Avec le développement rapide de l’horticulture d’intérieur, les technologies d’éclairage artificiel sont depuis longtemps largement utilisées dans la culture des plantes d’intérieur et de serre. Afin de choisir la meilleure source lumineuse pour la croissance des plantes, il est nécessaire de comprendre l’histoire, les caractéristiques, le mécanisme luminescent et l’applicabilité des sources lumineuses typiques.
1. Trois technologies d’éclairage horticole
Trois principales technologies de source lumineuse ont été utilisées dans le système d’ éclairage horticole : l’incandescence (lampe à incandescence), une décharge électrique (fluorescente, HID) et les sources lumineuses à semi-conducteurs (LED, OLED). La première et les deux sont appelées technologies « héritées », et la troisième est considérée comme des technologies modernes. Voici les différences entre les lampes de culture à LED et les autres lampes pour plantes.
1.1 Lampe fluorescente
Lumière de croissance fluorescente
La lampe fluocompacte (CFL) est considérée comme la deuxième génération de source lumineuse artificielle, qui a connu le plus grand développement en éclairage depuis la lampe à incandescence. Il existe trois principaux types de lampes fluorescentes : les lampes à cathode froide, à cathode chaude et les lampes électroluminescentes. Ils utilisent tous des phosphores excités par des électrons pour créer de la lumière. La différence est que les lampes électroluminescentes utilisent la fluorescence. Il a été largement utilisé dans les hôtels, les bureaux, les magasins, les hôpitaux, les bibliothèques, la publicité, la famille et la culture des plantes pendant 78 ans d’histoire depuis son utilisation commerciale.
Les lampes à cathode froide et chaude se composent d’un tube à décharge en verre rempli d’un gaz inerte (généralement de l’argon) à basse pression, le revêtement fluorescent à l’intérieur, une électrode de tungstène de chaque côté, un ballast seul ou un ballast avec interrupteur de démarrage. Les lampes fluorescentes fonctionnent en ionisant la vapeur de mercure dans le tube de verre. Cela amène les électrons du gaz à émettre des photons à des fréquences UV. La lumière UV est convertie en lumière visible standard à l’aide d’un revêtement de phosphore à l’intérieur du tube.
1.2 Lampe à décharge à haute intensité (HID)
HID élèvent la lumière
Les lampes à décharge à haute intensité (lampes HID) sont connues comme la troisième génération de source de lumière artificielle. Il s’agit également d’un type de lampe à décharge électrique comprenant principalement des lampes aux halogénures métalliques, au sodium haute pression, au sodium basse pression et à vapeur de mercure. Les lampes HID sont applicables pour les grands carrés.
Les lampes HID produisent de la lumière en amorçant un arc électrique à travers des électrodes en tungstène logées à l’intérieur d’un tube à arc en quartz fondu transparent et spécialement conçu ou en alumine fondue. Ce tube est rempli à la fois de gaz et de sels métalliques. Le gaz aide à la frappe initiale de l’arc. Une fois l’arc démarré, les sels métalliques sont chauffés et évaporés pour produire la lumière, formant un plasma. Comme les lampes fluorescentes, un ballast est nécessaire pour que les lampes HID démarrent et maintiennent l’arc de décharge.
La lampe aux halogénures métalliques (MH) et la lampe au sodium haute pression (HPS) sont les lampes HID typiques. Le HPS est celui qui a été largement utilisé en horticulture.
Lampe aux halogénures métalliques (MH)
MH élève la lumière
La lampe aux halogénures métalliques (MH) est une sorte de source lumineuse HID. Il est populaire en raison de son excellent indice de rendu des couleurs et de son efficacité élevée. Les applications les plus importantes sont les rues et les places, les stades, les bâtiments industriels, les centres d’exposition, les centres commerciaux, les quais et les gares.
La stabilisation de l’arc et de la couleur de la lampe MH a été le principal problème de l’histoire. La lampe utilise de la vapeur de mercure pour créer une lumière puissante, mais comprend d’autres sels d’halogénure (fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), iode (I) et astate (At)) pour améliorer la couleur. Un halogène est un élément monovalent qui forme facilement des ions négatifs. Un halogénure est un composé chimique d’un halogène combiné à un élément électropositif.
