CHAPITRE 2 : ÉVALUATION DES RESSOURCES SOLAIRES

Dans le domaine de l’énergie photovoltaïque (PV) solaire, il est primordial de comprendre les ressources solaires disponibles sur un site en particulier. L’évaluation des ressources solaires constitue le fondement de la conception de systèmes photovoltaïques efficaces et performants. Ce chapitre se penche sur les subtilités de l’évaluation des ressources solaires, en dévoilant les paramètres clés, les techniques de mesure et l’importance d’une collecte de données exactes.

2.1 Éclairement énergétique et insolation

L’éclairement énergétique désigne la puissance par unité de surface reçue du rayonnement électromagnétique, en particulier de la lumière du soleil, sur une surface donnée. Il s’agit d’une mesure de l’intensité de l’énergie radiante incidente, exprimée en watts par mètre carré (W/m²). L’éclairement énergétique prend en compte l’ensemble du rayonnement électromagnétique, y compris la lumière visible, ultraviolette et infrarouge, qui frappe une surface perpendiculairement.

Dans le contexte de l’énergie solaire et de l’énergie photovoltaïque, l’irradiation est un paramètre crucial pour évaluer la quantité d’énergie solaire disponible à un endroit en particulier. Elle permet de déterminer la puissance potentielle des panneaux solaires ou d’autres dispositifs solaires. Les deux principaux types d’irradiation solaire sont l’irradiation horizontale globale (GHI), qui représente le rayonnement solaire total reçu sur une surface horizontale, et l’irradiation normale directe (DNI), qui représente le rayonnement solaire provenant directement du soleil et frappant une surface perpendiculaire aux rayons du soleil.

L’insolation, terme dérivé de « rayonnement solaire entrant », désigne la quantité totale d’énergie solaire reçue sur une surface spécifique au cours d’une période donnée, généralement exprimée en énergie par unité de surface et par unité de temps (par exemple, kWh/m²/jour ou MJ/m²/jour). Elle tient compte de la durée et de l’intensité de l’ensoleillement tout au long de la journée et est souvent utilisée pour caractériser le potentiel d’énergie solaire d’un endroit.

L’insolation est tributaire de divers facteurs, notamment la situation géographique, la période de l’année, l’heure de la journée et les conditions météorologiques locales. Il s’agit d’un paramètre essentiel pour évaluer la faisabilité et l’efficacité des systèmes d’énergie solaire, puisqu’il donne une idée de la disponibilité moyenne de l’énergie solaire sur un site donné. Les données relatives à l’ensoleillement sont essentielles pour les concepteurs de systèmes et les ingénieurs afin d’estimer la production d’énergie des installations solaires et d’optimiser leurs performances en fonction du climat local et des conditions environnementales.

Le calcul de l’insolation (exposition solaire) d’un site nécessite la prise en compte de différents facteurs tels que la situation géographique, la période de l’année, l’heure de la journée et les conditions météorologiques locales. L’insolation est souvent exprimée comme l’énergie solaire totale reçue par unité de surface sur une période donnée, généralement par jour. La formule de calcul de l’ensoleillement quotidien (en kilowattheures par mètre carré et par jour, kWh/m²/jour) est la suivante :

Insolation = constante solaire × durée de l’ensoleillement × facteur de conversion

Alors :

• Constante solaire : La constante solaire moyenne, qui représente l’irradiation solaire en dehors de l’atmosphère terrestre, est d’environ 1 361 W/m².
• Durée de l’ensoleillement : Il s’agit du nombre d’heures d’ensoleillement sur le site pendant une journée donnée.
• Facteur de conversion : Facteur de conversion de l’énergie totale des watts en kilowattheures (généralement 0,001 pour convertir les watts en kilowatts et 24 pour convertir les heures en jours).

N’oubliez pas qu’il s’agit d’un calcul simplifié et que l’insolation réelle peut varier en fonction de facteurs comme les conditions atmosphériques, l’ombrage et la topographie locale.

Pour un calcul plus précis, vous pouvez utiliser des données météorologiques, y compris l’irradiation normale directe (DNI) et l’irradiation horizontale diffuse (DHI), ainsi que des méthodes statistiques. Ces données sont souvent disponibles dans les bases de données météorologiques ou solaires.

Illustrons un calcul de base :

En supposant que la durée d’ensoleillement pour un jour donné est de 10 heures :

Insolation = 1 361 × 10 ℎ × 0,001 × 24

Insolation ≈ 32,66 kWh/m²/jour.

Formule non analysée Ce résultat représente l’insolation journalière estimée pour l’endroit et le jour spécifiés sur la base de la formule simplifiée. Il est recommandé d’utiliser des données météorologiques plus détaillées et des techniques de modélisation en vue d’obtenir des évaluations justes.

Deux composantes essentielles de l’évaluation des ressources solaires sont l’irradiation horizontale globale (GHI) et l’irradiation normale directe (DNI).

