Physique du rayonnement solaire

Physique du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire

L’énergie solaire est à l’origine de presque toutes les formes d’énergies que l’on peut trouver sur notre planète. Cette énergie résulte de la fusion nucléaire qui s’opère au centre du soleil, où 4 atomes d’hydrogène fusionnent pour donner un atome d’hélium. L’énergie libérée se répand à la vitesse de la lumière et voyage à travers le système solaire puis l’univers sous forme de rayonnement électromagnétique constitué dephotons. La radiation solaire est caractérisée par des longueurs d’ondes courtes de 0.15 à 3 – 4 µm (Goyette, 2009).
Le soleil peut être considéré comme un corps noirveca une température de surface d’environ 5’900 K (Goyette, 2009). D’après la loi de Stephan-Boltzmann, l’énergie radiante émise par un corps noir est une fonction de la puissance quatrième de sa température. La puissance totale émise par le soleil peut ainsi être évaluéeà4 •1026 W (Guisan, 1982).
Tenant compte de la loi de la conservation de l’énergie dans l’espace, qui implique que « le total du flux émis par le soleil doit passer par la surface d’une sphère dont le soleil est le centre » (Ineichen, 2010), on peut alors déterminer la densité du flux d’énergie solaire reçu perpendiculairement au sommet de l’atmosphère (constante solaire). La valeur communément admise et figurant dans les tables est de 1’367 Wm -2 (Ineichen, 2010). Le transfert du rayonnement solaire jusqu’à la surface de la planèt e dépend ensuite de plusieurs paramètres : variations interannuelles du rayonnement, effets géométriques, effets de l’atmosphère et conditions météorologiques (Ineichen, 2010).

 Variations interannuelles du rayonnement solaire

Bien qu’aujourd’hui la constante solaire soit de 1’ 367 Wm-2, il n’en a pas toujours été le cas. Sur le long terme, des changements dans les paramètres astronomiques de la Terre impliquent des fluctuations de la quantité d’énergie captée par la Terre. Les cycles de Milankovitch permettent d’expliquer ces variations (Beniston, 2010). Trois paramètres orbitaux expliquent ces cycles : modification de l’orbite de la Terre par rapport au Soleil, variation de l’inclinaison de l’axe de la Terre par rapport à l’ écliptique et précession astronomique. Ces changements dans les paramètres orbitaux ont des périodicités respectives de 100’000, 40’000 et 23’000 ans et impliquent une fluctuation de l’énergie solaire interceptée par la Terre au sommet de l’atmosphère de +/- 5% (Beniston, 2010).Un autre facteur qui explique la variation interannuelle du rayonnement solaire est lié aux cycles des taches solaires. « Ces taches correspondent à des zones du soleil où les températures sont plus basses que la température moyenne à la surface (…), mais où le magnétisme est nettement plus intense» (Beniston, 2009, p.49). Dès lors, plus il y a de taches solaires, plus l’irradiance solaire est forte. Ces taches solaires ont des cycles d’activités de 11,

Effets géométriques – variabilité spatio-temporelle du rayonnement solaire

Bien que l’énergie solaire soit disponible sur l’ensemble du globe, néanmoins elle n’est pas distribuée de manière égale spatialement et temporellement. La variabilité spatiale et temporelle de la ressource résulte d’effets géométriques. :
• L’ excentricité de la trajectoire de la terre autour du soleil a pour conséquence une variation de la distance Terre-Soleil comprise entre 1.471 • 1011 mètres (périhélie – 3 janvier) et 1.521 • 1011 mètres (aphélie – 4 juillet) (Goyette, 2009). Cettevariation de la distance Terre-Soleil implique une variation du rayonnement extra-atmosphérique de +/-3.4%.
• L’ inclinaison de l’axe de la terre de 23.4° par rapport à l’écliptique (plan de la trajectoire autour du soleil) explique la variabilité saisonnière de la ressource solaire (Ineichen, 2010). Ceci implique qu’en hiver, dans l’hémisphère nord, la densité du rayonnement solaire est plus faible puisque le soleil est plus bas sur l’horizon. De plus, les journées étant moins longues, la durée d’ensoleillement est plus courte. C’est l’inverse qui se produit en été.
• La rotation de la terre sur elle-même détermine la variabilité journalièrede la ressource solaire. C’est à midi solaire que le sole il atteint son point le plus haut dans le ciel et donc que le rayonnement solaire est le plus intense.

