Water budget and crop growth under dynamic photovoltaic panels : modelling and assessment of agrivoltaic systems

L’agrivoltaïque, association sur une même surface d’une production agricole et d’une production d’énergie d’origine photovoltaïque, apparait aujourd’hui comme une solution innovante pour atténuer les effets du changement climatique, notamment sur le secteur agricole. Déjà imaginé en 1982, les premières expérimentations débutées à Montpellier (France) en 2010 ont montré la pertinence de cette association à travers un maintien des rendements sous certaines conditions, une meilleure efficience d’utilisation du sol ainsi qu’une diminution de la consommation en eau des cultures sous ombrage. Suite à ces travaux pionniers réalisés sous des panneaux photovoltaïques à inclinaison fixe, l’utilisation de panneaux dynamiques à inclinaison variable est apparue nécessaire pour réduire l’hétérogénéité du rayonnement disponible pour la culture mais aussi, adapter la stratégie d’ombrage aux besoins radiatifs de la culture au cours de son développement.La présente thèse avait pour objectif de caractériser et de modéliser l’impact de la présence de panneaux solaires sur le bilan hydrique d’une culture conduite sous dispositif agrivoltaïque dynamique en vue d’optimiser la stratégie d’irrigation et le pilotage de l’inclinaison des panneaux. Les expérimentations menées sur une culture de laitues ont mis en évidence l’intérêt de panneaux dynamiques afin de réduire les hétérogénéités radiatives. Le développement d’un modèle de redistribution des pluies par les panneaux photovoltaïques a permis la mise en œuvre d’une stratégie de pilotage de l’inclinaison en temps réel a permis d’homogénéiser les cumuls observés au sol. L’adaptation d’un modèle de bilan hydrique et de développement de culture par l’ajout d’un module décrivant la dynamique stomatique sous ombrage fluctuant a permis de décrire la consommation en eau de la culture et son développement sous différentes stratégies de pilotage de l’ombrage. Enfin, différentes stratégies de pilotage de l’inclinaison des panneaux photovoltaïque ont pu être simulées et évaluées à l’aide d’un indicateur globale intégrant l’efficience d’utilisation du sol, la productivité de l’eau, le décalage de maturité et les sources d’hétérogénéités pouvant affecter la production de laitues.Agrivoltaism, defined as the association on the same land of agricultural and photovoltaic energy production, appears as an innovating concept to dampen some of the effects of climate change, in the agricultural sector. Although the concept was already imagined in 1982, the first experimentations started in 2010 at Montpellier (France) and showed the relevance of this combination by the maintenance of crop yield under certain conditions, the increase of land use efficiency and a reduction of water consumption for the tested crops. Following this pioneering work done under fixed (but not horizontal) photovoltaic panels, the use of "dynamic" panels, i.e. panels with a variable tilting angle, appears necessary to reduce the spatial heterogeneity of the transmitted radiation but also to adapt the shading strategy to the radiation amount required for crop growth.This thesis aims to characterize and to model the impact of the photovoltaic panels on the water budget of the cultivated plot and to progress towards the optimization of irrigation strategies in such systems controlled by the variations in time of the tilting angle of the panels. Experimentations conduced on lettuces showed the benefits of "dynamic" photovoltaic panels to reduce the radiative heterogeneity. Accounting for rain redistribution by the solar panels permits the implementation of a real time strategy to reduce rainfall heterogeneity on the ground surface. The derivation of a water budget and crop development model which describes the dynamics of stomatal conductance under fluctuating shading allows a better simulation of water consumption and crop development for different shading strategies. Finally, various strategies for the piloting of the solar panels could be tested and evaluated by a new, global index combining land use efficiency, water productivity, maturity delays and heterogeneities (in rain and radiation) which can impact production