Рынок чипов UV LED (ультрафиолетовых светодиодов) за последние 10 лет вырос в 5 раз и к 2025 году достигнет 1 миллиарда долларов. Ключевым фактором развития этого направления является растущий интерес к ним в сельском хозяйстве. Ультрафиолетовый свет, при правильной частоте и дозе, может увеличить содержание нужных активных веществ в растениях, а также улучшить их здоровье и защитить от болезней и вредителей. Но для полного использования потенциала УФ-светодиодов необходимо знать многие моменты, связанные с их внедрением и использованием.
Использование УФ-светодиодов в сельском хозяйстве
С развитием городского и тепличного сельского хозяйства появляются новые возможности для массового использования LED освещения, в частности УФ-светодиодов. Это позволяет не только экономить электроэнергию, но и использовать потенциал и возможности УФ-излучения, в частности УФ-А и УФ-В, в процессе роста растений.
Исследования показали, что благодаря использованию УФ-света можно добиться большей концентрации ценных активных веществ в растениях, таких как антиоксиданты. Ультрафиолетовое излучение также помогает поддерживать хорошее здоровье сельскохозяйственных культур, ограничивая рост плесени и некоторых видов вредителей, обеспечивая альтернативу химическим веществам, которые несравненно более вредны для окружающей среды. Хотя почти все виды освещения, пригодные для ведения сельского хозяйства в помещении, генерируют определенную дозу УФ-излучения, оно практически полностью удерживается материалом линзы (обычно стеклом).
Со снижением цен на УФ LED, становится все более выгодно использовать этот тип оборудования в сельскохозяйственном производстве с учетом подбора соответствующей длины волны, дозы облучения и согласования этих параметров с конкретной стадией роста.
Классификация ультрафиолетовых волн
Ультрафиолетовый свет является частью электромагнитного спектра с длиной волны от 10 до 400 нм. Этот диапазон примыкает к видимому свету и включает в себя более короткие длины волн. УФ-излучение не видно человеческому глазу, но в природе есть животные которые могут его обнаружить, например некоторые виды птиц и насекомых.
Большая часть УФ-излучения солнца поглощается атмосферой. Способность к поглощению уменьшается с увеличением длины волны — излучение в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (10–120 нм) поглощается практически полностью, а в среднем диапазоне (200–300 нм) и длинноволновом (120–200 нм) в значительной степени.
Разработка технологии УФ-светодиодов
На рынке УФ-освещения по-прежнему преобладают другие источники света, в частности ртутные лампы. Тем не менее LED UV в последние годы пережили мощное развитие, как из-за достижений в технологии их производства, так и из-за растущего давления со стороны потребителей и производителей на поиск более экологически чистого и энергоэффективного способа генерации УФ-излучения.
Светодиоды, излучающие в более высоких спектрах УФ-диапазона (390–420 нм), доступны с конца 1990-х годов и используются в основном в криминалистике и для проверки подлинности документов и банкнот. Значительная часть рынка УФ-светодиодов связана с устройствами, используемыми в процессе отвердения материалов УФ-излучением, где обычно используется диапазон УФ-А, с длиной волны от 350 до 390 нм.
Среди прочего, используются более короткие длины волн (из диапазонов УФ-В и УФ-С) для дезинфекции продуктов питания, воздуха, воды и поверхностей. Тут светодиодные УФ-лампы стали использоваться совсем недавно — первое коммерческое устройство для обеззараживания воды на основе светодиодных ламп было представлено в 2012 году. Преимуществом светодиодных систем является не только их высокая энергоэффективность, но и малые габариты, позволяющие миниатюризировать устройства.
Преимущества УФ-излучения в сельском хозяйстве
С ростом популярности городского и тепличного хозяйства также возрастает потребность в детальном контроле и управлении процессом роста растений, чтобы повысить рентабельность выращивания. Большинство исследовательских проектов, анализирующих использование светодиодных систем в сельском хозяйстве, были сосредоточены в первую очередь на излучении видимого света. Например НАСА, публикуя выводы своего исследования, заявило, что LED освещение является лучшим источником искусственного освещения, которое будет использоваться в процессе роста растений. Было проведено много подробных исследований чтобы понять влияние излучения определенной продолжительности на жизненный цикл растений. В частности было установлено что красный свет (630–660 нм) необходим для роста стеблей и листьев, а также для регулирования периодов цветения и покоя.
