CURIOSITES  

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5) ORIENTATION DES PANNEAUX SOLAIRES

Tout, ou presque, a déjà été dit à propos des panneaux, ou capteurs, solaires, thermiques ou photovoltaïques, qui servent à capter l'énergie rayonnée par le soleil. De tels dispositifs, tels décrits sur "www.zenit.fr", sont utiles là où l'ensoleillement est important et aussi là où le réseau EDF ne parvient pas encore. Nous proposons, peut-être d'une façon inédite, de montrer comment orienter un panneau solaire pour capter un maximum de puissance tout en mettant en oeuvre un système de positionnement relativement simple.

Il est bien connu que l'énergie solaire captée correspond à la somme d'un rayonnement direct, associé aux rayons solaires, donc par beau temps, et d'un rayonnement diffus, qui existe donc même en présence de nuages, lorsqu'il fait jour. Le rayonnement direct, par beau temps, est associé à une puissance beaucoup plus élevée que le rayonnement diffus. Dans ce qui va suivre, nous ne nous intéressons que au rayonnement direct.

5.1 Définition du paramètre "Rendement de positionnement"

La figure ci-dessous montre un panneau (en bleu) qui capte le rayonnement solaire (rayons lumineux en rouge). Le panneau bleu capte la même puissance qu'un autre panneau (en noir), perpendiculaire aux rayons lumineux, bien que le panneau noir soit plus petit.

 Ceci nous conduit à définir un paramètre R, le rendement de positionnement du panneau bleu, qui exprime la puissance captée par le panneau bleu pour une position donnée par rapport aux faisceaux lumineux, en pour cents par rapport à la puissance maximale qu'il pourrait capter dans les même conditions de rayonnement. En d'autres termes,

R = COS ø

avec  ø l'angle entre la direction des rayons lumineux (en rouge) et la normale au panneau bleu.

L'angle ø est parfois appelé "angle d'attaque": voir par exemple http://soleili.free.fr/ 

On comprend que la situation idéale, en termes de rendement de positionnement correspond à ø = 0. Mais le soleil se déplace continuellement. Ainsi, dans une situation idéale, le panneau doit également se déplacer  de façon a assurer  en permanence la condition ø = 0. Des dispositifs , qui asservissent le panneau à la position du soleil, existent, mais nous pensons à un dispositif moins complexe en répondant à la question suivante:

Comment assurer un  positionnement fixe du panneau qui assure, au cours du temps, des valeurs de R qui soient les plus proches possibles de 100 %?

5.2 Calcul de R 

 Éventuellement, vous pouvez sauter ce paragraphe et passer au paragraphe 5.3.

On a compris que R est le produit scalaire des vecteurs unitaires des directions "rayons lumineux" et "perpendiculaire au panneau bleu" soit

Cos ø = x1*x2 + y1*y2 + z1*z2     (5.2.1)

avec x1,y1,z1 et x2,y2,z2 respectivement les cosinus directeurs des vecteurs correspondants.

x1=cos h1*sin a1; y1= cos h1*cos a1; z1= sin h1   (5.2.2)

x2=cos h2*sin a2; y2= cos h2*cos a2; z2= sin h2   (5.2.3)

avec a1, h1 et a2, h2 respectivement les angles azimuts et hauteurs des vecteurs unitaires associés aux rayons du soleil et à la normale au panneau solaire. Le trièdre de référence a pour axes OX tangent au parallèle du lieu dirigé vers l'Ouest, OY tangent au méridien vers le Sud et OZ vers la verticale du lieu.

A partir des relations (5.2.1), (5.2.2) et (5.2.3), on peut calculer R à tout moment pour diverses orientations du panneau solaire, mais uniquement lorsque, par beau temps, le soleil est présent. Ainsi, en zone montagneuse ou en ville, il faut connaître les moments de la journée où une ombre cache le soleil ("ombre des montagnes" ou "urban canion"). Pour cela, on applique au préalable la méthode décrite dans le premier chapitre de ce site:1) Introduction-soleil et ombres . En particulier, l'exemple de loi horaire du soleil (a1 et h1  fonction du temps), donné dans le chapitre 1  de ce site, est valable dans les Hautes-Alpes et dans un rayon d'au moins une centaine de kilomètre. La méthode donnée par le Bureau des Longitudes, développée sur ce site, s'applique facilement à d'autres lieux. Par ailleurs, on introduit dans ce calcul de R les azimut a2 et hauteur h2 de la normale au panneau solaire pour les positionnements considérés du panneau.

 Ainsi, pour calculer les valeurs moyennes de R, on ne prend en compte que les valeurs de R aux instants où le soleil (par beau temps) est apparent,  par exemple toutes les heures, chaque mois de l'année ou, dans une première estimation, un jour par mois de l'année.

L'étude peut se conclure par une optimisation de la méthode: prenant en compte un grand nombre de cas possibles d'orientations.

Nous donnons ci-dessous un premier résultat de cette méthode.

