Brevet FR3019274A1 — publié le 20151002

La présente invention concerne la production d'énergie électrique à l'aide de capteurs photovoltaïques. La production d'énergie électrique d'origine photoveCque connaît un impo . t développement. Dans certaines zones géographiques, des capteurs peut s'effectuer sans porter préjudice à l'étendue des zones cultivables. Dans d'autres zones, l'implantation des capteurs a lieu au détriment des surfaces cultivables. Des essais ont été effectués afin de concilier production électrique et préservation des étendues cultivables. Il a ainsi été proposé dans l'article "Japan Next-Generation Farmers Cultivate Crops and Solar Energy", Renewable Energy world 10.10.2013, de cultiver des végétaux dans des zones affectées par l'ombre portée au sol par les capteurs. La publication "Combining Solar photovoltaic panels and food crops for 15 optimising land use : Towards new agrivoltaic schemes", Renewable Energy 36 (2011)2725-2732 rapporte des résultats d'essais comparatifs menés dans le sud de la France, faisant apparaître l'effet bénéfique de l'ombre apportée par les panneaux sur les cultures. La thèse intitulée "Produire des aliments ou de l'énergie : faut-il vraiment 20 choisir ?" soutenue par Hélène Marroux le 18 décembre 2012 (Sup Agro Montpellier) suggère d'ajuster l'inclinaison des capteurs pendant une période de l'année pour stimuler la productivité des cultures. Il est également décrit d'utiliser des panneaux mobiles en translation ou rotation de façon à homogénéiser dans le temps la quantité de rayonnement reçue par chaque portion de la parcelle cultivée à l'ombre des panneaux. 25 11 existe un besoin pour améliorer encore les systèmes existants permettant une culture de végétaux et une production d'énergie électrique. L'invention répond à ce besoin grâce à un procédé de production d'énergie électrique à l'aide de capteurs photovoltaïques orientables disposés au-dessus de cultures, l'ombre projetée sur les cultures étant modifiée par le changement d'orientation des 30 capteurs, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'orientation des capteurs est pilotée informatiquement de façon automatique, pour agir sur les conditions microclimatiques des cultures par le biais d'un changement d'orientation des capteurs, notamment afin de placer les cultures dans des conditions microclimatiques plus favorables à l'obtention d'un résultat agricole recherché tout en cherchant à atteindre un optimum réduisant le moins possible la production d'énergie électrique par rapport à une référence sans combinaison avec des cultures. De préférence, l'orientation des capteurs est pilotée informatiquement de façon automatique à partir au moins de données représentatives de conditions locales d'environnement des cultures, notamment la température des cultures, l'ensoleillement ins . tané, l'hygrométrie du sol, et/ou la pluviométrie. L'invention permet d'exploiter au mieux la présence des capteurs solaires pour faire bénéficier les cultures d'un ensoleillement variable en fonction de leur besoin en lumière et/ou en chaleur et/ou pour agir sur le stress hydrique. Ainsi, la présence des capteurs solaires ne constitue plus un obstacle à la ettt e des végétaux mais au contraire une opportunité. Par exemple, l'orientation des capteurs peut être commandée de façon à éviter automatiquement, en période de canicule, que les végétaux ne soient soumis à un échauffement excessif. A contrario, au printemps, l'orientation peut être commandée de façon à maximiser automatiquement le réchauffement du sol, y compris la nuit par réflexion des infrarouges émis depuis le sol, afin de favoriser la germination. De préférence, l'orientation des capteurs est modifiée par des actuateurs électriques, tels que des vérins électriques par exemple. L'énergie utilisée par les actuateurs peut avoir été fournie par les capteurs. L'invention permet d'améliorer la production agricole par rapport à une culture en plein soleil, ou un rendement de référence, et de produire davantage d'énergie électrique qu'avec des capteurs dont l'orientation n'est pas modifiable à l'aide d'actuateurs, L'orientation des capteurs peut être modifiée en fonction d'une loi de commande cherchant