L’énergie solaire photovoltaïque dépende de l’orientation et l’inclinaison de l’installation solaire. En effet, l’énergie solaire est produite durant le laps de temps où les rayons du soleil couvrent votre toiture. On dit alors qu’elle est intermittente car production électrique se fait uniquement durant la journée. Alors comment profiter au maximum de l’énergie solaire ?
Le moyen le plus simple pour avoir une production d’énergie solaire optimale est d’optimiser l’orientation et inclinaison du panneau photovoltaïque. Dans cet article, nous allons vous expliquer comment optimiser la quantité de lumière du soleil qui atteint la surface du panneau de votre installation. Vous améliorerez ainsi la production électrique de votre installation solaire photovoltaïque.
Itinéraire apparente du soleil
Pour mieux comprendre la production solaire, nous allons voir ensemble quelques principes sur l’ensoleillement. Pour commencer, on va parler de l’itinéraire du soleil, ce terme désigne est le trajet du soleil qu’on peut avoir à partir d’un point de référence. Dans notre cas, prenons comme référence Luxembourg. Comme nous le savons déjà, la Terre tourne autour du soleil, mais si on se positionne sur notre point de référence, on peut penser que c’est le soleil qui tourne autour de la Terre.
Mouvement de la Terre par rapport au soleil
Figure 1: Mouvement de la Terre
Cette figure va nous permettre de mieux comprendre la notion d’itinéraire apparente du soleil. Comme nous le savons déjà, la Terre tourne autour d’elle-même et l’angle par rapport à l’axe de l’ellipse (flèche en vert) du point (Luxembourg) varie à chaque instant (ou à chaque saison).
C’est pour cela qu’il y a une différence entre la durée du jour et de la nuit, puisqu’elle dépend de l’inclinaison de l’axe de la Terre par rapport au soleil. La journée la plus longue ou la plus courte est connue comme étant le solstice. Il peut-être celui d’hiver ou d’été, selon l’hémisphère dans lequel on se trouve. Une autre notion, l’équinoxe est aussi apparue pour désigner la journée de même durée que la nuit. Vous devez certainement connaitre l’équinoxe du printemps ou d’automne. La durée de la journée va nous permettre de déterminer la quantité d’électricité photovoltaïque.
Vision apparente du soleil depuis un point de référence
Vu de l’espace, on a du mal à comprendre grand-chose sur l’effet du mouvement de la Terre sur la production d’énergie solaire. Pour faciliter les choses, nous allons nous placer sur notre point de référence dans n’importe quel lieu du territoire Luxembourgeois. En observant l’itinéraire apparent du soleil tout le long d’une année, on obtient la figure suivante :
On observe deux types d’angle :
- L’azimut : l’angle sur le plan horizontal qui représente l’orientation du soleil par rapport aux points cardinaux ;
- L’élévation : l’angle sur le plan vertical qui représente l’inclinaison du soleil par rapport à l’horizon.
L’élévation est à son maximum au cours du solstice d’été et à son minimum pendant le solstice d’hiver. Par la même occasion, on remarque que l’itinéraire du soleil le plus court est le solstice d’hiver et le plus long est le solstice d’été. Pour approfondir ce phénomène nous vous encourageons à lire attentivement notre ressource sur la « Maîtrise des heures d’ensoleillement ».
Vous comprenez maintenant qu’il est nécessaire d’analyser l’orientation et l’inclinaison de l’installation solaire pour optimiser la production d’électricité. Puisque la pose de panneaux solaires sur le toit va déterminer sa capacité de production.
Technologie des panneaux solaires
Pour aller plus loin, commençons par la technologie des panneaux solaires photovoltaïques pour appréhender fonctionnement de l’installation.
Fonctionnement d’un panneau solaire
Un panneau solaire est un dispositif visant à transformer l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Un panneau solaire est un ensemble de cellules photovoltaïques disposées en série. La technologie utilisée est basée sur celle des semi-conducteurs.
A travers ce schéma, on remarque qu’en absorbant l’énergie provenant du soleil, on crée de l’ électricité solaire. Schématiquement, au contact des rayonnements, des électrons dans une cellule solaire sont déviés de leur place normale. Ils se déplacent alors dans le circuit de la borne négative (–) vers la borne positive (+) pour la retrouver. Ce déplacement crée un courant électrique de sens contraire (ou courant continu) qui nourrit la charge.
Il est pourtant possible de voir que le panneau reflète la lumière comme tout objet opaque. Par ailleurs, on peut toujours réduire cette réflexion en plaçant les installations photovoltaïques perpendiculairement au soleil. Ainsi, la réflexion sera réduite et son taux le sera aussi en fonction du type de cellule solaire utilisée.
Rendement d’un panneau solaire
Le rendement c’est le rapport entre l’énergie reçue et l’énergie produite.
Il est en moyenne entre 25% à 30% pour un système photovoltaïque.
Par ailleurs, le rendement d’une installation dépend aussi de son emplacement. On peut supposer que si elle obtient tout le rayonnement alors le rendement sur l’emplacement est de 100%. Si l’installation ne reçoit aucun rayon alors ce type de rendement avoisine les 0%.
Le rendement sur l’emplacement nous intéresse énormément car on peut le contrôler à travers l’orientation et l’inclinaison de l’installation solaire photovoltaïque.
