Auteur : Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Source Media：Technologie du génie agricole (horticulture en serre)

L'usine végétale combine l'industrie moderne, la biotechnologie, la culture hydroponique de nutriments et la technologie de l'information pour mettre en œuvre un contrôle de haute précision des facteurs environnementaux dans l'installation. Il est entièrement fermé, a de faibles exigences sur l'environnement, raccourcit la période de récolte des plantes, économise de l'eau et des engrais, et avec les avantages d'une production sans pesticides et sans rejet de déchets, l'efficacité unitaire d'utilisation des terres est de 40 à 108 fois supérieure. de production en plein champ. Parmi eux, la source de lumière artificielle intelligente et sa régulation de l'environnement lumineux jouent un rôle déterminant dans son efficacité de production.

En tant que facteur environnemental physique important, la lumière joue un rôle clé dans la régulation de la croissance des plantes et du métabolisme des matériaux. "L'une des principales caractéristiques de l'usine végétale est la source de lumière artificielle complète et la réalisation d'une régulation intelligente de l'environnement lumineux" est devenu un consensus général dans l'industrie.

Le besoin de lumière des plantes

La lumière est la seule source d’énergie nécessaire à la photosynthèse des plantes. L'intensité lumineuse, la qualité de la lumière (spectre) et les changements périodiques de lumière ont un impact profond sur la croissance et le développement des cultures, parmi lesquels l'intensité lumineuse a le plus grand impact sur la photosynthèse des plantes.

■ Intensité lumineuse

L’intensité de la lumière peut modifier la morphologie des cultures, comme la floraison, la longueur des entre-nœuds, l’épaisseur de la tige ainsi que la taille et l’épaisseur des feuilles. Les besoins des plantes en matière d’intensité lumineuse peuvent être divisés en plantes qui aiment la lumière, qui aiment la lumière moyenne et qui tolèrent peu la lumière. Les légumes sont pour la plupart des plantes qui aiment la lumière, et leurs points de compensation lumineuse et leurs points de saturation lumineuse sont relativement élevés. Dans les usines de plantes à lumière artificielle, les exigences pertinentes des cultures en matière d'intensité lumineuse constituent une base importante pour la sélection des sources de lumière artificielle. Comprendre les besoins en lumière des différentes plantes est important pour concevoir des sources de lumière artificielle. Il est extrêmement nécessaire d'améliorer les performances de production du système.

■ Qualité de la lumière

La distribution (spectrale) de la qualité de la lumière a également une influence importante sur la photosynthèse et la morphogenèse des plantes (Figure 1). La lumière fait partie du rayonnement et le rayonnement est une onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques ondulatoires et des caractéristiques quantiques (particules). Le quantum de lumière est appelé photon dans le domaine horticole. Le rayonnement avec une gamme de longueurs d'onde de 300 à 800 nm est appelé rayonnement physiologiquement actif des plantes ; et le rayonnement avec une gamme de longueurs d'onde de 400 à 700 nm est appelé rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) des plantes.

La chlorophylle et les carotènes sont les deux pigments les plus importants dans la photosynthèse des plantes. La figure 2 montre le spectre spectral d'absorption de chaque pigment photosynthétique, dans lequel le spectre d'absorption de la chlorophylle est concentré dans les bandes rouge et bleue. Le système d'éclairage est basé sur les besoins spectraux des cultures pour compléter artificiellement la lumière, de manière à favoriser la photosynthèse des plantes.

■ photopériode
La relation entre la photosynthèse et la photomorphogenèse des plantes et la durée du jour (ou durée de la photopériode) est appelée photopériodité des plantes. La photopériodité est étroitement liée aux heures d'éclairage, qui font référence au temps pendant lequel la culture est irradiée par la lumière. Différentes cultures nécessitent un certain nombre d’heures de lumière pour compléter la photopériode afin de fleurir et de porter ses fruits. Selon les différentes photopériodes, elle peut être divisée en cultures de jours longs, comme le chou, etc., qui nécessitent plus de 12 à 14 heures de lumière à un certain stade de sa croissance ; les cultures de jours courts, comme les oignons, le soja, etc., nécessitent moins de 12 à 14 heures d'éclairage ; les cultures à exposition moyenne, comme les concombres, les tomates, les poivrons, etc., peuvent fleurir et porter leurs fruits sous un ensoleillement plus ou moins long.
Parmi les trois éléments de l’environnement, l’intensité lumineuse constitue une base importante pour le choix des sources de lumière artificielle. À l’heure actuelle, il existe de nombreuses façons d’exprimer l’intensité lumineuse, dont les trois suivantes.
（1） L'éclairage fait référence à la densité surfacique du flux lumineux (flux lumineux par unité de surface) reçu sur le plan éclairé, en lux (lx).

