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Actualité des entreprises

Prochaine génération d’alimentation de systèmes d’éclairage horticole

Par Patrick Hooijen, responsable développement produits, TTI Inc

Publication: 17 juillet

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La population mondiale a cru au cours des dernières décennies, passant de 4 milliards au milieu des années 1970 à près du double aujourd’hui selon les statistiques compilées par les Nations unies...
 

Parallèlement, les ressources foncières disponibles pour la production alimentaire sont menacées par le réchauffement climatique et l’urbanisation croissante sans oublier la concurrence avec les surfaces dédiées aux biocarburants.

Dans son dernier rapport sur le sujet publié l’été dernier, l’Organisation mondiale de la santé (OMS) a estimé à 820 millions le nombre mondial de personnes ne disposant pas d’une alimentation adéquate l’Afrique, l’Asie et l’Amérique latine étant les régions les plus critiques. Après une croissance régulière durant 3 années consécutives, ce chiffre devrait poursuivre cette trajectoire dans les années à venir. Du fait de l’aggravation probable des pénuries alimentaires, le recours à la technologie serait très profitable pour que la production puisse répondre aux attentes grandissantes.

Figure 1 : Une serre moderne à l’échelle industrielle

Le recours à l’éclairage artificiel dans le secteur horticole pourrait fortement aider la société à relever le défi de la crise alimentaire imminente. Selon des projections découlant de l’analyse du marché réalisée par P&S Intelligence, le secteur mondial de l’éclairage horticole devrait atteindre d’ici 2030 une valeur totale supérieure à 20 milliards de dollars par an. Soit une augmentation par 8 par rapport à aujourd’hui.

L’éclairage artificiel peut compléter la lumière naturelle dans les serres, voire la remplacer dans les « fermes verticales ». La production alimentaire peut ainsi se rapprocher de la demande c’est-à-dire près des villes, plutôt que de s’en éloigner. De grandes quantités de récoltes peuvent être réalisées dans des installations d’une superficie relativement faible. Les cycles de croissance des cultures peuvent être raccourcis et les rendements augmentés.

Un flux lumineux constant peut être fourni par des luminaires (fonctionnant 24 heures sur 24, 7 jours sur 7) indépendamment des variations saisonnières (tout au long de l’année) et des variations diurnes au cours de la journée. Cela permettrait plusieurs récoltes annuelles au lieu d’une seule, avec parallèlement une augmentation des revenus pour l’exploitation. Les cultures ne sont plus soumises à des événements climatiques extrêmes potentiellement fatals, mais conservées dans un environnement protégé et bien régulé facilitant la maîtrise de paramètres tels que la température et l’humidité.

Éclairage à semi-conducteurs

Basés à l’origine sur les lampes au xénon, aux halogènes métalliques et au sodium haute pression (HPS), ces équipements ont été remplacés par des luminaires à base de LED grâce aux progrès de l’optoélectronique. La conversion à la technologie des semi-conducteurs a permis la diminution des dépenses d’électricité et l’allongement de la durée de vie d’exploitation. Ces LED pouvant être mieux contrôlées, les systèmes d’éclairage affichent désormais un degré de flexibilité bien supérieur. L’intensité lumineuse a pu être augmentée ou diminuée dans des zones spécifiques (sur la base du retour d’information des capteurs) et les longueurs d’onde émises adaptées.

La lumière utilisée dans les applications horticoles doit correspondre à la bande de rayonnement de la photosynthèse active actif (PAR) du spectre électromagnétique. Elle est comprise entre 400 nm et 700 nm. Toute lumière incidente hors de cette bande n’influera nullement sur la croissance des cultures et n’entraînerait qu’une surchauffe indésirable. Il convient de noter que certaines cultures réagiront mieux que d’autres à certaines longueurs d’onde du rayonnement incident. Des changements de la longueur d’onde optimale se manifesteront en outre à différents moments du cycle de développement d’une culture. Au cours des premières étapes, la lumière bleue favorisera le développement des racines et la croissance initiale. Il sera recommandé de passer ultérieurement aux longueurs d’onde de la lumière rouge afin de constituer une masse plus importante. La possibilité d’adapter le mélange de couleurs aux besoins constitue un autre avantage de l’éclairage à l’état solide.

En contrôlant exactement le rendement spectral de la lumière incidente, la longueur d’onde crête des LED est spécifiée pour correspondre aux longueurs d’onde qui maximiseront le rendement de cette récolte spécifique. L’influence du taux de croissance des cultures n’est pas le seul avantage des longueurs d’onde de la lumière utilisées. Elles peuvent également influer sur la valeur nutritive de la récolte, sa couleur et sa saveur. La modification de ces paramètres peut par conséquent s’avérer utile pour l’exploitation des serres/fermes verticales.

Étant donné que les LED émettent moins que les ampoules conventionnelles, elles peuvent aussi être rapprochées de la culture sans nuire à la croissance de la plante. Le résultat est une densité croissante de cultures, les plates-formes de plantation dans les fermes verticales étant plus proches les unes des autres. Cela permet également un éclairage intra-verrière, de sorte que les luminaires peuvent être rapprochés des grandes plantes nécessitant le plus de lumière (comme l’endroit où les fruits se développent), ce qui empêche la gêne par le feuillage et un ombrage excessif.