Chaque panneau solaire a une caractéristique appelée puissance nominale. Elle est exprimée en Watt peak. C’est-à-dire qu’au-delà d’un certain seuil de niveau de lumière, on peut produire un courant avec puissance nominale. Le but est alors d’avoir le plus de luminosité possible. Le rendement dépend de la lumière du soleil et non de la chaleur. De plus, au-delà d’une certaine haute température, le rendement d’un panneau peut diminuer.
Types de rayonnement solaire
Les différents rayonnements solaires sont :
- Direct :
C’est le rayonnement direct provenant du soleil. Il est le rayonnement le plus puissant car il ne subit aucune transformation que son passage dans l’ozone. Seule la quantité de rayons ultraviolets est diminuée mais la lumière blanche est intacte. Pour atteindre la terre, le rayonnement doit passer par la couche d’ozone. Ainsi on peut dire qu’elle fournit le maximum d’énergie.
- Réfléchi :
Le rayonnement direct est réfléchi par une surface comme l’eau pour obtenir le rayonnement réfléchi. Sa puissance est réduite par une absorption d’une infime partie de la lumière mais reste quand même importante. Sous une vision optique, on peut prendre la surface réfléchissante comme source secondaire de lumière. Ainsi dans un classement en termes de puissance, le rayonnement réfléchi suit le rayonnement direct. Par ailleurs, pour récolter la lumière, il est nécessaire d’éviter une réflexion au niveau du panneau solaire. L’orientation et l’inclinaison de l’installation solaire dépend alors de la source secondaire.
- Diffus :
Si les rayonnements du soleil n’arrivent pas directement, ils sont soit réfléchis soit diffus par l’atmosphère. Les rayonnements passent dans des particules de l’atmosphère comme les nuages. Une partie de l’énergie des rayonnements est absorbée par ces particules et le reste est envoyé à la surface de la terre. L’énergie reçue sur le sol dépend de leurs caractéristiques. Parmi elles, citons la densité entre les particules, l’opacité du tas et la taille du tas de particule.
Obtenir le plus de luminosité
Maintenant qu’on connaît ces informations, nous allons les attribuer afin de déterminer l’orientation et l’inclinaison pour installer des panneaux solaires. Pour maximiser le rendement des panneaux, il suffit de connaître la direction des rayonnements selon le cas. L’angle de frappe du rayonnement solaire nous permet d’avoir différent angle d’inclinaison intéressant. Le but sera alors de trouver la position idéale pour mettre en place des panneaux et recevoir le maximum de rayonnement solaire. On détermine alors parmi les trois types de rayonnement lequel est le plus lumineux.
A travers la figure précédente, on remarque que pour le premier panneau, le rayonnement le plus puissant est le rayonnement direct. Ainsi le panneau est tangent au rayonnement direct. Dans ce cas, on choisi un angle d’orientation et l’inclinaison en fonction de la position directe du soleil. Pour le second panneau, le rayonnement direct est caché par un nuage et un autre est réfléchi par l’eau. L’eau est alors une source secondaire de lumière, d’où l’inclinaison vers l’eau du panneau. Le troisième panneau est parallèles aux nuages car les nuages répartissent les rayonnements et les renvoient perpendiculairement au sol.
Position idéale pour un panneau solaire
La position géographique et la météo jouent un rôle très important sur l’orientation et l’inclinaison du panneau solaire. Il est possible qu’au cours d’une même journée les rayonnements du soleil apparaissent à travers ces trois types.
Pour exploiter ces trois rayonnements, il est nécessaire de bien connaître l’orientation et l’inclinaison des installations solaires photovoltaïques. Ainsi, deux méthodes sont possibles : utiliser un panneau solaire fixe ou un suiveur solaire.
Suiveur solaire
Pour l’hémisphère Nord, l’orientation est bien sûr vers le Sud. Comme on a pu le découvrir précédemment, l’itinéraire du soleil est variable selon l’heure et la saison. Un suiveur solaire est un dispositif permettant de suivre le soleil à travers son itinéraire. Qu’il s’agisse de l’angle d’azimut ou l’élévation, il peut les maîtriser sur un maximum de deux axes. Il est pourtant à remarquer qu’elle dépense également de l’argent pour un système électromécanique supplémentaire. Ainsi, les questions sur l’inclinaison et l’orientation de l’installation solaire ne posent plus problème.
En comparaison avec un système fixe, le suiveur solaire permet d’avoir pendant plus de cinq heures l’énergie maximale par rapport à deux pour un panneau fixe. Il y a donc plus électricité produite. Mais, la position du système photovoltaïque le plus rentable est le mécanisme basé sur une seule rotation. Il devrait alors bouger en fonction de l’azimut.
Panneau solaire fixe
Pour un panneau solaire fixe, l’objectif est alors de définir l’orientation et l’inclinaison idéale. En analysant le potentiel solaire en maîtrisant les heures d’ensoleillement, on peut obtenir une moyenne sur l’angle d’azimut. L’heure où le soleil fournit le maximum d’énergie est entre 11 heures à 13 heures. On cherche l’angle durant cette période pour l’élévation.
Selon la saison, l’élévation varie comme nous l’avons vu dans la figure 2. Pour choisir cet angle, on choisit alors la moyenne entre l’élévation pour le solstice d’hiver et celui de l’été. Ainsi l’orientation et l’inclinaison de l’installation solaire dépendra énormément de la situation géographique et de la météo. Nous vous recommandons alors de réaliser les études de votre future installation photovoltaïque avec Bauer Energie.
