Auteur: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu, etc. Médias source: Technologie d'ingénierie agricole (horticulture en serre)

L'usine de plantes combine l'industrie moderne, la biotechnologie, l'hydroponie nutritive et les technologies 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 environnant, raccourcit la période de récolte des plantes, permet d'économiser l'eau et les engrais, et avec les avantages de la production de non-pesticides et sans décharge, l'efficacité de l'utilisation des terres unitaire est de 40 à 108 fois de cela de production de champ ouvert. Parmi eux, la source de lumière artificielle intelligente et sa régulation de l'environnement lumineux jouent un rôle décisif 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 matériel. «L'une des principales caractéristiques de l'usine végétale est la pleine source de lumière artificielle et la réalisation de la régulation intelligente de l'environnement léger» est devenu un consensus général dans l'industrie.

Le besoin de lumière des plantes

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

■ Intensité légère

L'intensité de la lumière peut changer la morphologie des cultures, telles que la floraison, la longueur entre les normes, l'épaisseur de la tige et la taille et l'épaisseur des feuilles. Les exigences des plantes pour l'intensité lumineuse peuvent être divisées en plantes à la lumière, à la lumière moyenne et à faible luminosité. Les légumes sont principalement des plantes qui aiment la lumière, et leurs points de compensation de lumière et les points de saturation légers sont relativement élevés. In artificial light plant factories, the relevant requirements of crops for light intensity are an important basis for selecting artificial light sources. Understanding the light requirements of different plants is important for designing artificial light sources, It is extremely necessary to improve the production performance of the system.

■ Lumière de la lumière

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

La chlorophylle et les carotènes sont les deux pigments les plus importants de la photosynthèse végétale. La figure 2 montre le spectre d'absorption spectrale de chaque pigment photosynthétique, dans lequel le spectre d'absorption de la chlorophylle est concentré dans les bandes rouges et bleues. Le système d'éclairage est basé sur les besoins spectraux des cultures pour compléter artificiellement la lumière, afin de promouvoir la photosynthèse des plantes.

■ photopériode
La relation entre la photosynthèse et la photomorphogenèse des plantes et la durée du jour (ou le temps de photopériode) est appelée photopériodité des plantes. La photopériodité est étroitement liée aux heures lumineuses, qui se réfèrent au temps que la culture est irradiée par la lumière. Différentes cultures nécessitent un certain nombre d'heures de lumière pour compléter la photopériode pour fleurir et porter des fruits. Selon les différentes photopériodes, elle peut être divisée en cultures de longue journée, comme le chou, etc., qui nécessitent plus de 12 à 14 h d'heures de lumière à un certain stade de sa croissance; Les cultures de courte journée, telles que les oignons, le soja, etc., nécessitent moins de 12 à 14 heures d'heures d'éclairage; Les cultures moyennes, comme les concombres, les tomates, les poivrons, etc., peuvent fleurir et porter des fruits sous la lumière du soleil plus ou plus court.
Parmi les trois éléments de l'environnement, l'intensité de la lumière est une base importante pour sélectionner des sources de lumière artificielle. À l'heure actuelle, il existe de nombreuses façons d'exprimer une intensité de lumière, y compris principalement les trois suivants.
（1） L'éclairage fait référence à la densité de surface du flux lumineux (flux lumineux par unité de zone) reçue sur le plan illuminé, à Lux (LX).

（2） Radiation photosynthétiquement actif, par ， unité: w / m²。

（3） La densité de flux de photons photosynthétiquement efficace PPFD ou PPF est le nombre de rayonnements photosynthétiquement efficaces qui atteignent ou passent à travers le temps unitaire et la zone unitaire, unité ： μmol / (m² · s)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 s) directement lié à la photosynthèse. Il s'agit également de l'indicateur d'intensité de lumière le plus couramment utilisé dans le domaine de la production de plantes.

Analyse de la source lumineuse du système d'éclairage supplémentaire typique
Le supplément de lumière artificielle consiste à augmenter l'intensité de la lumière dans la zone cible ou à prolonger le temps lumineux en installant un système d'éclairage de supplément pour répondre à la demande légère des plantes. D'une manière générale, le système d'éclairage supplémentaire comprend des équipements d'éclairage supplémentaires, des circuits et son système de contrôle. Les sources d'éclairage supplémentaires comprennent principalement plusieurs types communs tels que les lampes à incandescence, les lampes fluorescentes, les lampes en métal, les lampes de sodium à haute pression et les LED. En raison de la faible efficacité électrique et optique des lampes à incandescence, de faible efficacité énergétique photosynthétique et d'autres lacunes, il a été éliminé par le marché, donc cet article ne fait pas d'analyse détaillée.

