Spectre de la lumière produite par des LED et son efficacité

Ce qu'il faut retenir d'entrée de jeu, c'est que tout éclairage se décompose en un ensemble de couleurs (ou longueurs d'onde) différentes et que toutes les couleurs ne jouent pas le même rôle et n'ont pas la même efficacité.

L'arc en ciel, naturel ou obtenu par une prisme ou un CD, montre bien la palette des couleurs de la lumière solaire. Cette palette s'appelle le spectre.

La perception humaine ne rend que très mal compte du spectre d'un éclairement. Par exemple : une lumière perçue comme blanche est en fait la combinaison de différentes couleurs, ou encore l'œil humain ne saura pas distinguer un violet produit par un rayonnement violet, ou par l'addition de lumières rouge et bleue. Enfin il faut savoir que la perception de l'intensité d'une lumière varie énormément en fonction de la couleur : l'oeil humain est très sensible au vert eu jaune, beaucoup moins au rouge et au bleu.

Chaque type d'éclairage artificiel est caractérisé par un spectre qui représente l'intensité relative des différentes couleurs qui compose la lumière produite.

Concernant l'éclairage des plantes dans une pouponnière, il est important de connaitre les besoins de ces plantes pour leur croissance (nota: les besoins des plantes en lumière sont différents lors de la phase floraison/fructification), afin de mettre en place un éclairage qui réponde à ces besoins (besoin en spectre, besoin en intensité).

Wikipedia dans l'article Photosynthetically Active Radiation - PAR  ou en version française [1] donne de nombreux renseignements dont la courbe du PAR et son rendement :

Un cours sur les Les chloroplastes et la photosynthèse présente la photosynthèse et notamment les couleurs très majoritairement absorbées par les pigments photosynthétiques.

Voir également  : Cours sur les pigments

Même si certains articles comme le premier affirment que le vert et le jaune ne servent à rien à la photosynthèse, il convient de prendre ces affirmations avec du recul et retenir que dans nos conditions d'éclairement le “jaune” et le “vert” ont un effet réduit par rapport au “bleu” et au “rouge”, puisque d'autres études scientifiques sérieuses affirment et démontrent notamment

Effet de la lumière verte sur la photosynthèse des feuilles

que, sous conditions d'éclairement très puissant les longueurs d'ondes vertes, bien que peu absorbées par les feuilles, contribuent plus à la photosynthèse que les longueurs d'ondes rouge. Comme les auteurs expliquent que cela n'est plus exact avec une intensité d'éclairement plus faible, et que dans nos pouponnières nous ne visons pas à égaler l'éclairement des jours d'été en plein soleil (~100 000 lux), il semble raisonnable de persister à penser que les couleur jaune et le vert n'ont qu'une influence réduite, mais loin d'être nulle, sur la première croissance.

Ce qu'il convient de retenir ce sont les termes et notions

• de rayonnement photosynthétique actif , ou son équivalent anglais le plus souvent utilisé Photosynthetically Active Radiation et son acronyme : le PARqui désigne le spectre de la lumière utile pour les plantes dans la bande de 400 à 700 nm (mais parfois dans la bande 370 à 730 nm pour d'autres);
• “photosyntetic photon flux” ou PPF, qui désigne, pour un éclairage donné, la fraction de lumière qui se situe dans le PAR et sera donc utile à la plante.
• “Yield Photo Flux” ou YPF: qui est la combinaison (pondération) du précédent avec la courbe de rendement pour la photosynthèse des longueurs d'ondes dans le PAR
• “photosyntetic photon flux density” ou PPFD, qui désigne l'énergie lumineuse utile reçue (le PPFD se mesure en photons reçus par seconde et par mètre carré par seconde, ou en Watt). C'est une mesure de puissance dont l'unité est le μmol/m²/s. On trouve parfois le terme “PAR Watt” pour désigner la même chose, en Watt.