Le gaz argon crée un arc à basse température, de sorte que le courant peut traverser l’électrode de démarrage jusqu’à l’électrode principale. L’arc initial est faible et il peut chauffer le mercure en vapeur. Ainsi, plus les molécules du gaz s’ionisent, plus le courant passe dans l’arc. Lorsque l’arc atteint l’autre électrode principale, le courant cesse de traverser l’électrode de démarrage. Pendant ce temps, les halogénures se vaporisent et se dissocient. Les atomes métalliques diffusent loin de l’arc et se recombinent avec l’halogène avant d’endommager la silice ou les électrodes. Enfin, la lampe est entièrement réchauffée et produit sa lumière blanche.
Certains matériaux critiques sont utilisés pour les lampes MH. Sous haute température et pression, le quartz fondu est adapté en raison d’une température de fusion élevée au lieu de la silice dans un verre normal. Pour augmenter la durée de vie, l’électrode en tungstène est également traitée avec du thorium radioactif. Le verre borosilicaté est utilisé dans l’enveloppe extérieure pour isoler et filtrer les rayons UVB. Le molybdène est utilisé dans le joint du tube à décharge pour éviter la corrosion et les températures élevées.
Lampe à sodium haute pression (HPS)
HPS élève la lumière
La lampe au sodium haute pression (HPS) est une sorte de lampe HID avec un rendement lumineux élevé et un rendement élevé. Il a été largement utilisé dans les aéroports, les entreprises industrielles et minières, les parcs, les autoroutes, les places, les échangeurs de rues et la croissance des plantes.
La lampe au sodium avec une pression plus élevée dans le tube à arc pourrait atteindre une efficacité plus élevée. Quel type de matériau pourrait supporter les effets corrosifs du sodium sous la pression et la température élevées est le principal problème. Plus tard, la céramique d’oxyde d’aluminium a été adoptée. Les lampes HPS se composent d’un tube à arc étroit soutenu par un cadre. Le sodium, le xénon et le mercure sont utilisés à l’intérieur du tube à arc. La lampe démarre un arc à travers le gaz xénon par une impulsion de haute tension via un ballast. Ensuite, l’arc chauffe les lampes MH de type mercure. Le sodium est le dernier matériau à se vaporiser (plus de 240℃). Le mercure contribue à ajouter une lumière bleue au jaune pur du sodium. Le sodium est mélangé à d’autres impuretés pour créer une belle lumière blanche.
1.3 Diode électroluminescente (LED)
GLMX720 720W LED élèvent la lumière
Les sources lumineuses à semi-conducteurs sont une sorte de sources lumineuses modernes, notamment les diodes électroluminescentes (LED) et les diodes électroluminescentes organiques (OLED). La LED est connue comme la quatrième génération de sources d’éclairage artificiel, qui a environ 60 ans d’histoire depuis la première LED infrarouge brevetée en 1961. En 1962, la première LED pratique à spectre visible a été développée. Les premières LED haute puissance (1W) ont été développées à la fin des années 1990. Il s’agit d’une nouvelle technologie qui s’est développée rapidement au cours de la dernière décennie. Les premières LED émettaient une lumière infrarouge ou rouge de faible intensité et étaient souvent utilisées comme lampes indicatrices au lieu de petites ampoules à incandescence. Les LED modernes sont disponibles dans une longueur d’onde large bande dans l’ultraviolet (250-380 nm), le visible (380-760 nm) et l’infrarouge (760-1000 nm), qui sont devenus populaires en raison de leur efficacité et de leur luminosité élevées. De nos jours,éclairage de serre , etc.