à obtenir un maximum qualitatif et/ou quantitatif. Par exemple, dans le cas de cultures maraichères, l'orientation des capteurs peut s'effectuer selon un algori e d'asservissement de l'orientation des capteurs visant à éviter l'échauffement excessif des feuilles. La présence des capteurs peut ainsi être mise à profit pour intercepter 30 de façon adéquate la lumière afin d'optimiser la photosynthèse et obtenir un rendement de production supérieur à ce qu'il serait en l'absence totale d'ombre. Dans le cas de la culture de la vigne, l'orientation des capteurs peut être choisie en fonction du degré de sucre recherché dans le raisin, et au final de la qualité du vin obtenu. L'orientation des capteurs peut être commandée en fonction d'une quantité d'énergie lumineuse cible à atteindre, cette quantité d'énergie lumineuse cible étant 5 notamment dépendante du besoin des cultures, du déficit ou de l'excédent d'énergie de la veille ou des jours précédents, et/ou des prévisions météorologiques. De préférence, l'orientation des capteurs est modifiée en fonction de données météorologiques et notamment i) d'au moins un historique d'ensoleillement des cultures et d'un historique de chaleur reçue par les cultures, et/ou d'un historique de pluviométrie et ii) 10 d'un objectif fixé pour la journée en cours, d'une quantité d'ensoleillement, de chaleur et/ou de pluviométrie à recevoir par la plante ainsi que de limites de températures à ne pas dépasser. Cet historique peut être réalisé localement, grâce à la détection locale de la température, de l'ensoleillement, de la pluviométrie et/ou de l'hygrométrie du sol. Par exemple, si l'ensoleillement des jours précédents est considéré comme répondant aux 15 besoins de lumière et/ou de chaleur des cultures sur une période donnée, les capteurs peuvent être orientés à chaque instant de façon à respecter les objectifs de la journée, en privilégiant la production électrique. Si par contre l'ensoleillement des jours précédents est considéré comme répondant insuffisamment aux besoins en lumière et/ou chaleur des cultures, alors les capteurs sont orientés de façon à privilégier le besoin d'ensoleillement 20 des cultures. Dans ce cas, l'orientation des capteurs peut ne pas correspondre à l'optimisation de la production électrique en fonction de la position du soleil. Outre la position géographique et l'inclinaison des installations, le 'pilotage informatique des capteurs s'effectue de préférence en fonction d'une loi de commande spécifique à chaque variété végétale cultivée. 25 Parmi les paramètres pouvant entrer dans la sélection de la loi de commande à partir d'une bibliothèque de lois de commande pré-établies, et/ou dans l'adaptation d'une loi de commande à la poursuite d'un résultat agricole prédéfini, peuvent figurer la variété cultivée, ainsi que des critères quantitatifs ou qualitatifs, tels que la recherche d'une production agricole maximale ou d'une qualité particulière du végétal cultivé. 30 Les capteurs peuvent être orientés le soir ou c de façon à réfléchir au maximum ou au minimum vers le sol le rayonnement thermique du sol, pendant la nuit, afin de réguler la température du sol (réchauffement refroidissement). Le pilotage de l'orientation des capteurs pour la nuit peut s'effectuer par exemple selon le gradient de température atmosphère-sol observé ou prévu, et selon l'objectif poursuivi (refroidir ou réchauffer le sol). Par exemple, s'il existe un besoin de refroidir le sol et que le gradient atmosphère-sol est négatif (le sol est plus chaud que l'air), les capteurs peuvent être orientés perpendiculairement au sol. Ainsi, avant chaque modification de l'orientation des capteurs, il peut être déterminé si la consommation d'énergie électrique pour cette modification est nécessaire au regard du bénéfice attendu pour les cultures. Le procédé comporte avantageusement la mesure de la température au niveau des cultures et la commande de l'orientation des capteurs s'effectue au moins en fonction 10 de la température mesurée. Les capteurs solaires peuvent être disposés en rangées parallèles espacées. Les capteurs sont de préférence orientables autour d'un seul axe de rotation, qui est de préférence horizontal. L'axe de rotation