5.3 CALCUL DE R, RENDEMENT DE POSITIONNEMENT, DANS LE CAS D' UN VILLAGE DE MONTAGNE:

Ce facteur dépend à la fois de la loi horaire du soleil et du profil des crêtes montagneuses, qui cachent le soleil à certains moments. Ainsi, le calcul de R doit être refait en fonction du lieu. 

 Le cas particulier que nous traitons est celui de Dormillouse (commune de Freissinières, Hautes-Alpes).

Nous rappelons d'abord le diagramme d'ensoleillement en un point de ce hameau: les heures de lever et coucher du soleil (heure d'hiver) en fonction du jour de l'année.

Heures de lever et coucher du soleil à Dormillouse-Romans au cours de l’année (heures d’hiver).

Ensuite, on calcule les valeurs de R moyen pour différentes orientations du panneau, en ne considérant que les moments où, par beau temps, le soleil est apparent. Les résultats que nous obtenons sont rassemblés sur le tableau suivant.

Cependant la méthode que nous proposons a l'avantage du quantitatif.

Pour conclure, nous déduisons de ce tableau les orientations du panneau solaires que nous conseillons de retenir à Dormillouse

Vous pouvez me contacter si vous avez un problème de ce type à résoudre pour un autre lieu.

5.4 CALCUL DE R EN PLAINE; COMPARAISON DES MODES DE POSITIONNEMENT

Le problème est ici plus simple car la solution obtenue, ne dépendant plus du relief, sera valable pour un territoire beaucoup plus étendu, au moins de plusieurs centaines de kilomètres carrés.

Nous nous plaçons dans les même conditions géographiques et utilisons à nouveau les loi horaires présentées dans le premier chapitre de ce site: latitude 44° 45', longitude -6° 30', dans le Sud-Est de la France.

Rappelons que ce diagramme donne la loi horaire du soleil au premier semestre (h1 fonction de a1tous les 1°, 10, 20 de chaque mois, du 1° janvier au 10 juin). Les heures indiquées sont "Universal time" (ajouter 1 heure pour l'heure d'hiver, 2 heures pour l'heure d'été). Vous pouvez aussi raisonner sur le diagramme du deuxième semestre situé en début de ce site.

Successivement, nous considérons un, puis deux positionnements du capteur solaire.

SIMPLE: Généralement, le capteur "vise" le milieu de la trajectoire du soleil, vers le Sud.

 Les cercles bleu et rouge correspondent à R= 90% lors des deux périodes précitées. Ainsi, vers le 1° mars, R est supérieur à 90% entre 12 h 15' et 15 h 15' (heure d'hiver). Hors de ce créneau, R est inférieur à 90%, mais il varie d'abord lentement (comme un cosinus). R est donc souvent relativement important. C'est la raison pour laquelle les constructeurs prêtent assez peu d'intérêt aux problèmes d'orientation des panneaux: dans tous les cas, les batteries se chargent toujours un peu. On peut cependant, et c'est notre but, optimiser la réception de l'énergie solaire. Disons pourtant que pour a1<-90° et a1>90°, pratiquement aucune énergie n'est reçue, alors que -dans notre cas- l'été le soleil est encore présent.

Le calcul de R à différents moments de l'année, nous donne, dans ces conditions, des valeurs  comprises entre 54% et 74%, soit une moyenne sur l'année de R=59%, ce qui n'est déjà pas si mal avec un système aussi simple.

Voyons comment améliorer ce résultat au moyen d'un double positionnement (par exemple le matin et l'après-midi.

DOUBLE POSITIONNEMENT:

Pour améliorer le rendement de positionnement, on peut "viser" non un point de l'espace, mais deux, l'un plutôt vers l'Est le matin, l'autre vers l'Ouest l'après-midi. Il s'agit de compenser les moments où, avec un seul positionnement, on ne reçoit aucune puissance alors que le soleil est présent.

La connaissance de la loi horaire du soleil, le diagramme précédent, aide au choix des valeurs de a2 et h2. Ainsi, nous choisissons des valeurs de a2 et h2 situés dans le diagramme

Le calcul de R à différents moments de l'année donne des valeurs comprises entre 80% et 93%, soit une moyenne sur l'année de 85%, ce qui est considérable.

5.5 CONCLUSION

Pour un panneau solaire fixe orienté au Sud et incliné approximativement au zénith, le rendement de positionnement est déjà voisin de 60%.

Le "double positionnement", tel que nous l'avons défini, amène ce rendement vers 85%. Cette réalisation est facile à réaliser, avec une horloge qui commande le basculement du panneau au milieu et en fin de journée.

Pour répondre à une question qui m'a été posée depuis la publication de ces résultats, on peut affirmer que, dans les cas considérés jusque ici, le passage du fonctionnement "simple positionnement " au fonctionnement "double positionnement" correspond à un gain de puissance de l'ordre de 40%.

Les conclusions émises ici concernent les pays tempérés. Serait-il intéressant d'envisager le cas de différentes latitudes?

Le cas des régions montagneuses nécessite un examen au coup par coup, compte tenu du profil des crêtes.

Si vous souhaitez discuter, appelez-moi sur serre.mouttet@wanadoo.fr , j'essaierai de vous répondre dès que possible.

© Y.Leroy             Dernière mise à jour le 10 juin 2005.