Il est facile d'évaluer PPFD lors de l'éclairage d'une usine avec des LED blanches: 1000 lux = 15 μmol / s / m2

L'article « Éclairage des plantes avec LED blanches » a provoqué une discussion animée sur les problèmes pratiques, et il est devenu clair que les méthodes devaient être simplifiées.



Comment convertir élémentairement l'illumination en unités de rayonnement actif photosynthétique: PPFD , YPFD et densité de puissance radiométrique? Et lequel de ces éléments est vraiment nécessaire?

Mesure et enregistrement des paramètres du système d'éclairage

La photo de titre montre un système d'éclairage construit par des enfants, pour lequel, contrairement à de nombreuses solutions commerciales, un ensemble complet de paramètres est connu: {0,3 m ² ; 50 watts; 11000 lux; 3000 K ; R _a = 98; 165 μmol / s / m ² ; 24 × 7}. Les paramètres peuvent ne pas être optimaux, mais leur enregistrement permet de décider de discuter, d'adopter l'expérience, de suggérer et d'essayer d'autres options. Ne pas faire de telles entrées dans un projet éducatif est incorrect et non pédagogique.

Un spectromètre est nécessaire pour estimer la quantité d'éclairage d'une plante avec une lumière non blanche. La lumière blanche est mesurée avec un posemètre beaucoup plus abordable. Et comme la forme du spectre de la lumière blanche avec une précision suffisante à des fins agricoles est décrite par la température de couleur et le rendu des couleurs [1], la mesure de l'éclairage dans les suites permet d'évaluer le rayonnement photosynthétiquement actif dans toutes les autres unités.

Lorsque la lumière blanche est non seulement justifiée, mais également souhaitable

Sous la lumière blanche, les plantes ont évolué toute l'histoire de la vie sur Terre, se développent bien sous elle et dans un environnement artificiel. L'efficacité des luminaires à LED blanches modernes, exprimée en μmol / J dans la gamme actuelle de 400 ... 700 nm, correspond à peu près au meilleur DNaT spécialisé et est légèrement inférieure aux phyto-lampes LED à spectre médiocre [1]. Ce qui rend l'utilisation de la lumière blanche énergétiquement justifiée.
Le projet Fiteks a présenté les résultats d'une expérience sur la culture de différentes cultures dans les mêmes conditions, mais sous un spectre différent. L'expérience a montré que le spectre affecte les paramètres de rendement. Il est extrêmement curieux de comparer des plantes cultivées sous lumière blanche, sous la lumière de DNaT et rose à bande étroite (Fig.2).


Fig. 2 Salade cultivée dans les mêmes conditions, mais à la lumière d'un spectre différent. Images de la vidéo publiée par le projet Fitex dans les matériaux de la conférence «Agrophotonic Technologies» en mars 2018.

Dans les indicateurs numériques, la première place a été prise par un spectre non blanc unique sous le nom commercial Rose, qui ne diffère pas beaucoup de la lumière blanche chaude testée avec un rendu des couleurs élevé R _a = 90. Il s'est avéré surprenant qu'il diffère encore moins du spectre de la lumière blanche chaude avec un rendu des couleurs extra-élevé R _a = 98 (celui-là même qui était utilisé par les enfants dans le système d'éclairage sur la photo d'en-tête). La principale différence est que Rose a une petite fraction de l'énergie de la partie centrale retirée (redistribuée aux bords):



La redistribution de l'énergie de rayonnement du centre du spectre vers les bords ne conduit à rien ou réduit l'efficacité de la photosynthèse des feuilles du niveau inférieur [2]. Mais la lumière devient rose.

La lumière rose ou jaune DNaT peut être utilisée dans les serres industrielles. Mais lorsque les gens partagent une salle commune avec des plantes, une lumière blanche est nécessaire. Par exemple, dans les projets éducatifs, les plantes doivent être constamment observées et il n'y a pas d'alternative à la lumière blanche de haute lumière qui offre un confort visuel à une personne et de bonnes conditions pour le développement des plantes [1].