Effets de l’atmosphère – appauvrissement du rayonnement solaire

Lorsqu’elle pénètre dans l’atmosphère, la radiation solaire subit plusieurs effets qui appauvrissent la quantité de rayonnement parvenant à la surface de la planète. Ces effets déterminent la transmissivité atmosphérique. Ainsi,le rayonnement solaire peut être transmis directement jusqu’au sol, mais il peut également être réfléchi en dehors de l’atmosphère, absorbé par celui-ci ou encore être diffusé dans utesto les directions.L’atmosphère n’absorbe pas dans toutes les longueurs d’ondes du spectre solaire. Seules certaines portions du spectre sont partiellement ou totalement absorbées par la vapeur d’eau principalement, mais également par d’autres gaz présents dans l’atmosphère : dioxyde de carbone, ozone (surtout pour l’ultraviolet) et méthane notamment. La diffusion dépend de la taille des particules frappées par le rayonnement solaire. Les principaux éléments qui impliquent une diffusion du rayonnement sont les molécules d’air (diffusion de Rayleigh), les aérosols et les gouttelettes d’eau présentes dans esl nuages (diffusion de Mie).
Le rayonnement solaire transmis directement à la su rface de la terre est appelé rayonnement direct. Le rayonnement diffusé est communément appelé rayonnement diffus. La somme des deux rayonnements donne le rayonnement solaire global qui parvient à la surface après avoir traversé l’atmosphère.

La ressource solaire

Les conditions météorologiques, particulièrement lacouverture nuageuse, ont un impact important sur la transmissivité atmosphérique et sur le rapport rayonnement diffus/rayonnement global. En effet, les nuages diffusent le rayonnement solaire dans toutes les directions y compris vers l’espace et, ainsi, appauvrissent le rayonnement solaire qui parvient au sol. Dès lors, entre un ciel clair et un ciel très nuageux, la puissance du rayonnement solaire à la surface peut varier d’un f acteur 10. Il y a ainsi un lien direct entre le nombre d’heures d’ensoleillement et le rayonnement solaire global à la surface.En plus de la diffusion et de l’absorption par différents constituants de l’atmosphère, l’appauvrissement de la radiation solaire va encore dépendre de la quantité d’atmosphère traversée par le rayonnement solaire. Cette dernièr dépend principalement de l’angle d’incidence des rayons. Elle détermine la masse optique (Goyette, 2009). Ainsi, si le soleil est bas sur l’horizon, la radiation traverse une épaisseur d’atmosphère plus grande que s’il est haut dans le ciel.

La ressource solaire à Genève

Plusieurs stations mesurent le rayonnement solaire dans la ville de Genève. Depuis 1990, l’Université de Genève récolte des séries de mesureà la station de la Jonction au centre-ville (Latitude 46.199°N, longitude 6.131°E, altitude 420 m). Différents paramètres y sont mesurés parmi lesquels le rayonnement solaire global, direct et diffus sur plan horizontal. Le rayonnement solaire global annuel moyen sur la période 2003-2009 est de 1’297 kWh/m2 par an, soit 3.55 kWh/m2 par jour en moyenne (Groupe Energie de l’Université de Genève). La dynamique mensuelle de l’irradiance peut également être observée (Figure 3).En juillet, le rayonnement solaire global atteint 189 kWh/m2, ce qui correspond à une irradiance moyenne journalière de 6.1 kWh/m2 par jour. En décembre, le rayonnement solaire global sur l’ensemble du mois est de 25 kWh/m 2, soit 0.8 kWh/m2 par jour. La variation été (juin, juillet, août) – hiver (décembre, janvier, février) est relativement importante, d’un facteur 4.5 environ. On peut aussi observer la variation de la proportion de rayonnement diffus par rapport au rayonnement global. De manière générale, la proportion de rayonnement diffus est plus importante en hiver qu’en été. Au mois de janvier, celle-ci est de 60% tandis qu’au mois de juin elle est de 35%. La moyenne annuelle de la proportion de rayonnement diffus sur la période 2003-2009 se situe à 43%.Les mesures présentées ci-dessus caractérisent leayonnementr solaire global à la surface sur un plan horizontal. Or, les toits peuvent être plats ou inclinés. Dès lors, le rayonnement solaire varie selon l’inclinaison et l’orientation du plan. A Genève, la surface optimale est orientée plein sud avec une inclinaison de 30° (NET Nowak En ergie & Technologie AG, 2004). C’est avec ces caractéristiques que l’irradiance annuelle y est maximale. Sur le tableau suivant (Tableau 2), le rayonnement solaire global est donné en termes relatifs pour douze orientations en pas de 30° et dix inclinaisons en p as de 10°. Le 100% correspond à l’irradiance annuelle maximale.Sur le tableau d’après (Tableau 3), le rayonnement solaire est donné en valeurs absolues à partir de la valeur moyenne mesurée à la Jonction sur la période 2003-2009 sur un plan horizontal. L’obstruction n’est pas prise en compte . La valeur optimale est alors de 1’457 kWh/m2 par année pour un plan incliné à 30° et orienté plein sud. Il est intéressant de noter que pour un même décalage vers l’est ou l’ouest et pour une inclinaison donnée, la quantité d’énergie reçue est identique.Les deux figures précédentes concernent le rayonnement solaire annuel, pour lequel l’inclinaison optimale est d’environ 30°. En revanc he, pour une saison spécifique, l’inclinaison optimale est différente. Ainsi, en hiver, l’inclinaison optimale sera plus importante dans la mesure où la trajectoire apparente du soleil dans le ciel est plus basse. Ce paramètre est à prendre en compte selon les types d’installations solaires voulus. Sur la figure suivante (Figure 4) sont comparés le rayonnement solaire global mensuel sur un plan horizontal et le rayonnement solaire global mensuel sur le plan d’inclinaison optimal de 30° orienté sud. En été, la surface horizontale reçoitdavantage de rayonnement que le plan incliné à 30°, alors qu’en hiver c’est le contraire. Toutef ois, la moyenne annuelle de l’énergie reçue est plus importante pour le plan incliné à 30°.