(2) Rayonnement photosynthétiquement actif, PAR, Unité : W/m².

（3）La densité de flux photonique photosynthétiquement efficace PPFD ou PPF est le nombre de rayonnement photosynthétiquement efficace qui atteint ou traverse une unité de temps et une unité de surface, unité：μmol/(m²·s)。 Se réfère principalement à l'intensité lumineuse de 400 ~ 700 nm. directement lié à la photosynthèse. C’est également l’indicateur d’intensité lumineuse le plus utilisé dans le domaine de la production végétale.

Analyse de la source lumineuse d'un système d'éclairage supplémentaire typique
L'ajout de lumière artificielle consiste à augmenter l'intensité lumineuse dans la zone cible ou à prolonger la durée d'éclairage en installant un système d'éclairage supplémentaire pour répondre à la demande de lumière des plantes. De manière générale, le système d'éclairage supplémentaire comprend l'équipement d'éclairage supplémentaire, les circuits et son système de contrôle. Les sources lumineuses supplémentaires comprennent principalement plusieurs types courants tels que les lampes à incandescence, les lampes fluorescentes, les lampes aux halogénures métalliques, les lampes au sodium haute pression et les LED. En raison du faible rendement électrique et optique des lampes à incandescence, du faible rendement énergétique photosynthétique et d'autres défauts, elles ont été éliminées par le marché, cet article ne fait donc pas d'analyse détaillée.

■ Lampe fluorescente
Les lampes fluorescentes appartiennent au type de lampes à décharge à basse pression. Le tube de verre est rempli de vapeur de mercure ou de gaz inerte et la paroi interne du tube est recouverte de poudre fluorescente. La couleur de la lumière varie en fonction du matériau fluorescent recouvert dans le tube. Les lampes fluorescentes ont de bonnes performances spectrales, une efficacité lumineuse élevée, une faible puissance, une durée de vie plus longue (12 000 heures) par rapport aux lampes à incandescence et un coût relativement faible. Étant donné que la lampe fluorescente elle-même émet moins de chaleur, elle peut être proche des plantes pour l'éclairage et convient à la culture tridimensionnelle. Cependant, la disposition spectrale de la lampe fluorescente n'est pas raisonnable. La méthode la plus courante dans le monde consiste à ajouter des réflecteurs pour maximiser les composants efficaces de la source lumineuse des cultures dans la zone de culture. La société japonaise adv-agri a également développé un nouveau type de source lumineuse supplémentaire HEFL. HEFL appartient en fait à la catégorie des lampes fluorescentes. C'est le terme général désignant les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL) et les lampes fluorescentes à électrodes externes (EEFL), et il s'agit d'une lampe fluorescente à électrodes mixtes. Le tube HEFL est extrêmement fin, avec un diamètre d'environ 4 mm seulement, et la longueur peut être ajustée de 450 mm à 1 200 mm selon les besoins de la culture. Il s'agit d'une version améliorée de la lampe fluorescente conventionnelle.

■ Lampe aux halogénures métalliques
La lampe aux halogénures métalliques est une lampe à décharge à haute intensité qui peut exciter différents éléments pour produire différentes longueurs d'onde en ajoutant divers halogénures métalliques (bromure d'étain, iodure de sodium, etc.) dans le tube à décharge sur la base d'une lampe au mercure à haute pression. Les lampes halogènes ont une efficacité lumineuse élevée, une puissance élevée, une bonne couleur de lumière, une longue durée de vie et un large spectre. Cependant, comme l'efficacité lumineuse est inférieure à celle des lampes au sodium à haute pression et que la durée de vie est plus courte que celle des lampes au sodium à haute pression, elles ne sont actuellement utilisées que dans quelques usines.

■ Lampe au sodium haute pression
Les lampes au sodium haute pression appartiennent au type de lampes à décharge de gaz haute pression. La lampe au sodium à haute pression est une lampe à haut rendement dans laquelle de la vapeur de sodium à haute pression est remplie dans le tube à décharge et une petite quantité de xénon (Xe) et d'halogénure de mercure métallique est ajoutée. Étant donné que les lampes au sodium haute pression ont une efficacité de conversion électro-optique élevée avec des coûts de fabrication inférieurs, les lampes au sodium haute pression sont actuellement les plus largement utilisées dans l'application d'éclairage supplémentaire dans les installations agricoles. Cependant, en raison des inconvénients d’une faible efficacité photosynthétique dans leur spectre, ils présentent les inconvénients d’une faible efficacité énergétique. En revanche, les composantes spectrales émises par les lampes au sodium haute pression sont principalement concentrées dans la bande lumineuse jaune-orange, qui manque des spectres rouge et bleu nécessaires à la croissance des plantes.

