L'énergie du soleil

Voici quelques infos utiles sur le rayonnement solaire pour comprendre son importance dans l'installation de panneaux solaires.

Géométrie terre soleil

La Terre décrit une trajectoire elliptique autour du soleil. De plus, la Terre est légèrement inclinée de 23°27' par rapport au plan de l'orbite terrestre. Cette trajectoire elliptique et l'inclinaison sont responsables des saisons. En effet, pendant l'été (juin-juillet-aout) l'hémisphère nord est plus proche du soleil que l'hémisphère sud, et inversement pendant l'hiver, c'est pour cela que les saisons sont inversées entre le nord et le sud.

La trajectoire du soleil, du point de vue d'un observateur situé à la surface de la Terre, dépend de la latitude et de la longitude. On peut définir la position du soleil par 2 angles : son azimut alpha et sa hauteur angulaire h.

Trajectoires du soleil à une latitude de 43°

Caractéristiques du rayonnement

Le rayonnement du soleil est la principale source d'énergie disponible sur terre. Lorsque les rayons du soleil arrivent sur Terre, ils ont traversé l'atmosphère, ils ont donc perdu en intensité. On appelle Air mass, le rapport entre l'épaisseur traversée à la verticale du lieu et l'épaisseur d'atmosphère traversée par le rayonnement direct pour atteindre le sol.

Schéma Air-mass
a) Atmosphère   b) Terre

On a donc OM/OA=1/(sin(h))
Ce rapport est appelé "Air Mass"
Pour lire AM1, il faut comprendre OM/OA=1

Exemple:
- Soleil à 30° : AM2
- Soleil au zénith : AM1

Par convention, AM0 est le rayonnement solaire hors atmosphère.

Le rayonnement solaire peut être décomposé en 3 composantes :
- Le rayonnement direct, qui est reçu directement du soleil
- Le rayonnement diffus, qui est constitué par la lumière diffusée par l'atmosphère
- L'albédo, qui est constitué par la lumière réfléchie par le sol. Il dépend de la nature du sol (la neige réfléchit plus les rayons que la végétation).

Rayonnement solaire

Pour le rayonnement direct, il faut prendre en compte l'effet cosinus. Lorque les rayons sont perpendiculaires à la surface alors le rayonnement est maximal. Lorqu'ils sont non perpendiculaires, ils irradient une plus grande surface, le rayonnement perçu est donc moins intense. C'est pour cela que les panneaux solaires sont inclinés afin de capter plus de rayonnement direct.

Effet cosinus

Au contraire, dans des zones qui ont un ciel très souvent couvert, le rayonnement diffus peut être plus important que le rayonnement direct, il est donc plus intéressant de mettre les panneaux solaires en direction de la voûte céleste.

Rayonnement solaire sur notre planète et en France

Le rayonnement solaire sur notre planète dépend fortement de l'atmosphère et de la zone géographique. Il est difficile de prévoir avec exactitude le rayonnement futur, mais à l'aide des bases de données météorologiques, il est possible d'avoir des statistiques d'ensoleillement. On distingue deux types de données, les cumulées et les instantanées.

- Le rayonnement cumulé
Le dimensionnement d'un système photovoltaïque est basé sur les moyennes mensuelles du rayonnement. Ces moyennes sont faites à l'aide du rayonnement global journalier (direct + diffus). Ces moyennes sont exprimées en Wh/m2.

- le rayonnement instantanné
On utilise ces données lorqu'un obstacle peut provoquer des ombrages. Il faut alors des données horaires pour estimer les pertes occasionnées par ces ombrages. Le relevé des ombrages s'appelle le masque solaire.

Rayonnement solaire dans le monde

Rayonnement solaire en France
kWh/m²/jour sur une surface inclinée d'un angle égal à la lattitude

On dispose alors de données permettant de prévoir la production d'électricité en fonction du rayonnement. On utilise pour cela un disque solaire propre à chaque latitude indiquant la puissance reçue en fonction de l'orientation et de l'inclinaison. On réalise aussi un masque solaire représentant les différents obstacles.