Les méthodes d’évaluation existantes au niveauterritorial

Comme cela a été énoncé dans le chapitre introductif, plusieurs approches permettent l’évaluation du potentiel solaire. La méthode présentée dans ce travail est basée sur les Systèmes d’Information Géographique (GIS). Elle utilise l’outil areasolarradiation (cf. 2.4) pour calculer le rayonnement solaire global sur un territoire. Des études utilisant une approche GIS à l’échelle d’un quartier ou d’une com mune ont déjà été effectuées. Bien qu’encore peu nombreuses, elles se développent rapidement (Dean et al., 2009).Cette étude s’inspire en partie de trois méthodes utilisant les GIS : la méthode développée par J. Faessler (2010), celle développée par M.C. Britoet al. (2011) et celle développée par C. Carneiro et al. (2009a, 2009b). Les deux premières se basent sur l’outil areasolarradiation pour évaluer le potentiel solaire PV. Les résultatsy sont exprimés en valeurs annuelles. La principale différence réside dans le fait que la méthode de J. Faessler détermine des surfaces mobilisables en excluant les superstructures ainsi que les surfaces trop peu irradiées, alors que la méthode de M.C. Brito et al. n’en tient pas compte. La dernière méthode, celle de C. Carneiro et al., est plus complexe et consiste, pour déterminer le rayonnement solaire sur les toitures, à reconstruire par interpolation un modèle urbain de surface 2.5D à partir de données LIDAR (Light Detection and Ranging) et d’une couche vectorielle 2D représentant l’emprise au sol des toits dérivée d’un modèle urbain 3D. Uneprocédure de segmentation permet de définir plus précisément la pente et l’orientationdes toits. Ensuite, une sélection des toits est effectuée selon plusieurs critères (surface minimale, pente maximale, orientation). Finalement, à partir des formules liées à la géométrie solaire, le rayonnement solaire pour diverses inclinaisons et orientations est déterminé.Les calculs sont effectués pour les douze journées représentatives des moyennes mensuelles.