DLI ou Daily light integral : intégrale du PPFD reçu, sur 1 m², pendant un cycle de 24 heures. Autrement dit le nombre total de photons utiles à la photosynthèse reçus pendant une journée complète, l'unité est le mol/m². D'un point de vue théorique un PPF caractérise un système d'éclairage, alors que le YPF est (légèrement) variable suivant la plante cultivée et son stade de croissance. Pour ce qui nous concerne, dans une pouponnière, il s'agit principalement de la croissance foliaire et pas de floraison fructification, et il y a relativement peu de différences entre les jeunes plantules de nos potagers. Il suffit de retenir qu'à ce stade de croissance par rapport à la courbe moyenne, l'importance de la bande bleue est renforcée par rapport à celle du rouge qui devient prépondérante lors de la floraison/ fructification.

Un article en anglais très fouillé se penche sur l'étude du spectre d'un éclairage LED pour la croissance des plantes en comparaison des des lampes HPI. Voircomparaison des éclairages

On y trouve notamment le schéma suivant du PPF de différents éclairage

En résumé, dans tout type d'éclairage seulement une partie de l'énergie lumineuse émise va se situer dans le PAR. Il est donc important pour chaque type d'éclairage de savoir estimer la proportion qui se situe dans le PAR et qui peut être très variable, comme le montre ce tableau (issu de l'article wikipedia sur le PAR) :

On y remarque notamment que le spectre “lumière naturelle” est beaucoup plus efficace que le spectre blanc chaud. Même si nos système d'éclairage ne sont pas assimilables à “un corps noir” chauffé, cela montre quand même que globalement un éclairage avec une température de lumière de 6 200°K à 6 500°K donnera de meilleurs résultats, en première croissance, que son équivalent à 2 700°K ou 4 000°K.

On identifie donc trois facteurs majeurs pour le rendement des éclairages artificiels :

• i) le rendement de la transformation des Watt électriques en énergie lumineuse,
• ii) la proportion de lumière produite qui se situe dans le PAR (lié au spectre)
• iii) la qualité de la correspondance (dans le PAR) entre le spectre produit et le spectre du rendement de photosynthèse.

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L'objectif de tout éclairage de plantes et de fournir le PPFD nécessaire avec le meilleur rendement par rapport à l'énergie électrique consommée pour le produire. Un rendement optimal sera obtenu avec la combinaison i) d'un bon rendement dans la transformation de l'électricité en lumière et ii) d'un bon rapport de la lumière utile, celle dans le PAR, par rapport à la lumière totale. Plus le spectre de l'éclairement sera proche du spectre d'absorption pour la photosynthèse, meilleur sera ce rendement.

C'est ce que l'on retrouve sous les appellations “blanc froid” en français et “cool white” en anglais.

On trouve sur le site http://www.alpheus-aquarium.com/technologieLED.htm ce schéma (dont ils ne citent pas la source mais manifestement copié d'une documentation CREE)

dans lequel la courbe bleue correspond au spectre blanc froid (6 500 K) – les courbes verte et rouge correspondent au blanc neutre et au blanc chaud.

On y constate une assez bonne correspondance entre le spectre du blanc froid et le précédent (celui des couleurs pour la photo synthèse) et on comprend facilement que le spectre “blanc froid” sera sensiblement plus efficace que le “blanc neutre” (pure white) et le blanc chaud (warm white).

Ce qui est très intéressant d'un point de vue rendement c'est la très faible proportion dans ce spectre de jaune et jaune/vert dont le rendement pour la photo-synthèse est très faible. La majorité des longueurs d'onde émises se situe dans les plages de fort rendement “photosynthèse”.

Il est intéressant de constater que le spectre des tubes fluos blanc froid et celui des LED blanc froid sont assez similaire : cela va permettre d'appliquer une bonne partie des résultats obtenus pour les tubes.

