FR3042382A1 - Serre agricole comportant des cellules photovoltaiques - Google Patents

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Alexandre Pereira
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Abstract

L'invention concerne une serre agricole comportant : - au moins une paroi transparente (1) définissant un espace intérieur (3) destiné à contenir des plantes (13); - une source lumineuse (6) configurée pour émettre une lumière dans l'espace intérieur (3), - au moins un module photovoltaïque (2) agencé pour alimenter en énergie la source lumineuse (6); - au moins un capteur de luminosité (10) apte à mesurer un spectre lumineux reçu par les plantes (13); - une unité de contrôle (12) agencée pour contrôler, en intensité et en longueur d'onde, la lumière émise par la source lumineuse (6) en fonction du spectre lumineux mesuré.

Description

SERRE AGRICOLE COMPORTANT DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une serre agricole pourvue de cellules photovoltaïques.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR
La demande de brevet EP 2 471 354 décrit un système de serre agricole équipé de panneaux solaires sur son toit et pouvant s’incliner afin d’optimiser le rendement photovoltaïque. Des miroirs disposés sous les panneaux photovoltaïques permettent d’illuminer les plantes de la serre par un jeu de réflexion à la surface des panneaux photovoltaïques. En outre, la serre comporte des diodes électroluminescentes permettant d’éclairer les plantes.
Toutefois, la consommation électrique de ces diodes est relativement importante. En outre, l’illumination des plantes via la réflexion à la surface des panneaux photovoltaïques n’est pas optimale.
EXPOSE DE L’INVENTION L’invention vise à remédier aux inconvénients de l’état de la technique en proposant une serre qui permette d’optimiser la production des plantes, y compris dans les milieux défavorables de type déserts ou milieux pollués.
Pour ce faire, un aspect de l’invention concerne une serre agricole comportant : - au moins une paroi transparente définissant un espace intérieur destiné à contenir des plantes; - une source lumineuse configurée pour émettre une lumière dans l’espace intérieur, - au moins un module photovoltaïque configuré pour alimenter en énergie la source lumineuse ; - au moins un capteur de luminosité apte à mesurer un spectre lumineux reçu par les plantes ; - une unité de contrôle configurée pour contrôler, en intensité et en longueur d’onde, la lumière émise par la source lumineuse en fonction du spectre lumineux mesuré.
La serre ainsi formée présente l’avantage d’être autonome en énergie et elle permet d’adapter l’éclairage des plantes à leur environnement, en compensant notamment un manque de luminosité par l’éclairage via la source lumineuse.
Dans ce document, le terme « plante » désigne tout organisme photosynthétique pouvant être mis en culture. Les plantes contenues dans la serre peuvent donc être différents organismes photosynthétiques mis en culture sur sol, hors sol ou même dans des bassins d’eau douce ou salée. L’éclairage est piloté en fonction d’un spectre lumineux mesuré par le capteur de luminosité qui est sensible en longueur d’onde et en intensité. L’unité de contrôle permet de moduler l’énergie lumineuse fournie par la source lumineuse en temps réel en fonction des conditions environnementales. L’éclairage est ainsi parfaitement adapté aux besoins immédiats de la plante.
La serre agricole peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, le module photovoltaïque est configuré de façon à présenter une transparence supérieure à 40% pour les longueurs d’onde comprises entre 400 et 520 nm et entre 620 et 700 nm. Ainsi, le module photovoltaïque laisse passer une grande partie de longueurs d’onde utiles à la photosynthèse des plantes de sorte qu’il n’entre pas en compétition avec les plantes dans l’utilisation de la lumière reçue. En outre, l’avantage d’utiliser un module photovoltaïque semi-transparent aux longueurs d’onde utiles à la croissance des plantes est de pouvoir recouvrir l’intégralité de la surface de la serre sans avoir à utiliser de dispositifs de mise en mouvement des cellules photovoltaïques pour pouvoir illuminer les plantes comme c’était le cas dans l’art antérieur. Le module photovoltaïque sert ainsi de filtre optique pour le rayonnement infrarouge qui endommage les plantes.
Avantageusement, la serre comporte en outre une interface de pilotage permettant d’entrer des informations sur les plantes contenues dans la serre, l’unité de contrôle étant apte à contrôler l’intensité lumineuse émise par la source lumineuse en fonction des informations entrées. L’éclairage est ainsi adapté non seulement aux conditions environnementales mais également aux plantes contenues dans la serre et à leur degré de maturité.
Avantageusement, la serre comporte en outre un capteur de température apte à mesurer la température dans l’espace intérieur et des moyens de régulation de la température dans l’espace intérieur, les moyens de régulation de température étant alimentés par le module photovoltaïque. On peut ainsi adapter également la température dans l’espace intérieur en fonction des conditions environnementales et des besoins de la plante de façon à garantir une croissance optimale des plantes.