■ Diode électroluminescente
En tant que nouvelle génération de sources lumineuses, les diodes électroluminescentes (DEL) présentent de nombreux avantages, tels qu'une efficacité de conversion électro-optique plus élevée, un spectre réglable et une efficacité photosynthétique élevée. La LED peut émettre une lumière monochromatique nécessaire à la croissance des plantes. Par rapport aux lampes fluorescentes ordinaires et à d'autres sources lumineuses supplémentaires, la LED présente les avantages d'une économie d'énergie, d'une protection de l'environnement, d'une longue durée de vie, d'une lumière monochromatique, d'une source de lumière froide, etc. Avec l'amélioration continue de l'efficacité électro-optique des LED et la réduction des coûts provoquée par l'effet d'échelle, les systèmes d'éclairage de culture à LED deviendront l'équipement principal pour compléter l'éclairage dans les installations agricoles. En conséquence, les lampes de culture à LED ont été utilisées dans plus de 99,9 % des usines.

Grâce à la comparaison, les caractéristiques des différentes sources lumineuses supplémentaires peuvent être clairement comprises, comme le montre le tableau 1.

Appareil d'éclairage mobile
L'intensité de la lumière est étroitement liée à la croissance des cultures. La culture tridimensionnelle est souvent utilisée dans les usines végétales. Cependant, en raison de la structure limitée des racks de culture, la répartition inégale de la lumière et de la température entre les racks affectera le rendement des cultures et la période de récolte ne sera pas synchronisée. Une entreprise de Pékin a développé avec succès un dispositif d'éclairage à levage manuel (luminaire HPS et luminaire de culture LED) en 2010. Le principe est de faire tourner l'arbre d'entraînement et l'enrouleur fixé dessus en secouant la poignée pour faire tourner la petite bobine de film. pour atteindre l'objectif de rétracter et de dérouler le câble métallique. Le câble métallique de la lampe de culture est relié à la roue d'enroulement de l'ascenseur via plusieurs ensembles de roues inversées, de manière à obtenir l'effet d'ajuster la hauteur de la lampe de culture. En 2017, la société mentionnée ci-dessus a conçu et développé un nouveau dispositif mobile d'appoint de lumière, capable d'ajuster automatiquement la hauteur de l'appoint de lumière en temps réel en fonction des besoins de croissance des cultures. Le dispositif de réglage est maintenant installé sur le support de culture tridimensionnel de type levage de source lumineuse à 3 couches. La couche supérieure de l'appareil est le niveau offrant les meilleures conditions d'éclairage, elle est donc équipée de lampes au sodium à haute pression ; la couche intermédiaire et la couche inférieure sont équipées de lampes de culture à LED et d'un système de réglage de levage. Il peut ajuster automatiquement la hauteur de la lampe de culture pour fournir un environnement d'éclairage approprié aux cultures.

Par rapport au dispositif d'éclairage complémentaire mobile conçu pour la culture tridimensionnelle, les Pays-Bas ont développé un dispositif d'éclairage complémentaire de lumière de croissance à LED mobile horizontalement. Afin d'éviter l'influence de l'ombre de la lumière de croissance sur la croissance des plantes au soleil, le système de lumière de croissance peut être poussé des deux côtés du support à travers la glissière télescopique dans la direction horizontale, de sorte que le soleil soit complètement irradié sur les plantes ; par temps nuageux et pluvieux sans soleil, poussez le système d'éclairage de croissance au milieu du support pour que la lumière du système d'éclairage de croissance remplisse uniformément les plantes ; déplacez le système d'éclairage de culture horizontalement à travers la glissière du support, évitez les démontages et retraits fréquents du système d'éclairage de culture et réduisez l'intensité du travail des employés, améliorant ainsi efficacement l'efficacité du travail.

Idées de conception d'un système d'éclairage de culture typique
Il n'est pas difficile de voir à partir de la conception du dispositif d'éclairage supplémentaire mobile que la conception du système d'éclairage supplémentaire de l'usine prend généralement comme contenu principal de la conception l'intensité lumineuse, la qualité de la lumière et les paramètres de photopériode des différentes périodes de croissance des cultures. , en s'appuyant sur le système de contrôle intelligent à mettre en œuvre, atteignant l'objectif ultime d'économie d'énergie et de rendement élevé.