Attention : les tubes spéciaux type Gro-Lux sont très différents des tubes blanc froid ; ils produisent beaucoup moins de lumens que les tubes blanc froid (2,5 à 3 fois moins à puissance électrique égale), mais leur spectre très spécialisé leur permet de fournir à éclairement égal un pourcentage de photons utiles trois fois supérieur à celui des tubes standard. Nota: en raison de leur spectre très “spécial” les fabriquants recommandent souvent de ne pas les utiliser seuls, mais au contraire en complément de la lumière naturelle ou alors en combinaison avec des tubes standards.

Remarques :

• Se méfier des blancs 'RVB“ obtenus par un mélange de LED rouges, vertes et bleues. Cela donne effectivement de la lumière blanche, mais avec un spectre qui n'est pas adapté à la croissance (le vert ne sert à rien). Avec ce type de lumière il faudrait certainement une puissance d'éclairage au moins 25 à 35% plus forte pour obtenir le même résultat; il va y avoir du gaspillage de puissance électrique consommée.
• des essais avec “blanc chaud” ont bien montré que ce spectre n'est pas du tout efficace pour la première croissance des plantes (cf. le sujet du forum consacré à ce document).

Il est possible de calculer l e quantum d'énergie fourni par un photon en fonction de sa longueur d'onde, par la formule

ce qui permet d'obtenir le tableau suivant

Pour les LEDs il faudrait en principe faire l'intégrale de leur spectre pour déterminer exactement leur contribution au PPF.

En première simplification, on peut considérer que pour les LED monochromatiques (celles qui émettent tous leurs photons dans une bande étroite autour de la valeur nominale) tous les photons sont émis avec cette valeur nominale comme longueur d'onde.

Par une première extrapolation “osée” (et qui pourra/devra être affinée), pour les LEDs blanc froid on se contentera de considérer qu'elles sont approximativement équivalentes à une source qui serait composées de 40% de 450 nm, de 20 % de 550 nm et de 40 % de 660 nm. De même (toujours aussi “pifométrique”) pour les LEDS “full-spectrum”, on les considérera comme équivalentes à une source avec 50% de 450 nm et 50% de 660 nm.

Cela de compléter le tableau ci dessus de façon approximative par

A partir de ces valeurs nous avons pu mettre au point un tableur qui permet d'estimer le PPF et le YPF produit par une éclairage composé d'un mix de LED dans ces différentes couleurs et ou “blanc froid” ou “full spectrum”, dès lors que l'on connait en plus de la surface éclairée, le nombre de LED de chaque type et pour chacune l'intensité et la tension qui la traverse, et que l'on connait ou estimes à partir des spécifications du constructeur le coefficient de rendement (ratio de W lumineux émis par rapport aux W électriques consommés).

En voici un exemple, pour une pouponnière existant “haut de gamme” éclairée pour 0,5 m², par 5 COB blanc froid , 25 LED bleu royal, 12 LED rouge 660 et 13 LED full-spectrum : 

Sur une base d'éclairage LED blanc froid, en tenant compte de la courbe du rendement de la photo synthèse, on peut améliorer le YPF en rendant le spectre plus proche de cette courbe en renforçant la bande bleue entre de 430 à 470 nm et celle de la bande rouge de 640 à 680 nm, à ajoutant au système d'éclairage des LED dites “bleu royal” (Royal Blue à ~450 nm) et “rouge cerise” (Photo Red ou Far Red à ~660 nm). Différentes études (dont celle Végéled déjà citée) et des expérimentations ont démontré qu'il serait ainsi possible d'obtenir un éclairage pouponnière acceptable en descendant à un niveau de Watts électriques compteur consommés autour de 70 W par m² éclairé. Pour cela il conviendrait d'utiliser des LEDs “haut de gamme” avec un rendement très élevé (quantité de photons produit par W électrique consommé).

La question complexe reste celle de la proportion de “bleu royal” et de “rouge cerise” qui optimise l'efficacité réelle sur la croissance des plantes et si cette proportion est la même (ce qui est peu probable) entre les premières semaines de croissance et les suivantes notamment pour la floraison.