Irradiation horizontale globale (GHI)

La GHI représente le rayonnement solaire total reçu sur une surface horizontale. Elle comprend la lumière directe et diffuse du soleil dispersée par l’atmosphère. La GHI se mesure en watts par mètres carrés (W/m²), et est un paramètre clé dans la compréhension globale du potentiel d’énergie solaire à un endroit donné.

Techniques de mesure : Les pyranomètres au sol servent souvent à mesurer la GHI. Ces instruments sont constitués d’un capteur thermopile qui absorbe le rayonnement solaire et génère un signal électrique proportionnel à l’irradiation reçue.

Irradiation normale directe (DNI)

La DNI fait référence au rayonnement solaire reçu par unité de surface sur une surface placée de manière perpendiculaire aux rayons du soleil. Elle représente la lumière directe du soleil qui atteint la surface de la Terre sans être diffusée. La DNI est essentielle au regroupement de technologies solaires et de systèmes photovoltaïques à rendement élevé.

Techniques de mesure : Les pyrhéliomètres servent à mesurer la DNI avec exactitude. Ces instruments suivent le mouvement du soleil pendant le jour en vue de s’assurer que les mesures sont prises de façon juste directement du faisceau solaire.

2.2 Mesure de l’irradiation solaire

Une mesure exacte de l’irradiation solaire est essentielle pour une évaluation fiable des ressources solaires. Différents instruments et méthodologies sont utilisés pour capturer la nature dynamique de la lumière du soleil.

Pyranomètres et pyrhéliomètres

Les pyranomètres mesurent l’irradiation solaire totale sur une surface horizontale, en combinant la lumière directe et diffuse du soleil. Les pyrhéliomètres, quant à eux, servent spécifiquement à mesurer la DNI en pointant directement le soleil. Les deux instruments sont étalonnés pour fournir des relevés exacts de l’irradiation.

Collecte de données au sol

Les stations de surveillance solaire au sol sont stratégiquement positionnées pour recueillir des données sur l’irradiation solaire sur de longues périodes. Ces données, recueillies à des résolutions temporelles élevées, fournissent des données précieuses sur les variations quotidiennes et saisonnières du rayonnement solaire.

Collecte de données par satellite

Les plateformes satellitaires, équipées de radiomètres et de spectromètres, offrent une perspective plus large de l’irradiation solaire. Elles fournissent des données spatialement étendues, permettant d’évaluer les ressources solaires au niveau régional et mondial. Cependant, l’exactitude de ces sources de données nécessite souvent une validation au sol.

2.3 Technologies émergentes dans l’évaluation des ressources solaires

Imageurs de ciel

Les imageurs de ciel capturent des images hémisphériques du ciel et servent à déterminer la couverture nuageuse et évaluer son impact sur l’irradiation solaire. Ils fournissent des données précieuses pour la prévision à court terme de la production d’énergie solaire.

Technologie LiDAR

La technologie LiDAR (Light Detection and Ranging) sert à la cartographie haute résolution du terrain et des obstacles. Dans l’évaluation des ressources solaires, la technologie LiDAR aide à comprendre les caractéristiques topographiques qui peuvent influer sur le rayonnement solaire.

2.4 Facteurs influençant l’évaluation des ressources solaires

Plusieurs facteurs influencent l’exactitude des évaluations des ressources solaires, notamment :

Conditions atmosphériques

Les conditions atmosphériques, comme les nuages, les aérosols et la vapeur d’eau, ont un impact significatif sur l’irradiation solaire. Des modèles avancés et des techniques de correction atmosphérique sont utilisés pour tenir compte de ces facteurs et obtenir des estimations justes pour ces ressources solaires.

Effets de relief et d’ombrage

Les caractéristiques du terrain et l’ombre des structures avoisinantes peuvent affecter la distribution de l’irradiation solaire. Les modèles altimétriques numériques (MAN) et les analyses d’ombrage contribuent à l’évaluation fiable des ressources solaires dans des paysages complexes.

2.5 Importance d’une évaluation exacte des ressources solaires

L’évaluation juste des ressources solaires est au cœur de la conception de systèmes photovoltaïques qui fonctionnent de manière optimale et efficace. Elle facilite ce qui suit :

Dimensionnement du système et prévision des performances

La compréhension de la ressource solaire permet aux ingénieurs de dimensionner adéquatement les systèmes photovoltaïques et de prévoir leurs performances. Cet aspect est essentiel pour garantir que la capacité installée corresponde aux besoins énergétiques d’un lieu donné.

Faisabilité financière

Les données sur les ressources solaires font partie intégrante de l’évaluation de la faisabilité financière des projets photovoltaïques. Les investisseurs et les parties prenantes s’appuient sur des évaluations justes des ressources solaires pour prendre des décisions éclairées sur la viabilité économique des installations solaires.

Planification de l’intégration au réseau

Pour les systèmes photovoltaïques connectés au réseau, la connaissance de la ressource solaire permet de planifier l’intégration de son énergie dans le réseau électrique. Il s’agit notamment de gérer les fluctuations de la production solaire et d’optimiser la stabilité du réseau.