Description de l’outil areasolarradiation

Dans ce travail, l’outil d’analyse spatiale areasolarradiation du logiciel ArcGIS est utilisé pour évaluer le rayonnement solaire global sur un espace géographique et pour une période de temps donnés (Fu et Rich, 1999). Il s’agit d’un modèle qui dérive l’irradiance solaire à partir d’un modèle numérique de surface (MNS) en fonction de différents paramètres. Le rayonnement solaire global sur chaque cellule du MNS est modélisé à partir de calculs complexes liés à la physique du rayonnement solaire (cf. annexe 1).La méthode de calcul de l’outil se base dans un premier temps sur la génération, pour chaque pixel du MNS, d’une projection stéréographique représentant la voûte céleste vue du sol en regardant vers le haut. Ceci permet de déterminer la portion de ciel visible depuis chaque pixel. Le calcul du bassin visuel est effectué en déterminant, dans différentes directions, l’angle maximum des masques obstruant le ciel et l’ angle de l’horizon. Il en résulte une image raster circulaire (Figure 5) sur laquelle chaque maille a une valeur qui correspond à un ciel obstrué (pixel gris) ou visible (pixel blanc). La position de chaque maille est fonction de l’angle zénithal et de l’angle azimutal. A titre illustratif, l’image générée est superposée à une photographie du ciel vue du sol avec un objectif fish-eye (Figure 5).Dans un deuxième temps, afin de déterminer le rayonement solaire direct pour chaque pixel, un diagramme solaire organisé dans le même systèmede projection hémisphérique que l’image générée précédemment est utilisé et combinéaubassin visuel de la voûte céleste. Ce diagramme représente la trajectoire apparente du soleil dans le ciel en fonction du temps et de la latitude (Figure 7). La position du soleil est déterminée par un angle azimutal et un angle zénithal. Ce diagramme est segmenté en différentsecteurs « définis par la position du soleil à plusieurs intervalles durant le jour (heures) et l’année (jours ou mois) » (ESRI, 2011). La configuration des paramètres de temps et de latitude vont déterminer le diagramme solaire et ses secteurs. Pour chaque secteur, le rayonnement solaire direct est calculé à partir des équations relatives à la physique du rayonnement solaire, en tenant compte de la pente et de l’orientation de la surface. En superposant à ce di agramme solaire le bassin visuel du ciel, la somme du rayonnement direct peut être calculée.
Dans un troisième temps, il faut pouvoir déterminerla quantité de rayonnement solaire diffus qui arrive sur chaque pixel. Pour ce faire, une carte du ciel hémisphérique est calculée, divisée en plusieurs secteurs (Figure 6). Pour chacun de ces secteurs, définis en fonction d’angles zénithal et azimutal, le rayonnement diffus est calculé. Cette carte du ciel est dans la même projection que l’image du bassin visuel et que le diagramme solaire.Finalement, en superposant le bassin visuel au diagramme solaire et à la carte du ciel, le rayonnement solaire direct et diffus provenant des différentes portions du ciel peuvent être déterminés (Figure 8). Dès lors, par addition, on btiento le rayonnement solaire global. Afin d’obtenir une carte d’irradiance, ce calcul est eff ectué pour chaque pixel du MNS en input.

Table des matières

1 INTRODUCTION GENERALE
1.1 Contexte général et problématique
1.2 Définition du potentiel solaire
1.3 Objectifs
1.4 Méthodologie de travail
1.5 Caractéristiques des filières solaires
1.6 Présentation des deux territoires
2 LA RESSOURCE SOLAIRE
2.1 Physique du rayonnement solaire
2.1.1 Le rayonnement solaire
2.1.2 Variations interannuelles du rayonnement solaire
2.1.3 Effets géométriques – variabilité spatio-temporelle du rayonnement solaire
2.1.4 Effets de l’atmosphère – appauvrissement du rayonnement solaire
2.2 La ressource solaire à Genève
2.3 Les méthodes d’évaluation existantes au niveau territorial
2.4 Description de l’outil areasolarradiation
3 METHODE D’EVALUATION
3.1 Définitions
3.2 Importation des données géoréférencées
3.3 Evaluation de la ressource
3.3.1 Configuration des paramètres de l’outil areasolarradiation
3.3.2 Sélection des surfaces de toit mobilisables
3.3.3 Calcul du rayonnement solaire global sur les surfaces mobilisables
3.3.4 Synthèse de la partie évaluation de la ressource
3.4 Evaluation du potentiel de production énergétique
3.4.1 Calcul du potentiel PV
3.4.2 Calcul du potentiel thermique pour l’ECS
3.4.3 Calcul du potentiel PV avec capteurs thermiques pour l’ECS
4 RESULTATS ET ANALYSES
4.1 Structures des attributs de chaque bâtiment
4.2 Synthèse des résultats par zone d’étude
4.3 Partie ressource
4.3.1 Analyse de sensibilité
4.3.2 Analyse comparative des surfaces mobilisables
4.3.3 Rayonnement solaire sur les surfaces mobilisables
4.4 Scénario 1 : Potentiel PV
4.5 Scénario 2 : Potentiel PV et thermique pour l’ECS
4.5.1 Potentiel thermique pour l’ECS
4.5.2 Potentiel PV avec capteurs thermiques pour l’ECS
5 MISE EN PERSPECTIVE ET DISCUSSION
5.1 Comparaison des deux scénarios
5.2 Comparaison avec d’autres méthodes
5.3 Les limites de l’approche
CONCLUSIONS GENERALES
BIBLIOGRAPHIE
TABLE DES FIGURES
TABLE DES CARTES
TABLE DES TABLEAUX
ANNEXES

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