Alimentation des luminaires

Malgré l’augmentation régulière de puissance de la technologie LED, la décennie a connu de rares évolutions d’où une réelle stagnation. Dans l’actuelle organisation des systèmes d’éclairage horticole, chaque luminaire possède sa propre unité de commande pour son alimentation en énergie. Comme nous le verrons, ce système s’avère de moins en moins approprié et peu pratique.

Cette topologie de puissance distribuée accentue la complexité globale de l’infrastructure d’éclairage car elle nécessite des systèmes de contrôle séparés pour chaque source d’énergie des luminaires, ainsi que pour le câblage correspondant, etc. Ce qui pèse lourdement sur les coûts d’installation. Outre les aspects électriques, les aspects mécaniques doivent également être pris en compte. Il convient tout d’abord d’intégrer des appareils de CVC plus importants pour assurer la gestion thermique – afin de dissiper la chaleur générée par chaque conducteur. Deuxièmement, l’infrastructure aérienne doit être beaucoup plus résistante – pour supporter le poids de chaque unité de conduite déployée et son câblage.

L’ensemble augmente non seulement les coûts d’investissement initiaux, mais aussi la complexité des travaux d’installation – ajoutés aux dépenses associées. Les déperditions de chaleur des conducteurs individuels (qui viennent d’être mentionnées) augmenteront la consommation électrique du système donc les factures d’électricité. En outre, le niveau de maintenance/entretien nécessaire à cette organisation peut devenir disproportionné du fait du nombre très élevé de composants dans le système. Il importe d’adopter une approche bien plus rationnelle.

Figure 2 : La topologie conventionnelle de puissance distribuée en éclairage horticole

Les exploitations horticoles recherchent à l’heure actuelle une méthode d’éclairage alternative de leurs cultures qui soit plus rentable. Ce dont elles ont besoin, c’est d’un concept inédit supprimant les inconvénients de la topologie de puissance distribuée, lourde en matériel informatique. En échange avec TTI, elles découvrent les avantages du fonctionnement « presque sans pilote » et de l’utilisation d’une topologie dont l’énergie de tous les luminaires provient d’une source centralisée unique.

Disponibles via le réseau de distribution TTI et soutenus par des ingénieurs d’application de terrain très expérimentés, les systèmes d’alimentation intelligents iHP d’Artesyn joueront ici un rôle majeur. En les exploitant, le secteur mondial de l’horticulture pourra désormais réaliser des économies d’échelle jusqu’ici impossibles.

Les racks iHP peuvent être construits par incréments de 3 kW, même si un seul rack de 24 kW peut remplacer 40 unités de commande de luminaires de 600 W. Plusieurs racks iHP peuvent être incorporés dans les armoires, ce qui représente une solution offrant la possibilité d’augmenter la capacité. Pour certains déploiements, cela peut aller jusqu’à des plages en méga watt.

Figure 3 : Exemple de rack Artesyn iHP

La mise à disposition d’une grande source d’énergie centralisée pour alimenter les luminaires permet d’exploiter toute une série d’avantages opérationnels majeurs. La source d’énergie alimentant les luminaires se trouvant hors de la zone de croissance contrôlée, elle n’influe nullement sur les conditions ambiantes. Il est ainsi possible d’éviter une gestion thermique et d’autres mécanismes connexes augmentant les investissements en matériaux. La forte diminution du nombre de potentielles défaillances se traduit par une fiabilité accrue et une réduction significative des coûts de maintenance courants. La suppression des conducteurs individuels et l’utilisation de câbles plus légers permettent le montage d’infrastructures plus légères.

Figure 4 : Topologie de l’énergie centralisée utilisant l’iHP

Conclusion : Le fonctionnement sans gros dégagement de chaleur et sur une plus grande durée des LED explique la demande croissante de l’industrie horticole. La configuration des systèmes d’éclairage à semi-conducteurs reste néanmoins largement perfectible. Elle nécessite encore trop de matériel, d’où de graves conséquences en termes de CAPEX, d’OPEX et de fiabilité du système. Certains projets susceptibles d’atténuer la crise alimentaire mondiale peuvent être freinés car l’investissement requis empêche d’atteindre un niveau de rentabilité.

Sur un marché aussi concurrentiel avec des marges basses, chaque possibilité de diminuer les dépenses associées doit être exploitée. La topologie d’éclairage centralisée proposée ici permet une réduction notable du coût total de possession par rapport à un éclairage distribué conventionnel. Par conséquent, de grandes installations horticoles – jusqu’à présent sans viabilité économique peuvent maintenant être déployées.

Grâce à l’association entre la technologie innovante d’Artesyn et les connaissances inégalées en matière d’applications de l’équipe TTI, les intégrateurs de systèmes peuvent obtenir toute l’aide nécessaire pour déployer des systèmes d’éclairage horticole centralisés. L’attrait pour cette configuration architecturale augmentera parallèlement à l’édification de serres plus grandes et de superstructures verticales.

http://www.ttieurope.com/

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