peut être aligné sur la direction Nord-Sud ou en variante faire 15 un angle avec celle-ci. L'orientation des capteurs dépend avantageusement de l'état de développement des cultures. Ainsi, pendant l'hiver, l'orientation peut être commandée de façon à réchauffer le sol en fin de période hivernale, afin de favoriser la geimination. L'orientation des capteurs est de préférence commandée de manière à 20 maintenir les cultures dans une fourchette de température minimale et/ou maximale prédéfinie. Ainsi, pendant les périodes de chaleur, l'orientation des panneaux peut correspondre à une production maximale d'ombre au sol. L'invention a encore pour objet un système de production d'énergie électrique, comportant : 25 - une structure porteuse, - des capteurs solaires orientables maintenus à dis ce non nulle du sol par la structure porteuse, notamment à une hauteur comprise entre 3 et 5 m, - un ou plusieurs actuateurs pour modifier l'orientation des capteurs solaires et l'ombre portée au sol, 30 - un calculateur pour déterminer automatiquement l'orientation à donner aux capteurs en fonction du besoin d'ensoleillement, de température et de pluviométrie, de cultures affectées par l'ombre portée des capteurs. Le système peut comporter un capteur de température informant le calculateur de la température locale au niveau des cultures. Le calculateur peut être agencé pour déterminer l'orientation des capteurs en fonction d'un historique d'ensoleillement et/ou de pluviométrie et/ou de l'état de 5 développement des cultures. Le calculateur peut être local, auquel cas l'orientation des capteurs peut être déterminée de façon autonome par le calculateur. Le calculateur peut aussi, en variante, être au moins en partie délocalisé dans le centre de contrôle commande du dispositif. 10 L'invention a encore pour objet un procédé de culture de végétaux, dans lequel les végétaux sont cultivés de façon à être affectés par l'ombre portée au sol par des capteurs d'un système selon l'invention, tel que défini plus haut. Cette culture s'effectue dans un système ouvert, sans contrôle des variables d'humidité, température, vent, autrement qu'à travers une modification de l'orientation des 15 capteurs. Les capteurs peuvent subir une modification de leur orientation infra-journalière, mieux infra-horaire. Le pilotage des capteurs s'effectue autrement que pour assurer le simple suivi de la course du soleil, pendant des périodes où l'orientation des capteurs est choisie de 20 façon à répondre aux besoins des cultures. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de 1_ description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen du dessin annexé, sur lequel - la figure 1 représente de façon schématique un système de production 25 d'énergie électrique selon l'invention, - la figure 2 représente de façon schématique un système de commande de l'orientation d'un capteur solaire selon l'invention, - la figure 3 représente de façon schématique l'évolution dans le temps de l'énergie lumineuse reçue par les cultures et les capteurs, et 30 - les figures 4 à 7 illustrent des exemples de commande des capteurs en fonction du temps. On a représenté à la figure 1 un système de production électrique selon l'invention, comportant une pluralité de capteurs solaires 10 mobiles autour d'axes de rotation respectifs R. Ces capteurs 10 sont maintenus par une structure porteuse 20, permettant de ménager sous les capteurs 10 une hauteur suffisante pour le passage d'engins 5 agricoles, notamment une hauteur comprise entre 3 et 5 m. La structure porteuse 20 comporte des montants 21 qui supportent une ossature 22 sur laquelle sont articulés les capteurs 10. Chaque capteur 10 est pivoté autour de l'axe R correspondant à l'aide d'au moins un actuateur 30. 10 Les actuateurs 30 sont par exemple prévus individuellement pour chaque capteur 10, comme illustré. En variante, même actuateur 30 peut déplacer en rotation une pluralité de capteurs solaires 10. Les actuateurs 30 comportent par exemple chacun un ou plusieurs moteurs électriques, et sont constitués par exemple par des servomoteurs. 