À l'heure actuelle, la conception et la construction d'éclairage supplémentaire pour les légumes à feuilles ont progressivement mûri. Par exemple, les légumes à feuilles peuvent être divisés en quatre stades : le stade plantule, le stade intermédiaire, le stade tardif et le stade final ; les fruits et légumes peuvent être divisés en stade de semis, stade de croissance végétative, stade de floraison et stade de récolte. D'après les attributs de l'intensité lumineuse supplémentaire, l'intensité lumineuse au stade plantule doit être légèrement inférieure, à 60 ~ 200 μmol/(m²·s), puis augmenter progressivement. Les légumes à feuilles peuvent atteindre jusqu'à 100~200 μmol/(m²·s), et les légumes fruitiers peuvent atteindre 300~500 μmol/(m²·s) pour garantir les exigences d'intensité lumineuse de la photosynthèse des plantes à chaque période de croissance et répondre aux besoins de rendement élevé; En termes de qualité de lumière, le rapport entre le rouge et le bleu est très important. Afin d'augmenter la qualité des semis et d'éviter une croissance excessive au stade des semis, le rapport rouge/bleu est généralement fixé à un niveau faible [(1~2:1], puis progressivement réduit pour répondre aux besoins des plantes. morphologie légère. Le rapport entre les légumes rouges et bleus et les légumes à feuilles peut être réglé sur (3 ~ 6) : 1. Pour la photopériode, similaire à l'intensité lumineuse, elle devrait montrer une tendance à l'augmentation avec l'allongement de la période de croissance, de sorte que les légumes à feuilles aient plus de temps pour la photosynthèse. La conception de suppléments légers de fruits et légumes sera plus compliquée. En plus des lois fondamentales mentionnées ci-dessus, nous devons nous concentrer sur le réglage de la photopériode pendant la période de floraison, et favoriser la floraison et la fructification des légumes, afin de ne pas se retourner contre nous.

Il convient de mentionner que la formule d’éclairage doit inclure le traitement final pour les paramètres d’environnement lumineux. Par exemple, un supplément de lumière continue peut améliorer considérablement le rendement et la qualité des plants de légumes à feuilles hydroponiques, ou utiliser un traitement UV pour améliorer considérablement la qualité nutritionnelle des germes et des légumes à feuilles (en particulier les feuilles violettes et la laitue frisée rouge).

En plus d'optimiser l'apport de lumière pour certaines cultures, le système de contrôle de la source lumineuse de certaines usines de plantes à lumière artificielle s'est également développé rapidement ces dernières années. Ce système de contrôle est généralement basé sur la structure B/S. La télécommande et le contrôle automatique des facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la lumière et la concentration de CO2 pendant la croissance des cultures sont réalisés via le WIFI, et en même temps, une méthode de production qui n'est pas limitée par les conditions externes est réalisée. Ce type de système d'éclairage supplémentaire intelligent utilise un luminaire de culture à LED comme source de lumière supplémentaire, combiné à un système de contrôle intelligent à distance, peut répondre aux besoins d'éclairage de longueur d'onde des plantes, est particulièrement adapté à un environnement de culture de plantes contrôlé par la lumière et peut bien répondre à la demande du marché. .

Remarques finales
Les usines végétales sont considérées comme un moyen important de résoudre les problèmes mondiaux de ressources, de population et d’environnement au 21e siècle, ainsi qu’un moyen important d’atteindre l’autosuffisance alimentaire dans les futurs projets de haute technologie. En tant que nouveau type de méthode de production agricole, les usines végétales sont encore en phase d’apprentissage et de croissance, et davantage d’attention et de recherche sont nécessaires. Cet article décrit les caractéristiques et les avantages des méthodes d'éclairage supplémentaire courantes dans les usines et présente les idées de conception des systèmes d'éclairage supplémentaire typiques des cultures. Il n'est pas difficile de trouver par comparaison, afin de faire face à la faible luminosité causée par des conditions météorologiques extrêmes telles que des nuages ​​et une brume continus et d'assurer une production élevée et stable des cultures d'installation, l'équipement de source de lumière LED Grow est le plus conforme au développement actuel. tendances.

L'orientation future du développement des usines devrait se concentrer sur de nouveaux capteurs de haute précision et à faible coût, des systèmes de dispositifs d'éclairage à spectre réglable et contrôlables à distance et des systèmes de contrôle experts. Dans le même temps, les futures usines continueront à évoluer vers des usines peu coûteuses, intelligentes et auto-adaptatives. L'utilisation et la vulgarisation des sources lumineuses de culture à LED garantissent un contrôle environnemental de haute précision des usines. La régulation de l’environnement lumineux des LED est un processus complexe impliquant une régulation complète de la qualité de la lumière, de l’intensité lumineuse et de la photopériode. Les experts et universitaires concernés doivent mener des recherches approfondies pour promouvoir l’éclairage supplémentaire à LED dans les usines d’éclairage artificiel.