Avantageusement, la serre comporte en outre un capteur d’humidité apte à mesurer l’humidité dans l’espace intérieur et des moyens de régulation de l’humidité dans l’espace intérieur, les moyens de régulation de l’humidité étant alimentés par le module photovoltaïque. On peut ainsi adapter également l’humidité dans l’espace intérieur en fonction des conditions environnementales et des besoins de la plante de façon à garantir une croissance optimale des plantes.
Avantageusement, la serre comporte en outre des moyens de stockage de l’énergie aptes à stocker l’énergie fournie par le module photovoltaïque, les moyens de stockage étant connectés à la source lumineuse. On peut ainsi stocker l’énergie produite par le module photovoltaïque et la réutiliser lorsqu’il est nécessaire de compléter l’éclairage naturel des plantes par l’éclairage via la source lumineuse.
Les moyens de stockage de l’énergie peuvent également être connectés aux moyens de régulation de la température et/ou aux moyens de régulation de l’humidité.
Avantageusement, la source lumineuse comporte des diodes électroluminescentes qui présentent l’avantage de ne pas dégager de chaleur de sorte qu’elles peuvent être positionnées au plus près des plantes sans les endommager.
Avantageusement, la source lumineuse comporte : - des diodes électroluminescentes dites « bleues >> apte à émettre entre 400 et 520 nm et - des diodes électroluminescentes dites « rouges >> apte à émettre entre 620 et 700 nm.
Les diodes électroluminescentes bleues émettent dans une gamme centrée autour de 440 nm. Les diodes électroluminescentes rouges émettent dans une gamme centrée autour de 660 nm. Les diodes électroluminescentes bleues permettent d’activer la photosynthèse des chlorophylles a. Les diodes électroluminescentes rouges permettent d’activer la photosynthèse des chlorophylles b.
Avantageusement, la source lumineuse comporte trois fois plus de diodes électroluminescentes bleues que de diodes électroluminescentes rouges car le module photovoltaïque utilisé filtre plus les longueurs d’ondes inférieures à 400 nm que celles supérieures à 600 nm.
Avantageusement, le module photovoltaïque est configuré de façon à présenter un pic d’absorption entre 520 et 620 nm. En effet, ces longueurs d’ondes sont peu utilisées pour la photosynthèse. En outre, dans cette gamme de longueurs d’onde, l’énergie lumineuse fournie par le soleil est intense de sorte que le module photovoltaïque, même avec des rendements conversion faibles, pourra produire une quantité suffisante d’énergie pour alimenter les systèmes d’éclairage.
Avantageusement, le module photovoltaïque est souple de façon à pouvoir recouvrir des parois transparentes aux géométries variées.
BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - La figure 1, une représentation schématique d’une serre selon un mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION
La figure 1 représente schématiquement une serre selon un mode de réalisation de l’invention.
Cette serre comporte une paroi transparente 1 formant un dôme. Toutefois, la paroi transparente 1 pourrait présenter d’autres formes. Elle pourrait par exemple comporter un toit et des murs. La paroi transparente 1 définit un espace intérieur 3 destiné à contenir des plantes 13. La paroi transparente 1 comporte une surface intérieure 4 et une surface extérieure 5.
La serre comporte également un module photovoltaïque 2. Le module photovoltaïque 2 est de préférence déposé sur la surface intérieure 4 de la paroi transparente 1. Lorsque la paroi transparente comporte un toit, le module photovoltaïque recouvre de préférence l’intégralité de la surface intérieure 4 du toit. Le module photovoltaïque est de préférence souple de façon à épouser la forme de la surface intérieure 4 sur laquelle il est déposé. Le module photovoltaïque est semi-transparent, c’est-à-dire qu’il est transparent à certaines longueurs d’onde. Ainsi, selon un mode de réalisation préférentiel, le module photovoltaïque présente une transparence d’au moins 40% pour les longueurs d’onde comprises entre 400 et 520nm et entre 620 et 700nm, qui sont les longueurs d’onde utiles à la photosynthèse des plantes. L’absorption du module photovoltaïque est maximale entre 520 et 620 nm qui est la gamme spectrale où le rendement de conversions photovoltaïque est le plus important.
Pour ce faire, le module photovoltaïque peut comporter des cellules photovoltaïques, chaque cellule photovoltaïque comportant : - un substrat transparent ; - une première et une deuxième électrode en oxyde transparent conducteur, chaque électrode présentant une forme de grille percée par des ouvertures, chaque ouverture présentant des dimensions transversales comprises entre 0.5 μιτι et 10 μιτι, et de préférence entre 1 pm et 2.5 μιτι. - une couche absorbante en silicium amorphe, de préférence hydrogéné, la couche absorbante étant disposée entre la première et la deuxième électrode;
Chaque grille est de préférence réalisée dans un des matériaux suivants : oxyde de zinc dopé à l’aluminium, oxyde d’indium dopé à l’oxyde d’étain, oxyde d’indium dopé à l’oxyde d’étain et à l’oxyde de zinc.
