Orientation et inclinaison
L’énergie solaire est l’une des énergies renouvelables les plus fiables. Par ailleurs, l’énergie solaire est produite durant un certain laps de temps. On dit alors qu’elle est intermittente car on ne peut la produire que de jour. On se pose alors la question : Comment profiter au maximum de l’énergie solaire ? Le moyen le plus courant est de manipuler l’inclinaison et l’orientation de l’installation solaire.
Itinéraire apparente du soleil
L’itinéraire du soleil est la vision qu’on peut avoir à partir d’un point de référence. Dans notre cas, prenons comme référence le Luxembourg. Il peut être représenté par un point vu de l’espace. La Terre tourne autour du soleil et si on se positionne au 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
La journée la plus longue ou la plus courte est le solstice. En fonction de l’hémisphère dans lequel on se trouve, le solstice est celui d’hiver ou d’été. La journée est de même durée que la nuit pour l’équinoxe du printemps ou d’automne. Les différences entre la durée du jour et de la nuit s’expliquent par l’inclinaison de l’axe de la Terre. A travers cette figure, on prend le soleil comme référentiel. Il est à rappeler que la Terre tourne autour d’elle-même. En conséquence, l’angle par rapport à l’axe de l’ellipse (flèche en vert) du point (Luxembourg) varie chaque instant.
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 et l’énergie solaire. On se place alors sur notre point. Comme le point de référence est un pays, prenons un lieu quelconque. En observant l’itinéraire apparent du soleil le long d’une année, on obtient la figure suivante. Il sera ensuite nécessaire d’analyser l’inclinaison et l’orientation de l’installation solaire.
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 certains détails sur les deux journées. L’itinéraire du soleil est le plus court le solstice d’hiver bien que le plus long le solstice d’été. Pour approfondir ce phénomène nous vous encourageons à lire attentivement notre ressource sur la « Maîtrise des heures d’ensoleillement ».
Technologie des panneaux solaires
Pour aller plus loin, commençons par la technologie des panneaux solaires.
Fonctionnement d’un panneau solaire
Un panneau solaire est un dispositif visant à transformer l’énergie du rayonnement solaire en électricité. Un panneau solaire est un ensemble de cellules solaires 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. Schématiquement dans une cellule solaire, au contact des rayonnements, des électrons 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 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 le panneau perpendiculairement au soleil. La réflexion est toujours existante mais réduite. Son taux peut également être réduit 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. Pour un panneau solaire, ce chiffre est en moyenne entre 25% à 30%.
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’inclinaison et l’orientation de l’installation solaire.
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 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 pour déterminer l’inclinaison et l’orientation de l’installation solaire. Pour maximiser le rendement il suffit de connaître la direction des rayonnements selon le cas. Selon le type d’angle de frappe du rayonnement solaire, on peut avoir différent angle d’inclinaison. Le but est toujours de 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 a alors un angle d’inclinaison et d’orientation 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 parallèle 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’inclinaison et l’orientation de l’installation solaire. 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. En contrepartie, il dépense une partie de ce gain, ce qui pousse à énoncer des études. Elles ont poussé à démontrer que le plus rentable est le mécanisme basé sur une seule rotation. Il devrait alors bouger en fonction de l’azimut. Par ailleurs, dans le but de rendre les dépenses toujours plus légers, il est idéal pour une exploitation de masse.
Panneau solaire fixe
Pour un panneau solaire fixe, l’objectif est alors de définir l’inclinaison et l’orientation idéales. 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.
On obtient ainsi que généralement durant ces heures le soleil est au zénith. Selon la saison, l’élévation varie comme 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.
