Comment maîtriser l’énergie solaire ?

Maîtriser les heures d’ensoleillement et les cadastres solaires

Les problèmes énergétiques sont actuellement l’un des plus grands soucis auxquels on doit faire face. La plupart se tournent alors vers les énergies renouvelables dont la plus populaire est l’énergie solaire. Le plus grand avantage de l’utilisation de ce dernier est sa présence n’importe où sur la planète. Cette technologie est aussi présente même dans l’espace comme générateur des satellites.

On se demande ainsi comment maîtriser cette énergie. La réponse est bien sûr simple: maîtriser les heures d’ensoleillement et utiliser des cadastres solaires. 

Avant tout, il est nécessaire de définir ce que représentent les heures d’ensoleillement et répondre aux questions suivantes : Comment fonctionne l’énergie solaire ? Comment définir les heures d’ensoleillement pour un endroit choisi ? Qu’est-ce qu’un cadastre solaire ? Comment ça marche ?

On va donc répondre à chacune de ces questions, mais en les répartissant sur trois parties. Puis, on va discuter des cadastres solaires et du processus de réalisation avec Bauer Energie.

L’énergie solaire et son fonctionnement

L’énergie solaire est puisée à partir de l’énergie produite par les rayonnements du soleil. On peut la présenter sous deux formes : le solaire photovoltaïque et le solaire thermique. Le photovoltaïque consiste à transformer l’énergie en électricité tandis que le thermique en chaleur ou énergie calorifique. On peut différencier ces deux formes à travers le tableau suivant :

Le plus grand inconvénient de l’énergie solaire est son intermittence. En optant alors pour cette énergie renouvelable, il est nécessaire de maîtriser les heures d’ensoleillement. Ainsi, on pourra  exploiter au maximum le potentiel de cette énergie.

Gestion des heures d’ensoleillement

Les heures d’ensoleillement d’une surface se réfèrent à la durée de présence du soleil sur celle-ci. Sans calcul précis, on peut l’assimiler à la longueur d’une journée. Pourtant, pour une surface donnée, il faut prendre en compte son environnement , car il peut raccourcir cette durée. La différence flagrante entre l’heure d’ensoleillement est que généralement, les énergies reçues à l’aube et à l’aurore sont faibles. Elles sont négligeables à partir d’un certain seuil.

La complexité de l’énergie solaire repose également sur l’énergie produite par une surface en fonction de l’heure d’ensoleillement. Les heures d’ombre sont pareillement à prendre en compte, car l’énergie reçue diminue pendant ces heures.  Il est à noter que maîtriser les heures d’ensoleillement ne concerne aucunement le type de technologie utilisée.

Différence entre les heures d’ensoleillement

Pour optimiser l’énergie solaire reçue, il faut que le panneau soit perpendiculaire au rayonnement solaire. Il est nécessaire alors de comprendre l’itinéraire de la Terre par rapport au soleil et comment exploiter ces données.

On choisit alors un point sur la Terre pour représenter la surface dont on veut déterminer le potentiel solaire. La journée la plus longue est le solstice d’été tandis que la plus courte est le solstice d’hiver. On schématise ainsi l’emplacement de la Terre par rapport au soleil. Comme le Luxembourg est un pays au Nord en Europe, on supposera qu’il est le point de référence.

Figure 1: Itinéraire au solstice d’hiver                                                                           Figure 2: Itinéraire au solstice d’été

On remarque que les angles β et θ à travers les deux figures précédentes. L’angle θ est l’angle que fait le point par rapport à l’équateur. Cet angle est en rapport avec la longitude. Il est donc constant au cours de l’année.

L’angle β est l’angle qui fait le point de référence sur la Terre avec la ligne écliptique. C’est également l’angle que fait le point par rapport au rayonnement solaire. C’est cet angle qui nous intéresse le plus. Pour la figure 2, lors du solstice d’été, l’angle β est supérieur à l’angle θ. C’est l’inverse qui se déroule pour le solstice d’hiver.

En se plaçant sur le point de référence, on peut obtenir un point de vue plus concret. En effet, maîtriser les heures d’ensoleillement à ce niveau se résume à déterminer le jour et la nuit.

Analyse journalière de l’itinéraire du soleil

L’analyse du soleil se résume à l’observation du soleil au cours d’une journée. Il suffit de prendre l’itinéraire du soleil pour une journée type.

On obtient alors deux angles :

• L’angle apparent du soleil par rapport à l’horizon : on le présente comme hauteur dans l’image suivante, mais exprimé en degré. On l’appelle élévation.
• L’angle par rapport aux points cardinaux : on peut donc faire une vision de haut. En prenant le Nord comme l’angle 0° ou 360°, l’Est 90°, le Sud 180° et l’Ouest 270°. On l’appelle généralement l’azimut.

Analyse annuelle de l’itinéraire du soleil

L’analyse annuelle de l’itinéraire du soleil correspond à des analyses journalières pour tous les jours de l’année. On a en conséquence des journées plus longues et d’autres plus courtes. Une question se pose alors : Comment rassembler 365  données journalières ? Cela se résume à maîtriser les heures d’ensoleillement par jour.

