Un algorithme pour optimiser l’agrivoltaïsme vertical

Un groupe de scientifiques de l’université de Mälardalen, en Suède, tente d’optimiser le rendement électrique des installations agrivoltaïques avec des modules PV bifaciaux, montés verticalement.

« Les modules agrivoltaïques bifaciaux verticaux ont été choisis dans le cadre de ce projet, car c’est une configuration agrivoltaïque facile à intégrer aux terres agricoles. Il s’agit d’une structure de montage rentable, qui offre un bon accès aux machines », déclare le chercheur Pietro Elia Campana à pv magazine. « Il est difficile aujourd’hui d’obtenir l’autorisation de construire des parcs solaires sur des terres agricoles en Suède. Notre espoir est que l’agrivoltaïque ouvre un marché complètement nouveau », ajoute le chercheur Bengt Stridh.

Les scientifiques ont mis au point un modèle d’optimisation en mesure de définir les paramètres de conception pour un système agrivoltaïque vertical en combinant des données climatologiques avec des chiffres sur la production solaire, la répartition de l’ombrage, l’irrigation et le rendement agricole. Le modèle proposé tient compte, en particulier, de la quantité de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), qui est la partie du spectre lumineux utilisée par les plantes pour la photosynthèse.

Le modèle est basé sur OptiCE, un logiciel libre de modélisation et d’optimisation pour les technologies d’énergie verte. OptiCE contient des algorithmes pour calculer la position du soleil, l’évapotranspiration, décomposer le rayonnement solaire, analyser les ombres et modéliser la croissance des cultures. Selon les chercheurs, la conception optimale de l’installation est obtenue grâce à un algorithme d’optimisation bio-inspiré qui effectue des simulations dynamiques horaires de l’ensemble des relations entre l’eau, la nourriture et l’énergie.

L’un des paramètres clés que le modèle cherche à déterminer est la distance optimale entre les rangées de modules solaires en fonction du type de culture. Par exemple, le groupe de recherche a constaté que 9 mètres pourrait être une distance idéale lorsque l’avoine est cultivée et que 8,5 mètres serait plus approprié pour les pommes de terre, sur le site sélectionné.

Une autre simulation a été effectuée pour l’herbe de pâturage : la distance optimale était alors de 9 mètres. « Nous attendons les résultats générés par le site de démonstration pour valider et calibrer le modèle », explique Pietro Elia Campana.

Selon les conclusions des chercheurs, la distance entre les rangs a un impact sur la distribution du rayonnement solaire. Ainsi, lorsque la distance entre les rangs passe de 20 mètres à 5 mètres, le rendement des cultures peut être réduit de plus de moitié et la production PV peut se voir réduite d’environ 20%.

La distance optimale vise à trouver le bon compromis permettant de maximiser le ratio d’équivalence des terres, c’est-à-dire le rendement des cultures et la production d’électricité par surface. La distance optimale dépend également de la largeur des tracteurs et des types de machines généralement utilisés par les agriculteurs. Les distances proches ou supérieures à 20 mètres ont un effet négligeable sur le rendement des cultures. Toutefois, selon le groupe de recherche, cela présente trois inconvénients : le ratio d’équivalence des terres est plus faible ; le coût d’infrastructure du système PV est plus élevé ; et, enfin, précise Bengt Stridh : « nous voulons rendre l’agriculture plus résistante aux stress thermiques et à la sécheresse en exploitant les ombres sur les cultures et cet effet ne se produit pas à des distances de rangées élevées ».

Le modèle est testé sur une installation verticale simulée de 22,8 kW située en Suède et reposant sur des modules bifaciaux de type n de 380 W fournis par le fabricant chinois Jolywood avec une bifacialité d’environ 80%.

Grâce à leurs calculs, les scientifiques ont par ailleurs conclu que l’orientation de l’angle d’azimut vers l’est et l’ouest, plutôt que vers le sud, peut minimiser les fluctuations de puissance. « Cela permet d’éviter d’avoir un pic de production d’énergie élevé à midi en ayant plutôt des pics plus faibles le matin et l’après-midi », affirme Pietro Elia Campana. « Cela réduit également la puissance de pointe injectée dans le réseau et correspond mieux à la consommation électrique de l’exploitation, ce qui conduit à une autoconsommation PV plus élevée. »

Le projet de recherche est financé par l’agence suédoise de l’énergie Energimyndigheten, avec comme partenaires du projet l’Université suédoise des sciences agricoles, et les entreprises Solkompaniet et Kärrbo Prästgård. L’Institut météorologique et hydrologique suédois, l’Université d’Uppsala, l’Universitá Cattolica del Sacro Cuore, en Italie, et l’ARC de la NASA, aux États-Unis, participent au projet en tant que collaborateurs scientifiques.