Un estudio concluye que la agrovoltaica elevada ofrece una mayor protección a los cultivos

Un equipo de investigación dirigido por científicos de la empresa energética francesa EDF examinó el impacto de las configuraciones de los sistemas agrovoltaicos sobre la respuesta de la temperatura de los cultivos en diferentes escenarios de estrés meteorológico y concluyó que los sistemas elevados ofrecen la mejor protección contra las heladas blancas y el calor.

“Nuestro objetivo era comprender los mecanismos subyacentes e identificar qué sistemas agrovoltaicos son más eficaces para proteger los cultivos”, declaró a pv magazine el autor de correspondencia, Joseph Vernier. “Utilizamos herramientas de modelización numérica para predecir el microclima agrovoltaico y calcular los intercambios resultantes de energía, agua y gases entre las plantas y el aire en tres escenarios meteorológicos —ola de calor, primavera ventosa y helada blanca— y para seis diseños geométricos agrovoltaicos. Posteriormente, comparamos la temperatura calculada de las plantas situadas debajo de los paneles con la de una zona de control sin paneles, a fin de evaluar qué sistemas agrovoltaicos protegen de forma más eficaz a las plantas frente a las condiciones meteorológicas extremas consideradas”.

En el artículo “Designing agrivoltaic systems for plant protection” (Diseño de sistemas agrovoltaicos para la protección de las plantas), publicado en Metodología Agrícola y Forestal, los investigadores explicaron que su análisis exploró la sensibilidad a las condiciones meteorológicas, los parámetros del sistema y las decisiones de diseño, y puso de relieve las compensaciones entre la protección de los cultivos y la producción de energía.

El grupo de investigación utilizó el software de dinámica de fluidos computacional (CFD) de código abierto code_saturne para simular cómo los diseños de los sistemas agrovoltaicos influyen en las condiciones microclimáticas locales y en la respuesta de las plantas. El modelo combina una representación de los paneles fotovoltaicos con un modelo del continuo suelo-planta-atmósfera (SPAC), que simula los intercambios de energía, agua y calor entre el suelo, la vegetación y la atmósfera para evaluar la respuesta de las plantas a las condiciones ambientales.

Validado mediante experimentos en túneles de viento y mediciones de campo, el enfoque estima parámetros microclimáticos clave, como la velocidad del viento, la temperatura del aire, la humedad, la turbulencia y la radiación. Los paneles fotovoltaicos se representan implícitamente mediante términos fuente y sumidero que tienen en cuenta sus efectos sobre el flujo de aire, la turbulencia y los intercambios radiativos, lo que evita la necesidad de realizar un mallado detallado de los paneles. La temperatura de las plantas y los intercambios de agua se calculan mediante ecuaciones acopladas de balance energético e hídrico dentro del sistema suelo-planta.

La metodología se probó en la planta agrovoltaica piloto de EDF I+D, construida en 2019 en EDF Lab Les Renardières, cerca de Écuelles, en el departamento francés de Sena y Marne. El emplazamiento incluye un campo con rotación anual de cultivos y un pastizal equipado con sensores. La estructura agrovoltaica consta de tres filas de 16 conjuntos fotovoltaicos, cada uno de 25 m × 4 m e instalado a 4,5 m sobre el nivel del suelo. Cada conjunto contiene ocho módulos bifaciales de 300 W suministrados por la unidad Photowatt de EDF, lo que proporciona una capacidad instalada total de 115 kW. La relación de cobertura del suelo (GCR), definida como la proporción entre la superficie de los paneles fotovoltaicos y la superficie del terreno, es de 0,37 para los paneles horizontales.

Se utilizaron sensores de radiación, termómetros infrarrojos, estaciones meteorológicas y sondas de suelo para recopilar datos sobre la radiación, la temperatura de las plantas, las condiciones meteorológicas y las propiedades del suelo. Posteriormente, se realizaron simulaciones CFD transitorias para reproducir la configuración agrovoltaica experimental y evaluar la respuesta de las plantas en escenarios de heladas, clima cálido y olas de calor.

Los resultados mostraron que los sistemas fotovoltaicos instalados a baja altura fueron más eficaces para reducir los esfuerzos convectivos, mientras que los sistemas elevados proporcionaron una mayor protección frente a los esfuerzos relacionados con la radiación. Las configuraciones elevadas resultaron particularmente eficaces para mitigar el estrés por heladas y calor, al favorecer los intercambios infrarrojos y limitar las temperaturas excesivas de las plantas. Los diseños fotovoltaicos verticales también redujeron la velocidad del viento y la turbulencia, lo que podría disminuir el riesgo de encamado de los cultivos y mejorar la fotosíntesis en condiciones ventosas.

“En general, mitigar el estrés de las plantas puede llegar a ser tan importante como aumentar la radiación fotosintéticamente activa para favorecer su crecimiento, lo que subraya la necesidad de integrar análisis detallados de mitigación del estrés en las futuras investigaciones agrovoltaicas”, afirmaron los investigadores. “El enfoque presentado demuestra una elevada capacidad predictiva, con errores en la temperatura de las plantas inferiores a 1 °C durante las noches con heladas y a 3 °C durante los días calurosos, lo que lo convierte en una herramienta prometedora para identificar dónde y con qué diseños los sistemas agrovoltaicos pueden mejorar el crecimiento de las plantas”.

De cara al futuro, los científicos pretenden integrar el marco CFD con modelos de crecimiento de cultivos mediante enfoques sustitutos eficientes que permitan realizar simulaciones a largo plazo. Los futuros desarrollos también se centrarán en mejorar la representación de estructuras de cultivo complejas, la redistribución de las precipitaciones, los intercambios térmicos de los sistemas fotovoltaicos y los efectos estructurales.