15 Les cultures C sont disposées dans l'ombre projetée au sol par les capteurs 10. Les cultures C peuvent être de tout type et par exemple être des cultures maraîchères ou des vignes. Si l'on se reporte à la figure 2, on voit que la position à donner aux capteurs 10 peut être déterminée par un calculateur local 40 qui est relié via toute interface de 20 puissance adaptée aux actuateurs 30. Le calculateur 40 reçoit de préférence des informations d'une ou plusieurs sondes locales, par exemple une sonde de température 41 placée au niveau des cultures C et une sonde d'hygrométrie 42 placée dans le sol au niveau des cultures C. D'autres capteurs peuvent être ajoutés, tels '1--- pluviomètre, anémomètre, et/ou une caméra pour 25 visualiser l'état de développement des cultures, ainsi qu'un ou plusieurs biocapteurs, le cas échéant. Il est particulièrement avantageux, d'une façon générale, d'utiliser un capteur à infrarouge sans contact pour mesurer la température des cultures. On peut ainsi utiliser une camera à infrarouge qui pointe sur les cultures en différents emplacements et permet de 30 calculer une température moyennée spatialement. Le calculateur 40 peut également échanger des données, par exemple via un réseau de téléphonie sans fil, avec un serveur distant 50, lequel peut par exemple informer le calculateur 40 de la météo à venir. Le calculateur 40 peut être réalisé à partir de tout micro-ordinateur ou équipement informatique permettant de piloter l'orientation des capteurs 10 en fonction d'une ou plusieurs lois de commande donnant l'orientation à imposer aux capteurs en fonction du lieu, de la date, de l'heure et d'un certain nombre d'autres paramètres liés aux cultures C. Le calculateur 40 peut ainsi comporter une unité de calcul et une mémoire locale dans laquelle peuvent être enregistrées les données locales mesurées, par exemple de température, d'hygrométrie et de pluviométrie, afin de connaître l'historique des conditions environnementales des cultures. La mémoire du calculateur peut également comporter des paramètres d'asservissement qui régissent l'orientation des capteurs en fonction des besoins des 15 cultures. Ces paramètres peuvent évoluer dans le temps et, en fonction par exemple de la saison, privilégier l'ensoleillement ou non des cultures. La ou les lois de commande peuvent être initialement programmées dans le calculateur 40, ou en variante être téléchargées par le calculateur 40 à partir du serveur dis . t 50, ou encore être réactualisées périodiquement par le serveur distant 50. 20 Dans un exemple de réalisation, le calculateur 40 présente un fonctionnement autonome. En fonction de la saison, de la date de semis et éventuellement d'autres paramètres renseignés par l'agriculteur, il pilote automatiquement et de façon journalière l'orientation des capteurs 10 de façon à satisfaire au besoin d'ensoleillement, de température, d'hygrométrie, de pluviométrie des cultures sur une période de temps donnée. 25 Dans ce cas, les capteurs sont par exemple orientés pendant une fraction de la journée pour laisser passer le plus de lumière possible, au détriment de la production électrique. Puis, une fois le besoin d'ensoleillement satisfait, les capteurs sont amenés en activant les actuateurs dans une orientation visant à maximiser la production électrique. Si toutefois la température locale mesurée au niveau des cultures est excessive, 30 ou supérieure à l'objectif fixé, l'orientation des capteurs peut être modifiée pour abriter les cultures du soleil et éviter un échauffement excessif. Dans une variante de réalisation, le calculateur 40 reçoit des instructions de pilotage des capteurs depuis le serveur distant 50, auquel il peut transmettre par exemple des données d'ensoleillement et de température locales, ainsi que des données concernant les cultures et leur stade de développement. Le serveur 50 transmet en retour au calculateur 5 des informations concernant l'orientation à donner aux capteurs, en temps réel ou sur une certaine période à venir. Lorsque les capteurs 10 sont orientés pour maximiser la p-Au,lion électrique, ils peuvent suivre en temps réel la course du soleil d'est en ouest. On a représenté à la figure 3 l'évolution de l'énergie lumineuse reçue au cours 10 du temps, pour les capteurs et les cultures. Lorsque les capteurs suivent la course