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

L'usine de plantes combine l'industrie moderne, la biotechnologie, la culture hydroponique des 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 clos, a de faibles exigences sur l'environnement environnant, raccourcit la période de récolte des plantes, économise de l'eau et des engrais, et avec les avantages de la production sans pesticides et sans rejet de déchets, l'efficacité unitaire d'utilisation des terres est de 40 à 108 fois celle-ci. de la production en plein champ.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 des matériaux."L'une des principales caractéristiques de l'usine végétale est la source de lumière entièrement artificielle et la réalisation d'une régulation intelligente de l'environnement lumineux" est devenu un consensus général dans l'industrie.

Besoin de lumière des plantes

La lumière est la seule source d'énergie de la photosynthèse des plantes.L'intensité lumineuse, 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 lesquelles 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 et la taille et l'épaisseur des feuilles.Les exigences des plantes en matière d'intensité lumineuse peuvent être divisées en plantes aimant la lumière, aimant la lumière moyenne et tolérantes à la lumière faible.Les légumes sont pour la plupart des plantes qui aiment la lumière, et leurs points de compensation de la lumière et leurs points de saturation de la lumière 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 de la qualité de la lumière (spectrale) 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 de l'horticulture.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 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, 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 photopériode) est appelée photopériodicité des plantes.La photopériodicité est étroitement liée aux heures de lumière, 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 pour fleurir et porter des fruits.Selon les différentes photopériodes, il peut être divisé en cultures de jours longs, comme le chou, etc., qui nécessitent plus de 12-14h d'heures de lumière à un certain stade de sa croissance ;les cultures de jours courts, telles que les oignons, le soja, etc., nécessitent moins de 12-14h d'heures d'éclairage ;les cultures à ensoleillement moyen, telles que les concombres, les tomates, les poivrons, etc., peuvent fleurir et porter des fruits sous un ensoleillement plus ou moins long.
Parmi les trois éléments de l'environnement, l'intensité lumineuse est une base importante pour le choix des sources lumineuses artificielles.À l'heure actuelle, il existe de nombreuses façons d'exprimer l'intensité lumineuse, dont principalement les trois suivantes.
（1）L'éclairement fait référence à la densité de surface 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 de photons efficace sur le plan photosynthétique PPFD ou PPF est le nombre de rayonnements efficaces sur le plan photosynthétique qui atteignent ou traversent l'unité de temps et l'unité de surface, unité：μmol/(m²·s)。 Se réfère principalement à l'intensité lumineuse de 400 ~ 700nm directement lié à la photosynthèse.C'est aussi l'indicateur d'intensité lumineuse le plus couramment utilisé dans le domaine de la production végétale.

Analyse de la source lumineuse d'un système d'éclairage supplémentaire typique
Le supplément de lumière artificielle consiste à augmenter l'intensité lumineuse dans la zone cible ou à prolonger le temps d'éclairage en installant un système d'éclairage supplémentaire pour répondre à la demande de lumière des plantes.D'une manière générale, le système d'éclairage supplémentaire comprend un équipement d'éclairage supplémentaire, des 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 de la faible efficacité électrique et optique des lampes à incandescence, de la faible efficacité énergétique photosynthétique et d'autres défauts, il a été éliminé par le marché, donc cet article ne fait pas d'analyse détaillée.

■ Lampe fluorescente
Les lampes fluorescentes appartiennent au type des lampes à décharge de gaz 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 avec le matériau fluorescent enrobé 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 h) par rapport aux lampes à incandescence et un coût relativement faible.Parce que la lampe fluorescente elle-même émet moins de chaleur, elle peut être proche des plantes pour l'éclairage et convient à la culture en trois dimensions.Cependant, la disposition spectrale de la lampe fluorescente est déraisonnable.La méthode la plus courante dans le monde consiste à ajouter des réflecteurs pour maximiser les composantes 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 pour les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL) et les lampes fluorescentes à électrode externe (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 1200 mm selon les besoins de la culture.C'est 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 à 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 haute pression et que la durée de vie est plus courte que celle des lampes au sodium haute pression, elle n'est actuellement utilisée que dans quelques usines.

■ Lampe sodium haute pression
Les lampes au sodium à haute pression appartiennent au type des lampes à décharge de gaz à 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 métallique de mercure est ajoutée.Étant donné que les lampes au sodium à haute pression ont une efficacité de conversion électro-optique élevée avec des coûts de fabrication inférieurs, les lampes au sodium à haute pression sont actuellement les plus largement utilisées dans l'application de lumière supplémentaire dans les installations agricoles.Cependant, en raison des défauts de faible efficacité photosynthétique dans leur spectre, ils présentent les défauts de faible efficacité énergétique.D'autre part, les composantes spectrales émises par les lampes au sodium à haute pression sont principalement concentrées dans la bande lumineuse jaune-orange, qui est dépourvue 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 ajustable 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 de lumière supplémentaires, la LED présente les avantages d'économie d'énergie, de protection de l'environnement, de longue durée de vie, de lumière monochromatique, de source de lumière froide, etc.Avec l'amélioration supplémentaire de l'efficacité électro-optique des LED et la réduction des coûts causée par l'effet d'échelle, les systèmes d'éclairage de croissance à LED deviendront l'équipement principal pour compléter la lumière dans les installations agricoles.En conséquence, les lampes de culture à LED ont été appliquées dans plus de 99,9% des usines.