La couche absorbante présente de préférence une épaisseur comprise entre 40 et 100 nm, et de préférence entre 50 et 70 nm, ce qui permet à la cellule photovoltaïque d’être transparente aux longueurs d’onde utiles à la photosynthèse.
Ces cellules photovoltaïques permettent d’obtenir des rendements de conversion photovoltaïque de 2% avec une transparence supérieure à 40 % dans les longueurs d’onde utiles à la photosynthèse. Le module photovoltaïque ainsi formé pourra ainsi délivrer une puissance comprise entre 30 et 40Wc/m2.
La serre comporte également une source lumineuse 6. La source lumineuse 6 est alimentée par le module photovoltaïque 2.
La source lumineuse 6 comporte des diodes électroluminescentes 7, 8. En effet, les diodes électroluminescentes ont des rendements de 30 à environ 60 Im/W et pourront donc être alimentées par le module photovoltaïque 2.
Plus précisément, la source lumineuse 6 comporte : - des diodes électroluminescentes (LED) dites « bleues >> 7 apte à émettre un faisceau lumineux de longueurs d’onde comprises entre 400 et 520 nm et - des diodes électroluminescentes (LED) dites « rouges >> 8 apte à émettre un faisceau lumineux de longueurs d’onde comprises entre 620 et 700 nm.
Les diodes électroluminescentes bleues 7 éclairent dans une gamme centrée autour de 440 nm et les diodes électroluminescentes rouges 8 éclairent dans une gamme centrée autour de 660 nm afin de pouvoir activer la photosynthèse dans les deux gammes d’absorption des chlorophylles a et b. Le module photovoltaïque 1 utilisé pour alimenter la source lumineuse 6 filtrant beaucoup plus les gammes de longueurs d’ondes inférieures à 400 nm, la source lumineuse comporte de préférence plus de diodes électroluminescentes bleues que de diodes électroluminescentes rouges. Ainsi, la source lumineuse comporte de préférence trois fois plus de diodes électroluminescentes bleues 7 que de diodes électroluminescentes rouges 8.
Selon un premier mode de réalisation, les diodes électroluminescentes 7, 8 peuvent être placées au plus près des plantes afin de les éclairer de manière efficace. Dans ce cas, on peut régler la position des diodes électroluminescentes en fonction de la hauteur des plantes 13. En effet, cette disposition est possible grâce au fait que les diodes électroluminescentes ne provoquent pas d’échauffement lors de l’éclairage de sorte qu’elles peuvent être disposées au plus près des plantes à éclairer. En plaçant les diodes électroluminescentes au plus près des plantes, on économise la puissance consommée par les diodes électroluminescentes pour une efficacité d’éclairage optimale.
Selon un deuxième mode de réalisation, les diodes électroluminescentes 7, 8 peuvent être fixées sur le module photovoltaïque, ce qui permet de faciliter le montage de la serre puisqu’on dispose ainsi d’un module d’éclairage tout intégré. En outre, on optimise ainsi la transparence de l’ensemble formé par la paroi transparente, le module photovoltaïque et les diodes électroluminescente en réduisant l’ombrage généré sur les plantes.
La serre peut également comporter des moyens de stockage 9 aptes à stocker l’énergie fournie par le module photovoltaïque 2. Les moyens de stockage 9 sont connectés à la source lumineuse 6. Le fait de connecter la source lumineuse 6 au module photovoltaïque 2 par l’intermédiaire des moyens de stockage 9 permet de délivrer de l’énergie à la source lumineuse 6 en temps voulu.
La serre comporte également un capteur de luminosité 10, de préférence disposé au niveau des plantes. Le capteur de luminosité 10 est apte à mesurer le spectre lumineux reçu par les plantes. Le capteur de luminosité 10 est sensible en intensité et en longueur d’onde. Il permet d’enregistrer un spectre lumineux en temps réel. Ce capteur de luminosité peut par exemple être un photo-détecteur.
La serre peut également comporter une interface de pilotage 11 permettant d’entrer des informations sur les besoins des plantes contenues dans la serre. L’interface de pilotage 11 peut par exemple permettre de saisir des informations sur les conditions d’éclairage, de température, d’humidité dont a besoin la plante en fonction de son développement.
