Développement d'un algorithme de ray tracing permettant de modéliser le partage de la lumière sur des systèmes agrivoltaïques

Abstract

L’Union européenne s’est donné pour objectifs d’atteindre un bilan nul des émissions de gaz à effet de serre pour 2050. Pour arriver à ces fins, de nombreux pays membres souhaite recourir de manière intensive à l’utilisation de l’énergie solaire. La surface nécessaire à l’extension du parc solaire s’ajoute à la pression sur le foncier agricole déjà existante et invite à repenser l’efficacité d’utilisation des surfaces disponibles. C’est la promesse que fait l’agrivoltaïsme qui est la combinaison d’agriculture et de production d’électricité photovoltaïques sur des mêmes terres. Le développement de ces systèmes nécessite des études approfondies sur l’impact de l’implémentation de modules photovoltaïques sur la physiologie des plantes, notamment la baisse de rayonnement incident sur celles-ci. Le développement de modèles agrivoltaïques pour réaliser ces études nécessite un moyen d’évaluer avec précision la distribution du rayonnement au sein de systèmes agrivoltaïques. L’objectif de ce travail est de développer un outil de ray tracing permettant cette évaluation. Pour ce faire, son développement est basé sur le programme OTsun. Celui-ci est modifié pour permettre l’im- portation d’architectures de plantes issues de modèles structurels et fonctionnels de plantes (FSPM) et permettre l’exportation des résultats d’éclairement vers ces mêmes FSPM. Des optimisations sont effectuées afin de permettre une réduction du temps de calcul. Les résultats indiquent que l’outil reste beaucoup trop coûteux en temps de calcul pour permettre une intégration pertinente à un modèle agrivoltaïque malgré les optimisations mises en place. Les causes de cette lenteur sont discutées et certaines recommandations pour un futur développement sont proposées.

The European Union has set itself the goal of achieving zero greenhouse gas emissions by 2050. In order to achieve this goal, many member countries want to make intensive use of solar energy. The area required for the expansion of the solar park adds to the already existing pressure on agricultural land and invites to rethink the efficiency of the use of the available surfaces. This is the promise of agrivoltaics, which is the combination of agriculture and photovoltaic elec- tricity production on the same land. The development of these systems requires in-depth studies on the impact of the implementation of photovoltaic modules on the physiology of the plants, particularly the decrease in incident radiation on them. The development of agrivoltaic models to perform these studies requires a means to accurately assess the distribution of radiation within agrivoltaic systems. The objective of this work is to develop a ray tracing tool allowing this evaluation. To do this, its development is based on the program OTsun. This one is modified to allow the import of plant archi- tectures from functional and structural plant models (FSPM) and to allow the export of the results of illumination towards these same FSPM. Optimizations are made in order to allow a reduction of the calculation time. The results indicate that the tool is still much too expensive in terms of calculation time to allow a relevant integration to an agrivoltaic model despite the optimizations implemented. The causes of this slowness are discussed and some recommendations for future development are proposed.