La LED est une petite source lumineuse à semi-conducteur (moins de 1 mm²), comprenant une jonction p–n à deux fils, des réflecteurs, des luminophores ou des composants optiques intégrés pour créer de la lumière et façonner son diagramme de rayonnement. La jonction p-n est une frontière entre deux types de matériaux semi-conducteurs à l’intérieur du même cristal. Comme la diode commune, la jonction pn ne laisse passer le courant électrique que dans un sens (du positif au négatif), appelé polarisation directe. La couleur de la lumière émise est déterminée par les matériaux semi-conducteurs et les impuretés de la jonction.
Un trou d’électrons existe lorsqu’un atome manque d’électrons (chargés négativement) et a donc une charge positive. Avec une tension ou un courant approprié, les électrons sont capables de se recombiner avec des trous d’électrons dans le semi-conducteur, libérant de l’énergie sous forme de photons. Cet effet est appelé électroluminescence. La couleur de la lumière correspond à l’énergie du photon, qui est déterminée par la bande interdite énergétique du semi-conducteur.
Le coût total d’un système d’éclairage comprend le prix d’achat initial, le coût de l’électricité et le coût de remplacement. Dans le passé, les LED étaient souvent trop chères pour la plupart des applications d’éclairage. Même si le prix des LED a considérablement diminué au cours des dernières années, il reste bien supérieur au prix des sources d’éclairage traditionnelles. Cependant, ce coût initial plus élevé peut être compensé par des durées de vie plus longues et une meilleure efficacité énergétique. Pourtant, étant donné que les économies de cycle de vie ne sont pas garanties au moment de la sélection du système d’éclairage, des coûts initiaux plus élevés constituent toujours un obstacle à l’acceptation de l’éclairage LED. Selon une étude de Samsung, le prix de vente d’un système d’éclairage à LED blanches doit baisser de 50 % afin de rendre les LED plus compétitives par rapport aux systèmes de lampes fluorescentes au cours des 4 à 5 prochaines années.
2. Comparaison de différentes sources lumineuses
Chacune de ces quatre générations de sources lumineuses artificielles différentes a fait de grands progrès. Mais d’un point de vue global, les LED élèvent des lampes présente des avantages plus évidents que les sources lumineuses traditionnelles. Premièrement, les LED peuvent convertir directement l’énergie électrique en lumière plutôt que de produire beaucoup de chaleur par un filament surchauffé, un gaz ionisé ou une décharge d’arc. Ainsi, elles peuvent économiser jusqu’à 90 % d’énergie par rapport à une ampoule traditionnelle avec le même rendement lumineux. En outre, le temps d’attente avant défaillance (MTTF) des LED peut être jusqu’à 10 fois plus long que celui des sources lumineuses traditionnelles, évitant ainsi les problèmes de remplacement fréquent des ampoules. Cela réduit considérablement les déchets mais permet également d’économiser de l’argent à long terme. En outre, différentes températures de couleur et de couleur de 2700 à 30 000 K sont disponibles, ainsi que des couleurs saturées. Ce sont des dispositifs à semi-conducteurs, qui sont beaucoup plus robustes que n’importe quelle lampe à enveloppe de verre et ne contiennent aucune matière dangereuse comme les lampes fluorescentes.
Comparaison de différentes lampes de culture
2.1 Adéquation des différentes sources lumineuses en CEA (Agriculture à Environnement Contrôlé)
Afin de gérer efficacement les conditions de croissance, les agriculteurs CEA conçoivent généralement des systèmes technologiques en contrôlant plusieurs facteurs qui influencent le taux de croissance et la santé des cultures. Ces facteurs comprennent le plus souvent :
- Température (air, solution nutritive, zone racinaire)
- Humidité
- Gaz carbonique
- Lumière (intensité, spectre, intervalle)
- Concentration en nutriments
- pH des nutriments (acidité)
Au fil du temps, plusieurs formes de ces technologies ont été expérimentées et affinées, au point d’être désormais couramment appliquées dans les opérations du CEA. Quelques exemples notables de technologies CEA sont les méthodes fréquemment médiatisées de la culture hydroponique, de l’agriculture verticale et de la culture à la lumière LED.