■ lampe fluorescente
Les lampes fluorescentes appartiennent au type de lampes à décharge de gaz à basse pression. Le tube en verre est rempli de vapeur de mercure ou de gaz inerte, et la paroi intérieure du tube est recouverte de poudre fluorescente. La couleur claire varie avec le matériau fluorescent recouvert du tube. Fluorescent lamps have good spectral performance, high luminous efficiency, low power, longer life (12000h) compared with incandescent lamps, and relatively low cost. Because the fluorescent lamp itself emits less heat, it can be close to the plants for lighting and is suitable for three-dimensional cultivation. Cependant, la disposition spectrale de la lampe fluorescente est déraisonnable. La méthode la plus courante au monde est d'ajouter des réflecteurs pour maximiser les composants de la source de lumière efficaces des cultures dans la zone de culture. La société japonaise Adv-Agri a également développé un nouveau type de source de lumière supplémentaire HEFL. HEFL appartient en fait à la catégorie des lampes fluorescentes. It is the general term for cold cathode fluorescent lamps (CCFL) and external electrode fluorescent lamps (EEFL), and is a mixed electrode fluorescent lamp. The HEFL tube is extremely thin, with a diameter of only about 4mm, and the length can be adjusted from 450mm to 1200mm according to the needs of cultivation. Il s'agit d'une version améliorée de la lampe fluorescente conventionnelle.

■ lampe en métal
La lampe à halogénure métallique 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 de décharge sur la base d'une lampe au mercure à haute pression. Les lampes halogènes ont une efficacité lumineuse élevée, une grande puissance, une bonne couleur lumineuse, une longue durée de vie et un grand spectre. Cependant, comme l'efficacité lumineuse est inférieure à celle des lampes de sodium à haute pression, et que la durée de vie est plus courte que celle des lampes de sodium à haute pression, elle n'est actuellement utilisée que dans quelques usines de plantes.

■ lampe de sodium haute pression
Les lampes de sodium à haute pression appartiennent au type de lampes à décharge de gaz à haute pression. La lampe de sodium à haute pression est une lampe à haute efficacité dans laquelle la vapeur de sodium à haute pression est remplie du tube de décharge, et une petite quantité de xénon (XE) et d'halogénure de mercure en métal sont ajoutées. Étant donné que les lampes de sodium à haute pression ont une efficacité de conversion électro-optique élevée avec des coûts de fabrication plus faibles, les lampes de sodium à haute pression sont actuellement les plus utilisées dans l'application de la lumière supplémentaire dans les installations agricoles. Cependant, en raison des lacunes d'une faible efficacité photosynthétique dans leur spectre, ils ont les lacunes d'une faible efficacité énergétique. D'un autre côté, les composants spectraux émis par les lampes de sodium à haute pression sont principalement concentrés dans la bande lumineuse jaune-orange, qui n'a pas les spectres rouges et bleus nécessaires à la croissance des plantes.

■ Diode émettant de la lumière
En tant que nouvelle génération de sources lumineuses, les diodes électroluminescentes (LED) présentent de nombreux avantages tels que l'efficacité de conversion électro-optique plus élevée, le spectre réglable et l'efficacité photosynthétique élevée. LED peut émettre la lumière monochromatique nécessaire à la croissance des plantes. Par rapport aux lampes fluorescentes ordinaires et à d'autres sources de lumière supplémentaire, LED présente les avantages de l'économie d'énergie, de la protection de l'environnement, de la longue durée de vie, de la lumière monochromatique, de la source de lumière froide et ainsi de suite. Avec l'amélioration supplémentaire de l'efficacité électro-optique des LED et la réduction des coûts provoqués par l'effet de l'échelle, les systèmes d'éclairage des LED deviendront l'équipement grand public pour compléter la lumière dans les installations agricoles. En conséquence, des lumières de culture LED ont été appliquées plus de 99,9% d'usines de plantes.

Grâce à la comparaison, les caractéristiques de différentes sources de lumière supplémentaire peuvent être clairement comprises, comme le montre le tableau 1.

Dispositif 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. However, due to the limitation of the structure of the cultivation racks, the uneven distribution of light and temperature between the racks will affect the yield of the crops and the harvesting period will not be synchronized. A company in Beijing has successfully developed a manual lifting light supplement device(HPS lighting fixture and LED grow lighting fixture) in 2010. The principle is to rotate the drive shaft and the winder fixed on it by shaking the handle to rotate the small film reel Pour atteindre le but de rétracter et de dérouler la corde métallique. The wire rope of the grow light is connected with the winding wheel of the elevator through multiple sets of reversing wheels, so as to achieve the effect of adjusting the height of the grow light. In 2017, the above-mentioned company designed and developed a new mobile light supplement device, which can automatically adjust the light supplement height in real time according to crop growth needs. Le dispositif de réglage est désormais installé sur le rack de culture tridimensionnel à 3 couches. La couche supérieure de l'appareil est le niveau avec la meilleure condition lumineuse, il est donc équipé de lampes de sodium à haute pression; La couche intermédiaire et la couche inférieure sont équipées de feux de croissance LED et d'un système de réglage de levage. Il peut ajuster automatiquement la hauteur de la lumière de croissance pour fournir un environnement d'éclairage approprié pour les cultures.

