Les systèmes d'éclairage artificiels sont couramment utilisés pour la croissance des plantes en serre ou environnement contrôlé. Leur principale fonction est d'améliorer la qualité et la quantité de la production agricole indépendamment des saisons et de l'ensoleillement. L'utilisation d'une source de rayonnement artificielle pour plantes signifie que la lumière du soleil n'a pas été l'unique source de lumière pour la production agricole, mais qu'elle a été remplacé ou complétée par une source artificielle (PARS). Les serres ou les complexes de culture hydroponique avec éclairage artificiel, notamment à LED, sont une technologie innovante pour l'agriculture moderne susceptible de changer fondamentalement certains concepts.
Cependant, certaines difficultés persistent avec ces nouvelles techniques. Tout d'abord, par manque de formation ou d'information, certaines personnes ne comprennent pas les caractéristiques techniques des sources de lumière artificielle moderne. Deuxièmement, les mécanismes de photobiologie sous différents spectres sont encore mal définis en fonction des espèces de plantes. Troisièmement, le secteur agricole est une grande entité qui présente également une grande complexité de part la variabilité des cultures. En conséquence, les "PARS" ont généralement une faible efficacité et présentent une consommation énergétique élevée, ce qui devient le principal obstacle pour leur application. Les PARS et leurs systèmes sont la technique de base pour développer l'horticulture contrôlée. Toutefois, la consommation d'énergie et les défauts de conception deviennent des difficultés rédhibitoires à leur mise en oeuvre. Par conséquent, la sélection d'une source de lumière efficace et l'optimisation des systèmes d'éclairage sont d'une grande importance. Connaître le type de spectre optimal pour une variété de plante ou d'algue nécessite donc des études plus approfondies.
Les diodes électroluminescentes (DEL) sont une source de lumière de dernière génération compatible avec les puissances lumineuses nécessaires à la croissance de plantes. Par rapport aux sources traditionnelles, elles présentent des avantages incomparables tels qu'un rendement élevé, une longue durée de vie, un spectre déterminé, robuste, etc. En outre, les systèmes d'éclairage à LED (LLS) utilisent une alimentation en courant continu, ce qui est plus fiable et plus facile à contrôler. Par conséquent, les "LLS" deviennent de plus en plus populaire pour les chercheurs, ingénieurs, fabricants, biologistes et industriels du secteur agronomique. En particulier, les applications des LEDs pour la production agricole suscitent une vive attention dans le monde ces dernières années. Les sources de lumière à LED sont connues comme étant le choix idéal en horticulture sous conditions contrôlées.
Afin de promouvoir les "LLS" dans le domaine agricole, il est nécessaire de proposer des formations adaptées sur les nouvelles sources d'éclairage et les systèmes adaptés à l'agriculture. L'optimisation des LLS pour l'horticulture en conditions controlées ont une grande importance pour l'agriculture moderne. Dans cette étude, nous aborderons principalement les nouvelles techniques "PARS" et "PFAL" comme facteurs environnementaux de base pour la croissance des plantes. Sur la base des caractéristiques des LEDs et du rayonnement photosynthétique actif (Photosynthetically Active Radiation, PAR), un système spécifique de LLS a été conçu pour la croissance des plantes. Celui-ci peut ajuster dynamiquement la qualité, la quantité et la photopériode. Le spectre optimal pour une plante standard a été simulé et optimisé sur la base de rendement quantique relatif. Nous avons étudié en particulier la spiruline en raison de son court cycle de vie mais aussi pour ses qualités nutritionnelles et médicinales. Enfin, nous avons concentré notre étude sur les impacts des spectres bleu et rouge pour la production de biomasse et du pigment clé (phycocyanine) de la spiruline. |
Artificial lighting systems are commonly used for plant growth in a greenhouse or a controlled environment (hydroponics, above ground, etc.). Their main function is to improve the quality and quantity of agricultural production regardless of seasons and sunshine. The applications of Plant Artificial Radiation Sources (PARS) mean that the sunlight has not been the unique light source for agricultural production but can be replaced by PARS. Especially, Plant Factory with Artificial Lighting (PFAL), including LED, is an innovative technology for modern agriculture that fundamentally change the concept of farming.
However, there are some problems for this new technique. First, some people do not understand well the technical characteristics of modern artificial light sources due to a lack of training or information. Second, photobiology mechanisms under different spectra are not clear enough for all the species. Third, agricultural is a large entity of great complexity. As a result, the PARS usually have a low efficiency and high energy consumption, which become the main obstacles for plant applications. PARS and their systems are the core technique to develop protected horticulture, especially in hydroponics using only artificial lighting sources. However, high power consumption and design flaws become insurmountable difficulties in their implementation. Therefore, selecting an efficient light source and optimization of lighting systems are of great importance. Further study is required to better understand the optimal spectrum for a variety of plants or algae.
Light emitting diode (LED) is the latest generation light source compatible with the spectrum needed for plant growth. Compared with traditional light sources, it has unparalleled advantages such as high efficiency, long lifetime, flexible spectrum, cool light (no infrared emission), small size, robust, etc. Besides, LED lighting systems (LLS) use a DC power supply, which is more reliable and easier to control. Therefore, LLS become more and more popular for researchers, engineers, manufacturers, biologists and industrial agronomic sector. Particularly, LED applications for agricultural production also attract broad attention in the world in recent years. The LED light sources are known as the ideal choice in horticulture under controlled conditions (especially vis-a-vis their low energy consumption).
In order to promote agricultural application of LLS, there is urgent demand for understanding on new light sources and matched lighting systems. Optimization of LLS for horticulture in controlled environment have great significance for modern agriculture. In this study, the new techniques PARS and PFAL are mainly introduced as the core environmental factor for plant growth. Based on LED characteristics and photosynthetically active radiation (PAR), a specific LLS was designed for plant growth, which can dynamically adjust the light quality, quantity and photoperiod. The optimal spectrum for average plants was simulated and optimized based on relative quantum efficiency (RQE) curve. Besides, we studied particularly on spirulina because of its short life cycle as well as its nutritional and medicinal values. At last, we focused on the impacts of blue and red spectra for biomass production and the key pigment (phycocyanin) in spirulina. |