2.1.1 Legacy Light dans le CEA
Les sources lumineuses héritées du CEA comprennent la lampe à incandescence, la lampe fluorescente, la lampe au sodium haute pression et la lampe aux halogénures métalliques, en particulier les lampes fluorescentes et au sodium haute pression ont été les PARS les plus largement utilisées jusqu’à présent. Cependant, la plupart des PARS hérités ne peuvent pas être pleinement compétents en raison de leurs caractéristiques et de leurs limites.
Tout d’abord, le faible rendement électrique et la grande consommation d’énergie. Les coûts de l’énergie lumineuse représentent environ 60 à 70 % des coûts totaux de l’électricité. Il se manifeste principalement par la faible efficacité de conversion électro-optique, telle que la lampe au sodium haute pression (HPS) à seulement 30%, la lampe fluorescente à 40%. La majeure partie de l’énergie est libérée sous forme de chaleur, ce qui entraîne des élévations de température et une augmentation de la consommation d’énergie des systèmes de refroidissement (systèmes de refroidissement par air ou de climatisation).
Deuxièmement, une distribution spectrale de puissance (SPD) moins efficace. Le SPD de la lumière héritée est relativement fixe et différent à régler. Il a de nombreuses longueurs d’onde invalides ou inefficaces, qui ne peuvent pas parfaitement correspondre au spectre d’absorption sélective des plantes.
Troisièmement, une grande chaleur rayonnante. Les lampes héritées émettent de nombreux spectres infrarouges, qui se propagent sous forme de chaleur. Par exemple, la température des lampes au sodium haute pression peut atteindre 200 ℃, donc lorsque ce type de lumière est proche des feuilles des plantes, il est sûr de brûler les plantes, provoquant une dysplasie des plantes et même la mort. Ainsi, les lumières héritées ne peuvent pas éclairer les plantes à courte distance.
2.1.2 Éclairage LED au CEA
La LED est une sorte d’éclairage à semi-conducteurs; ses applications en horticulture protégée est l’une des plus grandes avancées de ces dernières décennies ; ses vastes applications ont une importance historique. En 2013, selon l’analyste de l’industrie de Wintergreen Research, la production mondiale de lampes LED pour les usines d’usine a atteint 1,2 milliard de dollars, soit une augmentation de 27 % par rapport à 2012.
La LED est une sorte d’éclairage durable et une alternative idéale pour la croissance des plantes. Il peut convertir directement l’énergie électrique en énergie lumineuse. Selon le dernier rapport, la LED a un effet d’économie d’énergie remarquable. L’efficacité de conversion électro-optique peut atteindre jusqu’à 60%, bien meilleure que la lampe HPS : 30%, lampe fluorescente : 40%. La LED peut être alimentée par une alimentation CC flexible. Il peut facilement réaliser un contrôle intelligent de la qualité, de l’intensité et de la photopériode de la lumière, ce qui est très difficile à réaliser pour les sources lumineuses traditionnelles. En raison de ses caractéristiques optiques et de ses avantages spectraux, les sources lumineuses à LED ne peuvent pas être égalées par une source traditionnelle dans la production végétale. La LED est une source idéale pour la production agricole. Les avantages de la lumière de croissance LED se reflètent principalement dans les points suivants :
A . La lumière de croissance à LED est plus efficace que la lumière traditionnelle. Le SPD de la LED peut être personnalisé et ajusté en fonction du spectre d’absorption sélective des plantes ;
B . La LED en tant que source de lumière froide peut éclairer près des plantes, ce qui améliore l’utilisation de l’espace ;
C . La LED utilise une alimentation CC, elle peut donc être facilement contrôlée et ajustée pour une intensité lumineuse, une qualité et une photopériode optimales, adaptées à la production à grande échelle et industrielle ;
D . Ses propres avantages tels que petite taille, matériau léger et solide, lumière monochromatique, économie d’énergie, longue durée de vie, respectueux de l’environnement, durabilité, sécurité, etc.
E . Le dispositif de source lumineuse à LED a de nombreuses variétés (tableau lumineux, bande lumineuse, tube lumineux et ampoule), ce qui convient à l’horticulture protégée dans divers domaines;
F . La source de lumière LED est un outil efficace pour étudier la photobiologie. Le système de test LED monochromatique peut révéler les caractéristiques biologiques comme fondement des applications LED dans les usines.
