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Mesure des performances de la LED en horticulture

L’éclairage LED, c’est avant tout la lumière avec un spectre dans le domaine du visible. Comment est-il utilisé en horticulture ? Quels sont ses paramètres ?
par Thomas Merelle19 juin 2017

La LED, de par sa faible consommation, son importante durée de vie, son relativement faible dégagement de chaleur en comparaison des sodiums haute pressions ainsi que sa grande flexibilité spectrale, est également en plein développement pour le marché de l’horticulture.

Quatre paramètres sont utilisés par les professionnels de l’éclairage pour caractériser l’usage des LED dans cette application particulière où le but est de maîtriser la croissance des végétaux que nous mangeons.

PAR : Photosynthetically Active Radiation (domaine de radiation photosynthétiquement actif)

Courbe de McCree (spectre moyen en absorption d’une plante) et domaine PAR [1] – Document : Thomas Mérelle

Les plantes utilisent principalement la lumière présente dans le domaine de longueur d’onde entre 400 et 700 nanomètres. Le PAR (domaine de radiation photo-synthétiquement actif) illustré ci-dessus (en vert) n’est pas un métrique de mesure mais définit la fenêtre de lumière requise pour que la photosynthèse puisse se faire. La quantité et la qualité de la lumière spectrale dans le PAR sont les métriques importants à considérer. La courbe de McCree (aussi appelée la courbe de sensibilité des plantes) représente quant à elle la réponse photosynthétique moyenne des plantes à l’énergie lumineuse. Tout horticulteur doit se poser trois questions quant il recherche des systèmes d’éclairage :

  • Quelle proportion du PAR le luminaire est-il en mesure de produire (Photosynthetic Photon Flux, voir ci-dessous) ?
  • Quelle proportion instantanée du PAR du luminaire est disponible pour la plante (Photosynthetic Photon Flux Density, voir ci-dessous) ?
  • Quelle quantité d’énergie totale est utilisée par le luminaire afin de rendre disponible le PAR pour la plante (efficacité photonique).

PPF : Photosynthetic Photon Flux (Flux de photons photosynthétiques)

Le PPF mesure la quantité du PAR qui est produite par un système lumineux. Cette mesure est faite en utilisant une sphère d’intégration qui capture et mesure essentiellement tous les photons émis par un système d’éclairage afin d’obtenir le spectre en émission de la source lumineuse.

Représentation graphique du PPF (Photosynthetic Photon Flux) – Dessin : Thomas Mérelle

L’unité utilisée pour exprimer le PPF est la micromole par seconde par lumen (µmol.s-1.Lumen-1). C’est probablement la seconde plus importante méthode employée afin de mesurer un système d’éclairage horticole, même si la plupart des entreprises du domaine de l’éclairage ne listent pas ce métrique. Il est important de souligner que le PPF ne dit pas quelle proportion de la lumière mesurée arrive effectivement sur la plante, mais c’est un métrique important lorsque l’on souhaite calculer l’efficacité d’un système d’éclairage.

PPFD : Photosynthetic Photon Flux Density (Densité de flux de photons photosynthétiques)

Le PPFD mesure la quantité du PAR qui arrive effectivement sur la plante, ou comme un scientifique dirait : « le nombre de photons photo-synthétiquement actifs qui tombent sur une surface donnée à chaque seconde ». Le PPFD est un « point » de mesure à un endroit spécifique sur la canopée des plantes. Il est mesuré en micromoles par mètre-carré et par secondes (µmol.m-2.s-1). Il est le produit du PPF fois l’illuminance. Afin de mesurer la véritable intensité de lumière d’une lampe au-dessus d´une surface cultivée donnée (par exemple 1 m x 1 m), il est important de le calculer en prenant la moyenne de plusieurs mesures de PPFD à une hauteur définie.

Représentation graphique du PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) – Dessin : Thomas Mérelle

Les entreprises du domaine de l’éclairage qui ne publient que le PPFD à un point central d’une surface cultivée tendent à surestimer la véritable intensité de lumière d’une installation. Une unique mesure ne donne qu’une information partielle car les luminaires en horticulture délivrent en général une lumière plus intense au centre de la surface illuminée, avec des niveaux de lumière qui diminuent lorsque les mesures sont faites de plus en plus en direction des extrémités de la surface couverte.

PSS : Phytochrome Photostationary State (état photo-stationnaire phytochromique)

En biochimie, l’état photo-stationnaire d’une réaction photochimique réversible est la composition à l´équilibre chimique sous un type spécifique d´irradiation. C’est une propriété d’importance particulière pour les composés photochromiques. Elle est souvent utilisée comme mesure de leur efficacité pratique et usuellement donnée comme un ratio ou un pourcentage. Un ratio de 0 correspond ainsi à une cinétique de réaction photochimique allant totalement dans le sens des produits de réaction. Un ratio de 1 correspond quant à lui à une cinétique de réaction photochimique allant totalement dans le sens des réactifs (réaction inverse). 

La position de l’état photo-stationnaire est principalement fonction des paramètres d’irradiation, du spectre en absorption des espèces chimiques et du rendement des réactions photochimiques.

Mécanismes des plantes déclenchés par l’effet photo-stationnaire phytochromiques et explication du concept du PSS [2]- Document : Mayank Anand Gururani

  • [2] Mayank Anand Gururani, Markkandan Ganesan, Pill-SoonSong, “Photo-biotechnology as a tool to improve agronomic traits in crops.” Biotechnology Advances, Dec 2014

Les phytochromes sont des photorécepteurs présents dans tout organisme végétal. Ils interviennent dans la synthèse de la chlorophylle mais commandent aussi plusieurs mécanismes importants dans la croissance des végétaux. Le ratio entre la forme Pr (rouge) et la forme Pfr (rouge lointain) évolue de façon réversible avec la longueur d’onde d’irradiation. Le ratio entre les deux permet de déclencher au niveau de la plante des effets tels que la germination, la tolérance à la lumière, la floraison.

Dans le détail, le PSS (Phytochrome Photostationary State) est défini comme le ratio entre la quantité de la forme Pfr sur la quantité totale des deux formes.

Conclusion

Nous avons vu au cours de cet article que même si le point de départ des champs d’application de la technologie LED est toujours le même : le spectre lumineux, les différentes méthodes permettant d´en mesurer l´utilité pour chacune des branches de cette industrie sont quant à elles diverses et variées.

Les mesures quantifiables montrent l’utilité d’un spectre adapté à la croissance des végétaux, pour améliorer

  • le rendement énergétique des luminaires et/ou celui des surfaces cultivées,
  • le nombre de récoltes,
  • les qualités des végétaux (plantes, fleurs, fruits et légumes) cultivés sous serre.

Mais bien entendu, d´autres indices, non décrits dans cet article existent ou sont en cours de développement, par exemple dans les domaines de l´affichage (téléviseurs, moniteurs, écrans de publicités) ou dans celui de la communication par la lumière (LiFi).

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Effets lumière Lumière colorée
Techniques d'éclairage Éclairage LED
Professions Fabricant Horticulteur
Supports Texte Dessin Graphique
Source Thomas Mérelle Light ZOOM Lumière
Thomas Merelle
Thomas Merelle
Consultant chez Pi Lighting dans le domaine de la LED et de son utilisation dans des applications high-tech depuis 2015. Docteur en Physique du semiconducteur ayant travaillé pour cette industrie en France, en Belgique et en Allemagne durant 13 ans. Mes centres d'intérêt sont l'innovation technologique et ses applications concrètes, la géopolitique et les voyages.
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