Par rapport au dispositif de supplément de lumière mobile adapté à une culture tridimensionnelle, les Pays-Bas ont développé un dispositif de lumière de supplément LED à la LED horizontalement. Afin d'éviter l'influence de l'ombre de la lumière de croissance sur la croissance des plantes au soleil, le système d'éclairage de croissance peut être poussé des deux côtés du support à travers la diapositive télescopique dans la direction horizontale, de sorte que le soleil est complètement irradié sur les plantes; Les jours nuageux et pluvieux sans lumière du 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 croissance horizontalement à travers la diapositive sur le support, évitez le démontage fréquent et l'élimination du système d'éclairage de croissance et réduisez l'intensité de main-d'œuvre des employés, améliorant ainsi efficacement l'efficacité du travail.

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

À l'heure actuelle, la conception et la construction de lumière supplémentaire pour les légumes à feuilles ont progressivement mûri. Par exemple, les légumes à feuilles peuvent être divisés en quatre étapes: stade de semis, à mi-croissance, à la croissance tardive et au stade final; Les Vegetables aux fruits peuvent être divisés en stade de semis, étape de croissance végétative, phare de floraison et stade de récolte. D'après les attributs de l'intensité de la lumière supplémentaire, l'intensité lumineuse au stade des semis doit être légèrement inférieure, à 60 à 200 μmol / (m² · s), puis augmente progressivement. Leafy vegetables can reach up to 100~200 μmol/(m²·s), and fruit vegetables can reach 300~500 μmol/(m²·s) to ensure the light intensity requirements of plant photosynthesis in each growth period and fulfill the needs of rendement élevé; En termes de qualité de la lumière, le rapport du rouge / du bleu est très important. In order to increase the quality of seedlings and prevent excessive growth in the seedling stage, the ratio of red to blue is generally set at a low level [(1~2):1], and then gradually reduced to meet the needs of plant morphologie légère. Le rapport des légumes rouges à bleu à feuilles peut être réglé sur (3 ~ 6): 1. For the photoperiod, similar to the light intensity, it should show a trend of increasing with the extension of the growth period, so that leafy vegetables have more photosynthetic time for photosynthesis. La conception du supplément de fruits et légumes sera plus compliquée. In addition to the above-mentioned basic laws, we should focus on the setting of the photoperiod during the flowering period, and the flowering and fruiting of vegetables must be promoted, so as not to backfire.

Il convient de mentionner que la formule lumineuse devrait inclure le traitement final pour les paramètres d'environnement léger. Par exemple, la supplémentation en lumière continue peut améliorer considérablement le rendement et la qualité des semis de légumes à feuilles hydroponiques, ou utiliser le traitement UV pour améliorer considérablement les germes et les légumes à feuilles (en particulier les feuilles violettes et la laitue des feuilles rouges) la qualité nutritionnelle.

En plus d'optimiser la supplémentation en lumière pour les cultures sélectionnées, le système de contrôle de la source de lumière de certaines usines de plantes légers artificielles s'est également développée rapidement ces dernières années. Ce système de contrôle est généralement basé sur la structure b / s. Le contrôle à distance et le contrôle automatique des facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la lumière et la concentration en CO2 pendant la croissance des cultures sont réalisés par le WiFi, et en même temps, une méthode de production qui n'est pas limitée par des conditions externes est réalisée. This kind of intelligent supplementary light system uses LED grow light fixture as supplementary light source, combined with remote intelligent control system, can meet the needs of plant wavelength illumination, is particularly suitable for light-controlled plant cultivation environment, and can well meet market demand .

Remarques finales
Les usines végétales sont considérées comme un moyen important de résoudre les problèmes mondiaux des ressources, de la population et de l'environnement au 21e siècle, et 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 de plantes sont toujours au stade d'apprentissage et de croissance, et plus d'attention et de recherche sont nécessaires. This article describes the characteristics and advantages of common supplementary lighting methods in plant factories, and introduces the design ideas of typical crop supplementary lighting systems. It is not difficult to find through comparison, in order to cope with the low light caused by severe weather such as continuous cloudy and haze and to ensure high and stable production of facility crops, LED Grow light source equipment is most in line with current development tendances.

La direction future de développement des usines végétales devrait se concentrer sur de nouveaux capteurs de haute précision et à faible coût, des systèmes d'éclairage à spectre réglables à distance contrôlables et des systèmes de contrôle d'experts. Dans le même temps, les futures usines végétales continueront de se développer vers des coûts à faible coût, intelligents et auto-adaptatifs. L'utilisation et la vulgarisation des sources de lumière de croissance LED garantissent le contrôle environnemental de haute précision des usines végétales. La régulation de l'environnement d'éclairage LED est un processus complexe impliquant une régulation complète de la qualité de la lumière, de l'intensité de la lumière et de la photopériode. Les experts et les universitaires concernés doivent effectuer des recherches approfondies, favorisant l'éclairage supplémentaire LED dans les usines artificielles des usines lumineuses.