du soleil, ils reçoivent environ un tiers de l'énergie lumineuse. Les cultures en reçoivent les deux tiers. Il est possible d'augmenter la quantité d'énergie reçue par les cultures en jouant sur l'orientation des capteurs de façon à diminuer l'occultation des cultures. On peut fixer à l'avance une quantité d'énergie cible pour un jour j en fonction 15 du besoin d'énergie lumineuse des cultures, du déficit ou excédent d'énergie reçu la veille ou les jours précédents, et de prévisions météorologiques permettant d'estimer la quantité d'énergie attendue pour ce jour j. Le cas échéant, le modèle qui fixe la quantité d'énergie cible est plus élaboré et tient compte du prix de l'électricité ou de sa valorisation potentielle sur les marchés. 20 Sur la figure 3, on représenté en pointillés la variation au cours du temps de l'énergie reçue jusqu'à atteindre la quantité cible. Pour ce faire, on augmente l'énergie reçue par les cultures en diminuant celle Q' capteurs reçue par les capteurs au profit d'une moindre occultation des cultures. On a représenté à la figure 4 l'évolution de l'angle des capteurs au cours du 25 temps. En pointillés figure la courbe qui correspond à un suivi classique de ' course soleil. Pour augmenter l'énergie lumineuse reçue par les cultures, on peut laisser les capteurs horizontaux entre le lever du soleil et tl, puis après t2 jusqu'au coucher du soleil. Entre tl et t2, l'orientation des capteurs s'effectue de façon à suivre la course du soleil. 30 Le fait de laisser les panneaux horizontaux ne minimise pas l'occultation mais permet de ne pas consommer d'électricité pour les orienter. Dans la variante illustrée à la figure 5, entre le lever du soleil et tl l'orientation des capteurs est modifiée pour laisser passer le maximum de lumière vers les cultures, et de même après t2 jusqu'au coucher du soleil. Sur la figure 6 on voit que l'on pilote les capteurs comme dans l'exemple de la figure 4. Toutefois, entre t2 et t3 le suivi du soleil est rétabli pour faire bénéficier les cultures d'une occultation maximale afin de protéger ces dernières d'une température excessive. Dans cet exemple, la température des cultures est surveillée, grâce par exemple à une caméra infrarouge. On a supposé dans cet exemple que la température dépasse une valeur limite à l'instant t3. Le système de contrôle du panneau déclenche alors le passage en mode suivi du soleil de t3 au coucher du soleil. On a représenté un exemple d'évolution de la course angulaire des capteurs en fin de période hivernale sur la figure 7. On voit sur cette figure que les capteurs sont orientés pendant le jour j-1 pour minimiser l'occultation, en les orientant sensiblement parallèlement aux rayons solaires au 15 cours du temps. Si les prévisions météorologiques annoncent une période froide sans soleil le jour j, les capteurs peuvent être maintenus horizontaux pendant le jour et la nuit de façon à réfléchir au maximum les infrarouges du sol vers les cultures. Au jour j+1, un pilotage similaire à celui du jour j-1 est effectué. 20 La quantité d'énergie cible rour PE! jc j+1 peut être calculée à partir de la quantité d'énergie lumineuse reçue effectivement par les cultures au jour j et, éventuellement, les jours antérieurs. Pour déterminer la quantité lumineuse effectivement reçue on peut utiliser un pyrélomètre ou pyranomètre. Mieux, on calcule cette énergie à partir de celle reçue par les capteurs, connaissant leur orientation et celle du soleil et en 25 utilisant un modèle mathématique qui donne l'énergie moyenne au sol compte-tenu de l'occultation apportée par les capteurs. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Par exemple, les capteurs utilisés peuvent être disposés de façon à être 30 orientables selon deux axes de rotation. L'expression "comportant un" doit se comprendre comme étant synonyme de "comprenant au moins un", sauf si le contraire est spécifié. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'énergie électrique à l'aide de capteurs photovoltaïques orientables (10) disposés au-dessus de cultures (C), l'ombre projetée sur les cultures é t modifiée par le changement d'orientation des capteurs, ce procédé é caractérisé par le fait que l'orientation des capteurs est pilotée informatiquement de façon automatique, pour agir sur les conditions microclimatiques des cultures par le biais d'un changement d'orientation des capteurs, notamment afin de placer les cultures dans des conditions microclimatiques plus favorables à l'obtention d'un résultat agricole recherché, tout en cherchant à atteindre un optimum réduisant le moins possible la production d'énergie électrique par rapport à une référence sans combinaison avec des cultures. 2. Procédé selon la revendication 1, l'orientation des capteurs (10) étant pilotée informatiquement de façon automatique à partir au moins de données représentatives de conditions locales d'environnement des cultures, no ment la température des cultures, l'hygrométrie du sol et/ou la pluviométrie. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'orientation des capteurs étant modifiée en fonction au moins d'un historique d'ensoleillement des cultures et/ou de pluviométrie. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, les capteurs (10) é t orientés le soir de façon à réfléchir au maximum ou au minimum vers le 20 sol le rayonnement thermique du sol pendant la nuit, notamment en étant positionnés horizontalement. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant la mesure de la température des cultures, la commande de l'orientation des capteurs s'effectuant au moins en fonction de la température mesurée, la température étant 25 de préférence mesurée à l'aide d'au moins une caméra infrarouge. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, les capteurs (10) étant disposés en rangées parallèles espacées. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, les capteurs (10) étant orientables autour d'un seul axe de rotation (R), notamment 30 sensiblement parallèle à la direction Nord-Sud. 8. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes, les cultures e t des vignes. 9. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes, les cultures étant des cultures maraichères. 10. Procédé selon l'une .-,T3lconque des revendications précédentes, l'orientation des capteurs dépendant de l'état de développement des cultures. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'orientation des capteurs étant commandée de manière à maintenir les cultures dans une fourchette de température maximale et / ou minimale prédéfinie. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'orientation des capteurs étant commandée en fonction d'une quantité d'énergie lumineuse cible à atteindre, cette quantité d'énergie lumineuse cible étant notamment dépendante du besoin des cultures, du déficit ou de l'excédent d'énergie de la veille ou des jours précédents, et/ou des prévisions météorologiques. 13. Système de production d'énergie électrique, compo : une structure porteuse (20), des capteurs solaires (10) orientables maintenus *à distance du sol par la structure porteuse (20), - un ou plusieurs actuateurs (30) pour modifier l'orientation des capteurs solaires et l'ombre portée au sol, un calculateur (40) pour déterminer automatiquement l'orientation à 20 donner aux capteurs en fonction du besoin d'ensoleillement de cultures affectées par l'ombre portée des capteurs. 14. Système selon la revendication 13, comportant capteur de température (41) informant le calculateur de la température locale au niveau des cultures, le capteur de température e t de préférence une caméra infrarouge. 25 15. Système selon la revendication 13 ou 14, le calculateur (40) étant agencé pour déterminer l'orientation des capteurs en fonction d'un historique d'ensoleillement et/ou de pluviométrie et/ou de l'état de développement des cultures. 16. Système selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, le calculateur étant local. 30 17. Système selon la revendication 16, l'orientation des capteurs étant déterminée de façon autonome par le calculateur. 18. Système selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, le calculateur étant au moins en partie délocalisé. 19. Procédé de culture de végétaux, dans lequel les végétaux sont cultivés de façon à être affectés par l'ombre portée au sol par des capteurs (10) d'un système tel que défini dans l'une r1conque des revendications 13 à 18.