La serre comporte également une unité de contrôle 12 apte à contrôler la lumière émise par la source lumineuse 6. L’unité de contrôle 12 est reliée au capteur de luminosité 10 et à l’interface de pilotage 11. L’unité de contrôle 12 commande la lumière émise par la source lumineuse en fonction de deux paramètres : les besoins physiologiques des plantes contenues dans la serre et l’environnement lumineux de la plante. Les besoins physiologiques des plantes sont déterminés en fonction du type de plantes et en fonction de leur maturité, par exemple si elles sont en cours de croissance ou de floraison. Ces éléments sont de préférence communiqués à l’unité de contrôle via l’interface de pilotage. L’unité de contrôle permet de moduler l’intensité et la gamme spectrale de la lumière émise par la source lumineuse en fonction des besoins physiologiques de la plante et de l’environnement d’éclairage. Pour cela, l’unité de contrôle reçoit le spectre lumineux mesuré par le capteur de luminosité, de préférence en temps réel. L’unité de contrôle est en outre configurée pour comparer le spectre mesuré par le capteur de luminosité avec un spectre de référence. Le spectre de référence peut dépendre des plantes contenues dans la serre et de leur stade de croissance.
La serre peut également comporter des moyens de régulation de la température de la serre, ainsi qu’un capteur de température. Les moyens de régulation de la température peuvent également être commandés par l’unité de contrôle en fonction de la température mesurée par le capteur de température et/ou en fonction des besoins physiologiques de la plante.
La serre peut également comporter des moyens de régulation l’humidité dans la serre, ainsi qu’un capteur d’humidité. Les moyens de régulation de l’humidité peuvent également être commandés par l’unité de contrôle en fonction de l’humidité mesurée par le capteur d’humidité et/ou des besoins physiologiques de la plante.
Les différents capteurs peuvent également être alimentés par le module photovoltaïque, tout comme les moyens de régulation de l’humidité et/ou de la température.
On obtient ainsi une serre intelligente, autonome en énergie et qui permet une croissance optimale des plantes puisqu’elle adapte les conditions dans la serre aux besoins physiologiques des plantes et aux conditions environnementales.
Naturellement, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple le module photovoltaïque pourrait présenter une structure différente de la structure décrite. En outre, le module photovoltaïque pourrait ne pas recouvrir l’ensemble de la paroi transparente. La source lumineuse pourrait également comporter d’autres types de dispositifs lumineux.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Serre agricole comportant : - au moins une paroi transparente (1) définissant un espace intérieur (3) destiné à contenir des plantes (13); - une source lumineuse (6) configurée pour émettre une lumière dans l’espace intérieur (3), - au moins un module photovoltaïque (2) agencé pour alimenter en énergie la source lumineuse (6); - au moins un capteur de luminosité (10) apte à mesurer un spectre lumineux reçu par les plantes (13); - une unité de contrôle (12) agencée pour contrôler, en intensité et en longueur d’onde, la lumière émise par la source lumineuse (6) en fonction du spectre lumineux mesuré.
  2. 2. Serre agricole selon la revendication précédente, dans laquelle le module photovoltaïque (2) est configuré de façon à présenter une transparence supérieure à 40% pour les longueurs d’onde comprises entre 400 et 520 nm et entre 620 et 700 nm.
  3. 3. Serre agricole selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre une interface de pilotage (11) permettant d’entrer des informations sur les plantes (13) contenues dans la serre, l’unité de contrôle (12) étant apte à contrôler l’intensité lumineuse émise par la source lumineuse (6) en fonction des informations entrées.
  4. 4. Serre agricole selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre un capteur de température apte à mesurer la température dans l’espace intérieur et des moyens de régulation de la température dans l’espace intérieur, les moyens de régulation étant alimentés par le module photovoltaïque.
  5. 5. Serre agricole selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens de stockage (9) de l’énergie aptes à stocker l’énergie fournie par le module photovoltaïque (2), les moyens de stockage (9) étant connectés à la source lumineuse (6).
  6. 6. Serre agricole selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la source lumineuse (6) comporte des diodes électroluminescentes.
  7. 7. Serre agricole selon la revendication précédente, dans laquelle la source lumineuse (6) comporte : - des diodes électroluminescentes (7) dites « bleues >> apte à émettre entre 400 et 520 nm et - des diodes électroluminescentes (8) dites « rouges >> apte à émettre entre 620 et 700 nm.
  8. 8. Serre agricole selon la revendication précédente, dans laquelle la source lumineuse (6) comporte trois fois plus de diodes électroluminescentes bleues (7) que de diodes électroluminescentes rouges (8).
  9. 9. Serre agricole selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le module photovoltaïque (2) est configuré de façon à présenter un pic d’absorption entre 520 et 620 nm.
  10. 10. Serre agricole selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le module photovoltaïque (2) est souple.
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