Comparaison de différentes options spectrales pour l'éclairage des plantes

Une comparaison directe des spectres des sources lumineuses (Fig.3) montre que la lumière des LED blanches les plus courantes 4000 K / R _a = 80 est plus riche que le spectre DNaT et est quelque peu inférieure en contenu du composant rouge au spectre de lumière rose typique pour l'éclairage des plantes avec un nom commercial habituel, mais clairement incorrect " Augmenter le spectre lumineux complet ". La lumière blanche au rendu des couleurs élevé en termes de composition spectrale est plus riche que les autres options et plus proche du spectre continu de la lumière naturelle.


Fig. 3 Comparaison des spectres de la lumière LED blanche et des principales options d'éclairage spécialisé pour les plantes en croissance

Selon les graphiques, une augmentation du rendu des couleurs de la lumière blanche entraîne une augmentation de la proportion de lumière inutile pour la photosynthèse avec une longueur d'onde supérieure à 700 nm. Mais cette part ne dépasse pas quelques pour cent et n'est pas supérieure à celle de « croître la lumière à spectre complet ».

Les composants spectraux qui remplissent uniquement la fonction de signal et ne sont pas inclus dans le spectre de la lumière LED blanche - principalement 400 nm et 730 nm, peuvent être ajoutés à la lumière blanche à l'aide de luminaires séparés avec des LED à bande étroite. Vérifier la pertinence d'un tel additif et déterminer son intensité optimale pour chaque culture cultivée est assez simple. Mais tout d'abord, le besoin fondamental de la plante en lumière doit être satisfait - l'énergie.

LER : indice d'efficacité du luminaire

Le paramètre LER [lm / W] a la même dimension que l'efficacité lumineuse η [lm / W] caractérisant le luminaire, mais dénote le flux lumineux en lumens correspondant à un watt de puissance de rayonnement radiométrique.

Le LER dépend faiblement de la température de couleur du CCT et présente une dispersion significative à un rendu de couleur fixe R _a (Fig. 4). Pour estimer le LER, vous pouvez utiliser une valeur arrondie de LER = 300 lm / W.


Fig. 4 Dépendance de la lumière LED blanche LER sur l'indice global de rendu des couleurs

Connaissant la valeur LER , il est facile de calculer la puissance radiométrique par la formule W = F / LER et la densité de puissance radiométrique W / S = E / LER , où W [W] est la puissance radiométrique, F [lm] est le flux lumineux, S [m ² ] - la zone sur laquelle le flux lumineux tombe, E [lx] - illumination.

S'il est nécessaire de maximiser la puissance radiométrique à une consommation d'énergie donnée, le luminaire peut être sélectionné selon le critère d'efficacité énergétique maximale, qui est calculé par la formule: Efficacité = 100% · η / LER , où η [lm / W] est le flux lumineux de la lampe.

La densité de flux lumineux radiométrique est rarement utilisée dans les directives d'éclairage des plantes. L'estimation LER est utile pour comprendre que la densité de flux radiométrique est proportionnelle à l'illumination en lux, et les paramètres spectraux de la lumière blanche peuvent être négligés en première approximation. De plus, l'évaluation LER nous permet d'estimer l'efficacité de l'installation d'éclairage dans son ensemble selon la formule efficacité = 100% · E · S / LER / P , où E [lx] est l'illumination mesurée réelle créée sur la zone S [m ² ] de l'installation d'éclairage consommant la puissance P [ Mar]. L'efficacité est un paramètre intégral important du contrôle de l'efficacité.

Valeur énergétique d'une unité de lumière

La valeur énergétique de la lumière pour une plante est déterminée par la valeur PPF (Photosynthetic Photon Flux) en micromoles par seconde dans la plage 400 ... 700 nm, ou plus précisément par la valeur YPF (Yield Photon Flux) en tenant compte de la correction de la courbe McCree 1972 [4]. La plupart des données citées dans la littérature scientifique sur lesquelles vous devez vous baser pour évaluer un système d'éclairage fonctionnent sur des valeurs PPF , ce qui rend intéressant l'analyse du rapport PPF / YPF .

Pour la lumière blanche, la dépendance entre PPF et YPF est assez étroite, dépend peu du rendu des couleurs et est déterminée par la température de couleur (Fig. 5).