La consommation d’énergie en tant que principal coût d’exploitation est une raison importante du coût élevé de l’exploitation des usines. Par conséquent, la réduction de la consommation d’énergie du système d’éclairage est devenue le principal moyen d’économiser l’énergie. Prenant une usine d’usine comme exemple, le système d’éclairage est la plus grande consommation d’énergie, représentant plus de 60 % ; le système de climatisation est le second, représentant plus de 30%. Bien que les LED présentent de nombreux avantages, les systèmes d’éclairage LED pour la croissance des plantes doivent être conçus correctement pour obtenir les meilleures performances et durée de vie. Les LED ne rayonnent pas de chaleur directement mais produisent de la chaleur, donc un dissipateur thermique doit être utilisé pour dissiper la chaleur. Enfin, les LED étant des sources lumineuses directionnelles, des optiques externes sont nécessaires pour créer la distribution spectrale de puissance souhaitée.
Actuellement, la technologie LED utilisée en usine est principalement maîtrisée par quelques pays développés, comme le Japon et les Pays-Bas. La diffusion et l’application de LED dans l’horticulture protégée existent les obstacles suivants.
2.2 Photosynthèse des plantes avec différentes sources lumineuses
La photosynthèse est la réaction chimique la plus fondamentale et la plus importante au monde, sans que toute vie sur Terre ne disparaisse. Il est profondément affecté par les facteurs environnementaux. Au final, tous les facteurs maîtrisés au CEA (ventilation, chauffage, écrans thermiques ou ombrage, humidification, recirculation) sont destinés à favoriser la photosynthèse.
La lumière est un élément essentiel de la réaction. Il joue un rôle essentiel et a un effet direct sur la photosynthèse. La stratégie de contrôle de la lumière a une signification profonde pour le développement de l’horticulture protégée.
Photosynthèse de LED
Sur la base de l’analyse des sections précédentes, les spectres offerts par les lampes fluorescentes ou HID ne peuvent pas être ajustés spécifiquement pour la croissance des plantes. Généralement, une masse de longueurs d’onde est émise, mais très peu de ces longueurs d’onde profitent vraiment au taux de photosynthèse de la plante. La source de lumière LED est le choix idéal pour la production végétale et a le potentiel de produire la lumière la plus efficace du point de vue photosynthétique.
Nous parlons donc principalement de la stratégie de contrôle de la lumière LED. De système d’éclairage led horticole correctement configuré fournis aux plantes le traitement lumineux optimal dont elles ont besoin et obtiennent ainsi la meilleure croissance et la meilleure production. Pour la serre, la transmission lumineuse est un indice d’évaluation de base. La transmittance de la serre est le rapport entre la quantité de lumière incidente avant et après dans la serre, qui est influencé par les propriétés de transmission du matériau de revêtement et le taux d’ombre du squelette. Avec les différents angles de rayonnement solaire selon les saisons, la transmittance à effet de serre est sujette à changement. En général, la transmittance pour la serre en plastique à plusieurs travées est de 50% à 60%, pour la serre en verre, elle est de 60% à 70%, pour la serre solaire elle peut atteindre plus de 70%. Pour les serres solaires économes en énergie, il est généralement de 60 à 80 %. La transmission en serre devient un facteur d’impact direct sur la croissance des cultures et la sélection des espèces végétales. lorsque la lumière est insuffisante, une lumière supplémentaire doit être utilisée pour prolonger le temps d’exposition. L’intensité lumineuse peut être ajustée automatiquement en fonction de l’intensité lumineuse en temps réel et adaptée à la croissance des plantes. Pour usine d’usine, tout l’environnement lumineux est créé par des sources lumineuses artificielles, donc en plus du contrôle de la qualité, de la quantité et de la photopériode de la lumière, les besoins de la plante à différents stades doivent également être pris en compte. Les systèmes de contrôle intelligents de l’environnement lumineux comprennent des sources lumineuses à LED, des capteurs, des ordinateurs, etc. Des ajustements connexes doivent être effectués pour obtenir le meilleur environnement lumineux. Réaliser enfin trois objectifs : faible consommation d’énergie (efficacité énergétique), bonne qualité et haut rendement.