On va alors commencer par une vision à deux dimensions de l’itinéraire du soleil. On utilise d’abord les données quotidiennes. En utilisant les coordonnées géographiques du point de référence, on peut déterminer à l’aide de logiciels son itinéraire. On choisit au hasard un point dans le Luxembourg et on obtient l’image suivante.

Figure 4: Itinéraire apparente du soleil

Dans l’hémisphère nord, l’orientation du soleil se trouve au Sud et inversement pour l’hémisphère sud. On peut représenter cette image autrement. Les angles de l’azimut sont alors placés le long du contour d’un cercle et la hauteur est l’élévation. On peut ensuite passer à la vision à trois dimensions.

Figure 5 : Itinéraire du soleil en 3 dimensions

Les représentations précédentes sont toutes réalisées en ignorant l’environnement de l’endroit où se trouve la surface. On n’a pas pris en compte la possibilité de réduction de l’ensoleillement. Pour ce faire, il est nécessaire d’utiliser les outils GIS (Géographic Information System). À travers ce dernier, on peut accéder aux données météorologiques et maîtriser les heures d’ensoleillement. On prend alors aussi en compte l’environnement. 

En effet, l’énergie produite par une surface est en fonction de sa situation géographique. Selon l’inclinaison du soleil, on devrait changer l’inclinaison des panneaux, mais ce travail demanderait encore plus d’énergie. Qu’on utilise un système de suivi ou des panneaux fixes, il est nécessaire d’optimiser. Des calculs sont alors indispensables par rapport à l’inclinaison optimale, la technologie choisie et la puissance nominale des panneaux. 

Pour pallier les calculs trop compliqués, on se dit alors : Que ferait-on si on ne voulait pas modifier notre habitat pour une installation photovoltaïque ? Il suffit de déterminer le potentiel énergétique solaire de votre toit ou parking sans penser à leurs angles. Le mieux serait d’utiliser un cadastre solaire, l’un des outils les plus performants pour l’énergie solaire. Par ailleurs, on peut s’approcher d’un degré de détails plus élevé et pallier les principes simples précédents.

Utilisation des cadastres solaires

Un cadastre solaire est une représentation cartographique du potentiel solaire annuel d’un quartier, d’une ville ou d’un pays. Maîtriser les heures d’ensoleillement est l’objectif visé.

Il prend en compte :

• la moyenne des heures d’ensoleillement reçu par une surface,
• les heures d’ombre
• la moyenne de la puissance des rayonnements

Il est important alors de rassembler des données sur une période d’un an pour en évaluer, parfaitement, le potentiel. La méthode utilisée à travers cet outil concerne en majorité la maîtrise des heures d’ensoleillement.

Exemple :

Figure 6: Cadastre solaire d’un quartier (source: map.geoportal.lu)

Sur cette image, on peut songer à une représentation selon la température. On peut également penser à une vision d’un spectre infrarouge. Les zones en bleu sont celles les plus froides tandis que celles virant à une couleur orange ou marron sont les plus chaudes. On peut donc faire des évaluations pour les deux formes d’énergies solaires et maîtriser les heures d’ensoleillement.

Avantages de l’utilisation des cadastres solaires

Grâce au cadastre solaire, on peut épargner plus de temps. On évite ainsi les calculs compliqués pour déterminer l’emplacement d’une exploitation solaire. On obtient directement à travers le cadastre l’emplacement parfait.

Un autre avantage est la rapidité et la précision du calcul. En se basant avec des données géographiques précises, le cadastre solaire se rapproche plus aux données réelles. En effet, le cadastre solaire est basé sur les données des SIG ou Systèmes d’informations géographiques. Il est alors plus fiable que n’importe quel calcul à la main. Elle est également rapide, car elle est réalisée par une machine de grande puissance.

Le plus grand avantage du cadastre solaire est sa praticité. Il est palpable pour le client de comprendre pourquoi certains emplacements sont rentables par rapport à d’autres.

Remarque : Les calculs effectués pour le cadastre solaire utilise les données en temps réels récoltés. Citons l’inclinaison de chaque toiture. Il est alors utilisé pour réaliser généralement des installations solaires sans calculs d’angle optimal.

Fonctionnement d’un cadastre solaire

Chez Bauer Energie, on ne se focalise pas que sur les calculs importants, mais aussi sur la réalité des choses. La procédure générale pour créer un cadastre solaire consiste ainsi à :

• • Analyser le rayonnement solaire sur le territoire : Il est nécessaire d’utiliser les données météorologiques concernant le territoire pour maîtriser les heures d’ensoleillement. On croise ainsi le modèle 3D du territoire avec ces données.
  • Élaboration d’une carte de rayonnement à haute résolution: Il faut alors analyser pour chaque toiture, surface sur laquelle les rayonnements sont en contact. Grâce à l’étape précédente, on peut se permettre de déterminer les données mensuelles et annuelles.
  • Intégrer le cadastre solaire dans le SIG.