В то время как ранние системы светодиодного освещения не оправдали ожиданий производителей, новейшие устройства уже способны отлично конкурировать с традиционными источниками света, такими как лампы. По мере развития технологий светодиодные УФ-системы позволяют повысить эффективность и прибыльность тепличных культур. Научные исследования показали, что рост растений в среде бедной ультрафиолетовым светом, может быть ненормальным для некоторых видов, что увеличивает вероятность заболевания и повреждения. Например обычное стекло способно блокировать около 90% энергии УФ-В излучения, поэтому недостаток УФ-излучения для тепличных культур может привести к негативным последствиям для развития растений.
Доказано положительное влияние УФ-излучения на повышение концентрации активных веществ в некоторых видах растений, например, антиоксидантов. Воздействие света соответствующей длины волны позволяет инициировать в растениях избранные химические и физические процессы. Под воздействием энергии УФ-излучения они могут изменять свой химический состав.
Классификация УФ-спектра, применение и характеристики излучения отдельных диапазонов
УФ-С (200–280 нм) почти полностью поглощается атмосферой Земли. В основном используется в бактерицидных целях.
УФ-В (280–320 нм) — около 95 % энергии излучения в этом диапазоне поглощается атмосферой. Воздействие этого типа излучения увеличивает риск развития рака кожи. Он также проявляет бактерицидное действие, в частности для борьбы с инфекциями и вредителями поражающими растения (например, мучнистой росой или паутинным клещом). Воздействие этого излучения позволяет стимулировать выработку в некоторых растениях активных веществ, таких как флавоноиды или каннабиноиды.
УФ-А (320–400 нм) — это УФ-свет со свойствами, наиболее близкими к видимому свету. Чаще всего используют в процессе отвердения УФ-светом, обнаружения поддельных документов и банкнот (УФ-водяные знаки) или в криминалистике. В сельском хозяйстве его также можно использовать для запуска или стимуляции специфических реакций у некоторых растений.
Использование UV-LED в теплицах
При рассмотрении вопроса о внедрении УФ LED освещения необходимо учитывать не только сам источник света, но и такие аспекты, как доза облучения необходимая растениям, длина УФ-излучения или направление света. Правильно спроектированная система должна учитывать тепловые параметры (тепловыделение), форму и материал линз, свойства блока питания.
Садовод должен самостоятельно определить оптимальный диапазон спектра излучения с учетом вида культуры и последующих стадий цикла роста растений. Неправильное определение этих значений может привести к противоположному эффекту, например при освещении видимым светом низкое содержание зеленого цвета в спектре (примерно до 20 %) позволяет ускорить рост растений. Однако было доказано что слишком большое количество этого излучения (более 50% энергии спектра) оказывает пагубное воздействие.
Для цветоводов, заинтересованных в первую очередь в ускорении роста растений и повышении концентрации присутствующих в них активных веществ, основной целью будет обеспечение УФ-освещения в диапазоне УФ-А и УФ-В. Если же надо избавиться от вредных паразитов и бактерий, таких как мучнистая роса, нужно будет использовать УФ-В или даже УФ-С освещение.
Измерение мощности излучения
Для целей сравнения эффективности отдельных моделей светодиодных светильников необходимо разработать методы оценки качества отдельных устройств — чаще всего это делается путем измерения мощности светового излучения. Такое сравнение следует проводить с особой осторожностью, особенно если для этой цели используются данные, предоставленные производителями. Одна из проблем в том, что производители обычно не раскрывают всех подробностей процесса измерения которому подвергают свои приборы – в частности, речь идет о расстоянии между источником света и измеряемым элементом.
Поэтому гораздо более объективным решением будет провести собственные измерения и опираться на их результаты. Наличие измерительной системы, интегрированной с системой освещения, также дает дополнительные преимущества, такие как возможность лучшего контроля работы или немедленное обнаружение любых нарушений.
При проектировании освещения следует помнить о правильном отводе тепла — слишком высокая температура создаваемая светодиодами может негативно сказаться на развитии растений. Хотя светодиодные лампы намного эффективнее традиционных источников света, исследования показывают что в LED УФ-системах только около 25% потребляемой электроэнергии преобразуется в световую, а остальная часть преобразуется в тепло.
Тип используемых линз оказывает большое влияние на тепловую эффективность системы освещения. Изготовление их из неподходящего материала может привести к значительному увеличению поглощения УФ-излучения и выделению тепловой энергии. Линзы также подвержены процессам старения, а это значит что их параметры со временем значительно ухудшаются. На рынке можно найти линзы для источников УФ-излучения – они изготовлены из материала с повышенным коэффициентом пропускания излучения в нужном диапазоне.
В общем UV-LED освещение становится все более привлекательными с точки зрения экономии и полезности, что позволяет упростить и удешевить внедрение системы УФ-освещения при выращивании растений.