2.3 Recherche en photobiologie avec différentes sources lumineuses
La photobiologie est l’étude des relations entre la lumière et la biologie (animaux, plantes, micro-organismes). C’est un domaine multidisciplinaire comprenant la biologie, la chimie et la physique. Il vise à clarifier comment l’information lumineuse affecte les organismes, ainsi que le mécanisme d’une réaction biologique à la lumière.
Étude de photobiologie
La recherche en photobiologie à base de LED est à la base de la régulation de la lumière et une multidiscipline a traversé de nouveaux domaines. Le spectre étroit des LED a le potentiel de clarifier la relation entre les variétés de plantes, les caractéristiques de l’environnement lumineux, la photomorphogenèse, la physiologie, la biochimie et la biologie moléculaire. Il peut fournir une base scientifique pour la conception d’éclairage LED et la réglementation de l’environnement lumineux. Les plantes doivent se concentrer sur l’étude individuelle sous plusieurs angles. En particulier dans la qualité de la lumière LED et la physiologie photosynthétique des plantes, la nutrition des plantes et la physiologie métabolique des plantes. De nombreuses questions doivent être discutées et clarifiées en biologie moléculaire végétale.
Absorption photosynthétique du spectre lumineux
Par rapport au spectre sélectif des pigments végétaux, seule la LED peut fournir un spectre plus efficace dans la gamme bleue et rouge. La combinaison de spectres LED a le potentiel de produire le spectre optimal pour des espèces spécifiques.
La recette d’éclairage (LR) et la stratégie de contrôle de l’environnement lumineux (LECS) sont la condition préalable pour obtenir l’efficacité énergétique maximale sous la prémisse d’un rendement et d’une qualité élevés. Avec un rendement et une qualité élevés, LR fait référence à un ensemble de paramètres qui contient toutes les bases de données d’informations sur la lumière (qualité de la lumière, quantité, photopériode, etc.) pour la croissance et le développement d’espèces végétales particulières à différents stades de croissance. La qualité de la lumière dans LR contient la qualité de la lumière visible, la lumière UV et la lumière rouge lointaine, dont la lumière bleue et la lumière rouge sont essentielles pour la production végétale, et les autres sont une lumière bénéfique. LR est la base du contrôle intelligent des sources lumineuses et des environnements lumineux, la mise en place de la base de données LR a une grande importance dans les usines d’usines avec éclairage artificiel (ou électrique) (PFAL).
3. Conclusion
La technologie de la lumière artificielle est une technologie de base utilisée dans l’agriculture à environnement contrôlé, qui peut remplacer la lumière solaire unique pour la photosynthèse. Après une comparaison approfondie des défauts de chaque système d’éclairage artificiel, des caractéristiques et des mécanismes d’électroluminescence des sources lumineuses artificielles traditionnelles et modernes, la LED s’avère être la source lumineuse idéale pour la croissance des plantes.
- Le système d’éclairage LED peut ajuster dynamiquement la qualité de la lumière, la quantité et la photopériode dans les applications pratiques. Les producteurs peuvent exploiter l’avantage de la technologie LED pour cultiver des cultures de meilleure qualité ainsi qu’un rendement plus élevé par rapport aux systèmes d’éclairage traditionnels.
- Les lampes de culture à LED ont une efficacité beaucoup plus élevée environ 2 à 3 fois que les sources lumineuses traditionnelles, une durée de vie plus longue jusqu’à 2 à 5 fois que les sources lumineuses traditionnelles. Grâce au coût initial de la LED est plus élevé que HPS, MH, Fluorescent, les économies à long terme sur l’énergie, le remplacement des lumières, le travail manuel, le coût CVC, etc. font de la LED un choix plus compétitif que les lumières traditionnelles.