L'intensité de l'éclairage émis (mesuré en Lumens : lm) ou reçu (mesuré en lux) est défini par la perception humaine (vision photopique) des différentes couleurs qui compose son spectre. Puisque les spectre de la perception humaine et de l'absorption par les plantes sont presque opposés, ces valeurs ne permettent pas que quantifier correctement les besoins de la plante pour sa première croissance. Ces unités sont pourtant largement utilisées et par les producteurs de LEDs et par les jardiniers amateurs.

L'intensité d'éclairage du soleil direct est considérable (50 à 100 000 lux). Inutile de chercher à éclairer autant, d'autant que généralement on va éclairer plus longtemps (typiquement 14h par 24h)  !

On estime qu'un éclairement de l'ordre de 15 000 lux de lumière naturelle est largement suffisant (soit 15 000 lumens équi-répartis sur 1 m²). Avec un spectre de lumière plus adapté, le nombre de lux nécessaires sera moindre voire sensiblement moindre, puisque il y aura moins de lumière dans des couleurs -fréquences- peu utiles et donc une proportion de lumière utile plus importante.

En profitant de l'expérience acquise avec les tubes fluo habituels, on sait qu'à partir de 150 W/m² et jusqu'à 200 W/m² pour la croissance on obtient des résultats satisfaisants (on ne parle pas ici de floraison fructification qui demande un spectre différent et souvent une intensité plus forte).

• En considérant qu'un “tube fluorescent” fournit réellement entre 50 et 70 lm/w au niveau du feuillage (puissance du flux lumineux) il est possible de déterminer une plage optimale d'éclairement allant de 7 500 à 15 000 lux (lumens par mètre carré) en haut des plantes.
• Le minimum en spectre “blanc froid” tube est cohérent avec celui de 15 000 lux de lumière naturelle.

Pour plus d'information sur les tubes voir cet article un peu ancien mais très documenté sur les caractéristiques de très nombreux tubes dont le très particulier Grolux : liste-des-tubes-fluorescents

On y trouvera notamment le spectre de la chlorophylle et celui de la lumière solaire, en plus de ceux des différents tubes.

Cela définit l'intensité lumineuse que doivent recevoir les plantes avec un éclairage fluorescent, l'important va être de l'obtenir de la manière la plus économique et de minimiser les pertes avec un éclairage LED.

Comme i) les LEDs “blanc froid” ont un spectre assez comparable à celui des tubes “blanc froid” et, ii) le rendement des LEDs est en général un peu supérieur à celui des tubes, ces valeurs en W/m² nous donnent à la fois une première indication et une sorte de borne supérieure de l'énergie électrique à prévoir pour un éclairage LED (sinon il serait plus simple d'éclairer avec des tubes).

Si l'on ignore la perception humaine, pour aller au delà des lumens et lux qui sont des mesures “subjectives”, l'énergie lumineuse réelle qui peut s'exprimer en Watts comme toute énergie, est comptabilisée en moles de photons s-1 et m-2 (en simple le nombre de photons -grains élémentaires de lumière- par mètre carré et par seconde) ou encore plus souvent en μ.moles/m²/s pour que les mesures soient plus facile à utiliser.

La conversion entre les 2 unités de mesure d'énergie W/m² (énergie de lumière reçue) et μ.moles/m²/s (photons) dépend de la longueur d'onde, mais se situe en moyenne pas loin de  : 1 W/m² ~ 4,5 μ.moles/m²/s.

On trouve sur Internet et dans un document de l'Université d'Arizona, quelques valeurs intéressantes. Ainsi,

• pour un optimum de production de tomates ou de concombre, il faut de 30 à 35 mol/m² et par jour
• pour une bonne croissance végétative (développement foliaire) des ces mêmes plantes et d'autres légumes comme la salade, il faudrait idéalement 13 mol/m² et par jour

En éclairant 14 h pour jour (soit ~ 50 000 secondes), il faudrait idéalement un flux lumineux de ~ 260 µmol/m²/s pour les laitues et de 650 à 750 µmol/m²/s pour la fructification des tomates à leur vitesse maximale. Notons que les résultats sont déjà très corrects avec 160 et 400 respectivement.

