Study and optimization of lighting systems for plant growth in a controlled environment

Les systèmes d'éclairage artificiels sont couramment utilisés pour la croissance des plantes en serre ou environnement contrôlé (culture hydroponique, hors sol, etc...). 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 (PARS pour "Plant Artificial Radiation Sources") 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 complété par une source artificielle (PARS). Les serres ou les complexes de culture hydroponique avec éclairage artificiel (Plant Factory with Artificial Lighting, "PFAL"), 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, en particulier dans la culture hydroponique qui n'utilisent que les sources d'éclairage artificielle. 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 (LED) pour l'éclairage constituent 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 rayonnement relativement simple à contrôler par rapport aux sources de lumières classiques, une lumière dite "froide" (pas d'émission infra-rouge), de petite taille, robuste, etc. En outre, les systèmes d'éclairage à LED ("LED Lighting Systems", 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 (notamment vis-à-vis de leur faible consommation énergétique).Artificial lighting systems can be used for plant growth in protected horticulture. Their main function is to improve the quality and quantity of agricultural products. Plant factory and greenhouse with supplemental lighting are the concrete manifestation of protected horticulture. 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) 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 characteristics of artificial light source. Second, photobiology mechanism under different spectra is not clear enough for all the species. Third, agricultural field is a large system of great complexity. As a result, the PARS usually have 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 for plant factory that can only use PARS for photosynthesis and agricultural production. However, the high energy consumption and design flaws become the bottleneck problems. Therefore, how to select the light sources and optimize the lighting systems are of great importance. Which kind of spectrum is optimal for plants or algae needs further study. Light emitting diode (LED) is the fourth (the latest) generation light source. Compared with traditional light sources, it has unparalleled advantages such as high efficiency, long lifetime, flexible spectrum, cool light, small size, robust, etc. Besides, LED lighting systems (LLS) use DC power supply, which is more reliable and easier to control. Therefore, LLS become more and more popular to the researchers, engineers, manufacturers and biologists. Particularly, LED applications for agricultural production also attract broad attention in the world in recent years. LED is known as the ideal choice to spread in the protected horticulture