Prévoir le microclimat dans les centrales agrivoltaïques : la R&D publie dans Solar Energy

Joseph Vernier est doctorant en 2ème année à la R&D d'EDF. Sa thèse, encadrée par Sylvain Edouard, Patrick Massin et Eric Dupont, porte sur la modélisation de microclimats appliquée à la croissance des plantes sous panneaux photovoltaïques. Elle est réalisée en partenariat avec le CEREA (Centre de Recherche et Enseignement en Environnement Atmosphérique), laboratoire commun entre l’École des Ponts ParisTech et la R&D d’EDF, et bénéficie également de l'appui de l’INRAE.

Publication dans la revue Solar Energy

An innovative method based on CFD to simulate the influence of photovoltaic panels on the microclimate in agrivoltaic conditions

(Une méthode innovante basée sur la mécanique des fluides pour simuler l'influence des panneaux photovoltaïques sur le microclimat dans des conditions agrivoltaïques)

Le nombre de projets photovoltaïques a connu une importante croissance au cours des dernières décennies. Pour limiter leur empreinte au sol, de nouvelles approches émergent, intégrant les installations solaires dans des environnements naturels :

• l’agrivoltaïsme, qui combine la production d'électricité PV et l'agriculture sur une même surface ;
• les systèmes photovoltaïques flottants qui placent des panneaux solaires au-dessus de réservoirs d'eau ;

Avec le développement de ces solutions, il devient essentiel d’évaluer l’impact des panneaux sur le microclimat, caractérisé notamment par le rayonnement solaire et infrarouge, la vitesse du vent et la turbulence ; afin de mieux comprendre leurs effets sur les cultures ou le bétail dans les systèmes agrivoltaïques, ainsi que sur les réservoirs d'eau dans les installations photovoltaïques flottantes.

Les travaux présentés montrent que la géométrie des panneaux photovoltaïques influence le vent, la turbulence, le rayonnement solaire, ainsi que le rayonnement infrarouge. Pour simuler et modéliser ces effets, les chercheurs ont utilisé et adapté code_saturne, un code de calcul scientifique open source développé par la R&D d'EDF. Ce logiciel résout les équations de la mécanique des fluides, de la thermique, et des transferts radiatifs. Il présente un grand intérêt pour le PV car il permet de réaliser des simulations complexes de problèmes multiphysiques à différentes échelles de temps et d’espace. Le modèle développé permet de réaliser des simulations rapides de l'impact des panneaux sur le rayonnement solaire et infrarouge, la vitesse du vent et la turbulence. La représentation implicite des panneaux dans les équations, sans être modélisés dans le maillage, a permis de réduire considérablement les temps de calcul tout en conservant une excellente précision. L’évaluation du modèle a notamment été permise par des mesures terrain réalisées sur le démonstrateur Agri-PV, situé sur le site EDF Lab les Renardières.

La méthode prédit avec précision :

• La diminution du rayonnement solaire direct et diffus causée par la présence de panneaux photovoltaïques
• L'augmentation du rayonnement infrarouge due au réchauffement des panneaux photovoltaïques par temps ensoleillé
• Les baisses et augmentations locales du vent ainsi que la génération de turbulence selon l’orientation des panneaux

Par ailleurs, il a été observé que :

• Les systèmes photovoltaïques flottant bloquent davantage la lumière et le vent, ce qui pourrait permettre de réduire l’évaporation des réservoirs d’eau
• Les installations agrivoltaïques laissent passer plus de lumière, ce qui est favorable aux cultures
• Le rayonnement infrarouge incident au sol devient plus hétérogène spatialement à mesure que la hauteur des panneaux photovoltaïques diminue. Une géométrie adéquate de panneaux pourrait réduire les risques de gels printaniers.
• La vitesse du vent sous les panneaux photovoltaïques dépend de la géométrie de l’installation photovoltaïque et de la direction du vent

Ces travaux constituent une première étape afin de mieux évaluer l'impact des installations PV sur leur environnement. Dans le cas de l’agrivoltaïsme, ils permettent d’optimiser la conception des futures centrales afin de maximiser les bénéfices pour les cultures agricoles et démontrer que, selon leur géométrie, les panneaux photovoltaïques peuvent protéger les cultures. Par ailleurs, une autre publication est en cours sur le couplage de cette méthode à un modèle de plantes ; le but étant de simuler les échanges d’énergie et d’eau entre les plantes et leur environnement pour mieux anticiper les effets des panneaux sur la protection contre le gel ou la sécheresse. Pour le photovoltaïque flottant, ces travaux aident à mieux comprendre les phénomènes d’évaporation des réservoirs d’eau.

• Baptiste Berlioux, doctorant à la R&D d'EDF
• Martin Ferrand, ingénieur chercheur à la R&D d'EDF et directeur adjoint du CEREA
• Céline Caruyer, ingénieure chercheuse à la R&D d'EDF

Domaine de la publication : agrivoltaïsme, mécanique des fluides