Fig. 5 Dépendance du rapport entre PPF et YPF sur la température de couleur du blanc

Pour des raisons pratiques, il suffit de tenir compte du fait que la dépendance est presque linéaire et que PPF pour 3000 K est supérieur à YPF d' environ 10% et pour 5000 K de 15%. Ce qui signifie une valeur énergétique d'environ 5% supérieure pour la lumière chaude de la plante par rapport au froid avec un éclairage égal dans les suites.

PPF et PPFD

Pour les valeurs typiques des paramètres spectraux PPF et PPFD sont obtenus comme suit:



On peut voir que la lumière chaude et la lumière avec une reproduction des couleurs élevée ont une valeur énergétique légèrement supérieure pour la plante avec un éclairage égal.

Les valeurs dans le tableau diffèrent de la valeur ronde de 15 unités de pas plus de 7%, donc, pour des raisons pratiques, vous pouvez utiliser la règle: un débit de 1000 lm correspond à PPF = 15 μmol / s, et un éclairage de 1000 lux correspond à PPFD = 15 μmol / s / m ² .
Selon les données de [3], les DNaT spécialisés pour l'éclairage des serres d'une puissance de 600 ... 1000 W ont une efficacité d'environ 1,6 μmol / J, 1000 lm de flux lumineux correspondent à environ PPF = 12 μmol / s, et un éclairage de 1000 lux correspond à environ PPFD = 12 μmol / s / m ² . Ainsi, la lumière blanche pour la plante représente un quart des «calories» par rapport à la lumière de DNaT, et le même éclairage dans les suites signifie un PPF plus élevé.
De plus, ces données permettent de recalculer le lux pour DNaT en µmol / s / m ² et d'utiliser l'expérience de l'éclairage des plantes dans les serres industrielles.

Facteur d'efficacité

Le coefficient d'utilisation du flux lumineux k est la fraction du flux lumineux de l'installation d'éclairage qui tombe sur les feuilles des plantes. Cette valeur peut être utilisée, par exemple, pour estimer PPFD selon la formule: PPFD [μmol / s / m ² ] = k · 15 · F [km] / S [m ² ], où F est le flux lumineux en kilolumens, S est l'illuminé superficie en mètres carrés.

L'incertitude de k augmente l'erreur d'estimation. Considérons les valeurs possibles de k pour les principaux types de systèmes d'éclairage:

1) Sources ponctuelles et linéaires

L'éclairement créé par une source ponctuelle dans une zone locale tombe inversement avec le carré de la distance entre cette zone et la source. L'éclairage créé par des sources étendues linéaires sur des lits étroits diminue inversement avec la distance.

La diminution de l'illumination ne se produit pas du fait que la lumière "s'affaiblit" avec la distance, mais parce qu'avec une augmentation de la distance, une proportion croissante de la lumière ne tombe pas sur les feuilles. Cela rend extrêmement désavantageux l'illumination de plantes individuelles ou de lits simples allongés avec des lampes très suspendues. L'optique rétrécissant le flux lumineux permet de diriger une grande partie du flux lumineux sur la plante, mais dans le cas général, on ne sait pas lequel.

La forte dépendance de l'éclairement sur la distance et l'incertitude de l'effet de l'utilisation de l'optique ne permettent pas de déterminer le coefficient d'utilisation k dans le cas général.

2) Surfaces réfléchissantes

Lors de l'utilisation de volumes fermés avec des parois parfaitement réfléchissantes, l'intégralité du flux lumineux pénètre dans la plante. Cependant, le coefficient de réflexion réel des surfaces miroir ou blanches est inférieur à l'unité. Et cela conduit au fait que la proportion du flux lumineux incident sur les plantes dépend toujours des propriétés réfléchissantes des surfaces et de la géométrie des volumes. Et déterminer k dans le cas général est impossible.

3) Grands réseaux de sources sur de grandes zones d'atterrissage

De grands réseaux de luminaires ponctuels ou linéaires sur de grandes zones d'atterrissage sont énergétiquement bénéfiques. Un quantum rayonné dans n'importe quelle direction tombera sur une feuille, le coefficient k est proche de l'unité.

Par exemple, le système d'éclairage «pour enfants» de la photo de titre combine les avantages d'un large éventail de sources de lumière (rubans LED fixés sur une base lisse avec du ruban de papeterie) et des surfaces réfléchissantes (murs peints avec de la peinture à dispersion d'eau blanche), la valeur réelle du coefficient de flux lumineux pour cela k > 0.9.

