。UV-LED,特别是如果您的灯光设计包含多个UV峰,这些UV峰与所使用的传感器的目标光谱没有特别的对应关系。许多UV-LED芯片制造商将在积分球中测量其LED的UV输出,也称为Ulbricht球[18],它可能或可能不是工厂实际经历的良好代理。

  即使使用适当的传感器来测量光输出,也要采取适当的谨慎措施,工厂本身最终是对灯光性能和实现预期结果的*判断,您应该认真考虑环境内测试以帮助验证来自产品制造商的声明。

  在为植物选择LED照明时,至关重要的是要记住虽然植物可能无法获得太多光线,但它们肯定会产生过多的热量。虽然LED比汞灯更有效,但研究表明紫外LED仅将接收输入功率的约15-25%[19]转换为光。剩余部分作为热量传递,因此热管理必须是系统的关键部分。

  此外,当光在植物不需要的光谱区域产生波长时,未被植物吸收的光子最终将转化为需要更大冷却成本的环境中的热量-无论是在持续的电力需求方面,还是在前期基础设施成本。

  类似于温室上的覆盖物,某些类型的镜片,例如来自HPS照明的外部玻璃夹套,实际上阻挡了大部分紫外线到达植物,将光转化为热量。

  使用UV或甚至深蓝色LED的另一个因素是大多数镜片材料随着时间的推移会经历显着的降解,导致效率降低,甚至可能导致足够的热量被困住以最终破坏LED本身。

  然而,Violet Gro的专利技术等新技术的进步使得紫外光源与特殊类型的紫外透射镜片材料相结合,可以直接和直接接触,而不会产生这些不利影响。这种独特的透镜以及与UV LED的相关直接接触允许更多的UV光透射并通过透镜投射到其预期的光源,从而进一步提高效率并降低热输出。这有利于LED的寿命,并且大大降低室内生长设施的冷却要求。

  

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  图4:被镜头内的热量损坏的LED示例

  随着紫外线LED价格的不断下降,在适当的波长,正确的剂量以及特定植物物种生命周期的适当时间,将紫外线有效地纳入生长过程的能力将大大提高。这一现实将有助于进一步研究和开发紫外线解决方案,包括确定紫外波长和剂量的*组合,以实现特定植物物种的预期效果。

  无论期望的植物生长或害虫控制结果如何,对于灯的有效性和寿命,UV LED仍然需要与适当的紫外透射透镜组合,该透镜能够透射紫外光而不会有降低或破坏透镜的风险和/或或者LED本身。

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