Plusieurs articles scientifiques indiquent que pour les pouponnières (premiers jours jusqu'au 3 et 4 ème vraies feuille) l'éclairage optimal commence à partir de 6/8 mol/m² et par jour, ce qui s'obtient avec un flux de ~ 120/160 µmol/m²/s.

Les besoins augmentent progressivement par la suite.

Avec la règle moyenne de conversion pour un tube fluorescent blanc froid, cela correspond approximativement à un éclairement de 8000 à 10000 lux.

• Étude sur les besoins en DLI de diverses plantes de l'université de Purdue
• Eclairage des plantes -Bases théoriques et applications de l'université d'Arizona
• comparaison LED et HPS
• https://www.specmeters.com/assets/1/7/2013_-_DLI_Greenhouse_Tomato1.pdf DLI pour la production de tomate

• la lumière solaire, à midi en été, avec un ciel parfaitement dégagé, se situe en moyenne dans les environs de 2 000 μ.moles/m²/s, ce qui correspond à ~ 400 W et également à ~ 100 000 lux.
• un éclairement monochromatique en lumière verte de milieu de spectre (vert 555 nm) de 20 000 lux, correspond à ~ 44 W/m² (soit 1 W pour 683 lumen), alors qu'un éclairement avec un spectre “corps noir” de 4 000 K (blanc neutre) 20 000 lux correspondent à ~ 425 W/m² (1 W pour 47 lumen),
• le besoin de la majorité des plantes se situe entre 150 et 350 μ.moles/m²/s en lumière utile (qui, rappelons le, ne représente qu'une fraction des photons émis par la source lumineuse, en fonction du spectre de cette lumière);
• ce besoin en photons utiles se situe donc dans la plage 30 à 80 W/m² ; la différence avec les 150 à 250 W/m² évoqués pour les tubes fluorescents 6 500°K, s'explique d'abord par le fait qu'une majorité de l'énergie électrique se transforme en chaleur et ensuite par le fait que le spectre de ces tubes n'est pas le même que celui de l'absorption par les plantes.
• avec un éclairage à LED, qui serait composé uniquement des LEDs produisant les longueurs d'ondes utiles et dans les bonnes proportions (donc en minimisant les pertes au mieux de la technologie actuelle), on peut/espérer au mieux descendre à ~ 50 à 100 W/m² (cf. étude Vegeled http://www.vegeled.be/Eclairage-LED-Horticole-VEGELED.pdf).
• avec un éclairage à base de LEDs monochromes blanc froid à petits prix, la plage de puissance électrique réaliste atteignable pour une pouponnière est de l'ordre de 100 à 150 W, en fonction du rendement de ces LEDs et de l'adéquation de leur spectre avec celui de la photosynthèse.
• plus une LED aura un spectre proche du spectre utile, moins la correspondance entre le PPF (Photosynthetic Photon Flux, le flux “utile” dans le PAR) et sa mesure d'éclairement en lux sera significative.

Par comparaison avec les éclairages horticoles des “industriels” de la culture, voici des valeurs utilisées dans la profession pour un éclairage moyen

1. 10 000 lumens de HID =~ 166 µ.moles/m²/s =~ 40 W/m² (PAR W)
2. 10 000 lumens de HPS =~ 150 µ.moles/m²/s =~ 36 W/m² (PAR W)

En principe, au regard des courbes spectrales respectives 10 000 lumens de LED blanc froid devraient donner un résultat relativement voisin en PAR W mais nettement meilleur en YPF et PPFD, car les deux bosses du spectre sont assez favorables (surtout la bleue).

• Eclairage des plantes : transparents en anglais

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