Conclusion intermédiaire: pour toutes les géométries de systèmes d'éclairage considérées, l'incertitude dans la fraction de lumière transmise aux plantes est supérieure à la différence entre PPFD et YPFD , et supérieure à l'erreur déterminée par la température de couleur inconnue et la reproduction des couleurs. Par conséquent, pour une évaluation pratique de l'intensité du rayonnement photosynthétiquement actif, il est conseillé de choisir une méthodologie plutôt grossière pour évaluer l'illumination qui ne prend pas en compte ces nuances. Et si possible, mesurez l'éclairage réel avec un luxmètre.

Erreur de mesure de la lumière

Dans les mesures directes, il est nécessaire de prendre en compte l'illumination inégale créée par le système d'éclairage. Un exemple typique: la norme EN 12464-1 «L'éclairage des lieux de travail» exige un rapport d'éclairage minimum sur une moyenne ne dépassant pas 0,7. Ce qui signifie en pratique une différence d'éclairage de différentes zones jusqu'à 30% et une erreur significative de la valeur moyenne avec un petit nombre de mesures.

De plus, les lectures du posemètre conformément à sa classe de précision peuvent différer de quelques pour cent des valeurs réelles. Alors GOST 24940-2016 «Bâtiments et structures. Les méthodes de mesure de l'illumination »nécessitent l'utilisation de luxmètres avec une erreur ne dépassant pas 10%, et les modèles les plus courants de luxmètres« eLait02 »et« TKA-PKM »en Russie ont une erreur de 8%.

L'effet d'une erreur dans la valeur PPFD sur le résultat

Conformément à la loi du facteur limitant («baril de Liebig»), le facteur rare, qui peut être léger, affecte linéairement la récolte. Cependant, le niveau optimal de PPFD est généralement sélectionné en fonction du critère de maximisation de la productivité, et donc, à la frontière ou à l'étranger de la dépendance linéaire. Par exemple, l'intensité d'éclairage optimale du chou chinois PPFD = 340 µmol / s / m ^{2 a été} déterminée dans [5], et l'argument a été utilisé selon lequel le critère utilisé à des niveaux d'éclairement élevés avec un éclairage croissant est si faible qu'il est économiquement impossible d'augmenter l'éclairage. Dans un message privé, les auteurs de ce travail ont indiqué qu'avec une méthode améliorée de culture de la même culture, une augmentation linéaire du rendement a été observée à des éclairements allant jusqu'à 500 μmol / s / m ² .

Ainsi, la situation d'un effet significatif du PPFD sur le rendement est en soi un signe de niveaux de lumière insuffisants. Une quantité suffisante de lumière élimine l'importance de l'erreur dans la détermination du niveau d'éclairage et rend injustifiée l'utilisation d'estimations de haute précision.

Conclusion

L'estimation la plus adéquate du flux de lumière blanche photosynthétiquement active est obtenue en mesurant l'éclairement E avec un posemètre, en négligeant l'influence des paramètres spectraux sur la valeur énergétique de la lumière pour la plante, et en évaluant le PPFD de la lumière LED blanche en utilisant la formule:

$$

$$PPFD \ gauche [µmol / s / m ^ {2} \ droite] = 15 · E \ gauche [CLK \ droite]$$

Remerciements

L'auteur est reconnaissant de l'aide qu'il a apportée à la préparation de l'article à l'employé du doctorat SSC RF-IBMP RAS. Irina O. Konovalova; Nikolay N. Sleptsov, directeur technique de Gorshkoff.ru; Mikhail Chervinsky, spécialiste du CREE; génie d'éclairage Anna G. Savitskaya; Chercheur principal, IRE RAS, Ph.D. Alexander A. Sharakshane, chercheur principal, IRE RAS et professeur, Université médicale d'État de Moscou Sechenova Docteur en sciences physiques et mathématiques Andrei A. Anosov.

Cet article est une traduction adaptée de l'article " Une estimation facile du PFDD pour une plante éclairée par des LED blanches: 1000 lx = 15 μmol / s / m ² ". Les méthodes et les détails des calculs n'ont pas été traduits en russe. Mais le langage est plus simple, des exemples et des images sont ajoutés.