Grâce à la comparaison, les caractéristiques des différentes sources lumineuses supplémentaires peuvent être clairement comprises, comme indiqué dans 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 de plantes.Cependant, en raison de la limitation de la structure des râteliers de culture, la répartition inégale de la lumière et de la température entre les râteliers 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'appoint de lumière de levage manuel (appareil d'éclairage HPS et appareil d'éclairage de croissance à 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 croissance est relié à la roue d'enroulement de l'ascenseur par plusieurs ensembles de roues d'inversion, de manière à obtenir l'effet de réglage de la hauteur de la lumière de croissance.En 2017, la société susmentionnée a conçu et développé un nouveau dispositif mobile de supplément de lumière, qui peut ajuster automatiquement la hauteur du supplément 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 avec les meilleures conditions d'éclairage, il est donc équipé 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 lumière de croissance pour fournir un environnement d'éclairage adapté aux cultures.

Par rapport au dispositif de supplément de lumière mobile conçu pour la culture en trois dimensions, les Pays-Bas ont développé un dispositif de supplément 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 le sens horizontal, de sorte que le soleil soit pleinement irradié sur les plantes;les jours 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 croissance horizontalement à travers la glissière sur le support, évitez le démontage et le retrait fréquents du système d'éclairage de croissance et réduisez l'intensité du travail des employés, améliorant ainsi efficacement l'efficacité du travail.

Idées de conception d'un système de lumière de croissance typique
Il n'est pas difficile de voir à partir de la conception du dispositif supplémentaire d'éclairage mobile que la conception du système d'éclairage supplémentaire de l'usine de plantes prend généralement l'intensité lumineuse, la qualité de la lumière et les paramètres de photopériode des différentes périodes de croissance des cultures comme contenu central de la conception. , 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-feuilles peuvent être divisés en quatre stades : stade de semis, croissance intermédiaire, croissance tardive et stade final ;les fruits-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 de semis doit être légèrement inférieure, à 60 ~ 200 μmol/(m²·s), puis augmenter progressivement.Les légumes-feuilles peuvent atteindre jusqu'à 100~200 μmol/(m²·s), et les légumes-fruits peuvent atteindre 300~500 μmol/(m²·s) pour assurer les exigences d'intensité lumineuse de la photosynthèse des plantes à chaque période de croissance et répondre aux besoins de haut rendement;En termes de qualité de lumière, le rapport du rouge au bleu est très important.Afin d'augmenter la qualité des semis et d'empêcher une croissance excessive au stade du semis, le rapport du rouge au bleu est généralement fixé à un niveau bas [(1 ~ 2): 1], puis progressivement réduit pour répondre aux besoins de la plante. morphologie légère.Le rapport entre les légumes rouges, bleus et feuillus peut être réglé sur (3 ~ 6): 1.Pour la photopériode, similaire à l'intensité lumineuse, elle devrait montrer une tendance à augmenter avec l'allongement de la période de croissance, de sorte que les légumes à feuilles aient plus de temps photosynthétique pour la photosynthèse.La conception des suppléments légers de fruits et légumes sera plus compliquée.En plus des lois de base mentionnées ci-dessus, nous devons nous concentrer sur le réglage de la photopériode pendant la période de floraison, et la floraison et la fructification des légumes doivent être favorisées, afin de ne pas se retourner.

Il convient de mentionner que la formule légère doit inclure le traitement final pour les paramètres d'environnement lumineux.Par exemple, une supplémentation lumineuse continue peut grandement améliorer le rendement et la qualité des semis de légumes feuillus hydroponiques, ou utiliser un traitement UV pour améliorer considérablement la qualité nutritionnelle des germes et des légumes feuillus (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.Le contrôle à distance 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 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 croissance à LED comme source de lumière supplémentaire, combiné à un système de contrôle intelligent à distance, peut répondre aux besoins d'éclairage de la longueur d'onde des plantes, est particulièrement adapté à l'environnement de culture des plantes à lumière contrôlée 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, 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 encore au stade de l'apprentissage et de la croissance, et davantage d'attention et de recherche sont nécessaires.Cet article décrit les caractéristiques et les avantages des méthodes d'éclairage supplémentaires courantes dans les usines de production de plantes et présente les idées de conception des systèmes d'éclairage supplémentaires 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 de la brume continus et d'assurer une production élevée et stable des cultures de l'installation, l'équipement de source de lumière LED Grow est le plus conforme au développement actuel. les 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 contrôlables à distance et des systèmes de contrôle experts.Dans le même temps, les usines-usines du futur continueront d'évoluer vers des usines low-cost, intelligentes et auto-adaptatives.L'utilisation et la vulgarisation des sources lumineuses de croissance à LED garantissent un contrôle environnemental de haute précision des usines végétales.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 et promouvoir l'éclairage supplémentaire à LED dans les usines d'éclairage artificiel.