07/10/2015. Module : Irradiation Solaire. Le Soleil. La puissance dégagée par le soleil

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1 Ecole Supérieure de Technologie de Salé Systèmes Photovoltaïques raccordés au réseau électrique destinée aux Doctorants Marocains des filières photovoltaïques Université Mohammed V -Rabat Ecole Supérieure de Technologie de Salé Module : Irradiation Solaire Professeur: Najma LAAROUSSI lnajma@outlook.fr Octobre Caractéristique du soleil valeur Constitution Hélium (74%), Hydrogène (24%) masse Diamètre moyen 1, kg 1, m masse volumique moyenne 1410 kg/m 3 puissance rayonnée température superficielle Distance / Terre 3,85 l0 26 W 5770 K Le Soleil km Symbole Noyau de réactions thermonucléaires,il rayonne comme un corps noir dont la température de surface est de 5770 K 3 L éclairement sur terre, hors atmosphère (constante solaire) vaut 1367 W/m 2. La puissance dégagée par le soleil Loi de Stefan-Boltzmann La puissance dégagée par un astre est proportionnelle à sa température de surface à la puissance 4. P dégagée = S σ T 4 S : l aire de l astre σ Constante de Stefan Boltzmann 5, W m 2 K 4 Aire de la surface du Soleil S = 4πR 2 R = m ( ) Température du Soleil T = 5778 K ( ) 5505 C P dégagée 3, W (385 millions de milliards de milliards de Watts) Fournit par les astrophysiciens de Cornell University Température effective fournit par la NASA Heureusement que la terre ne reçoit pas toute cette énergie!! 4 1

2 L intensité du rayonnement au niveau de la Terre Spectre normalisé du soleil à 1,5 Air Mass Quelle est l intensité par m² du rayonnement au niveau de la terre? C est la puissance du soleil / l aire de surface de la sphère de rayon Terre-soleil Intensité Terre = 3, π W/m² Air Mass ou masse d air : quantité d atmosphère terrestre traversée par la lumière pour atteindre l observateur Rayonnement solaire par temps clair L intensité c est des Watts sur un m², alors que je veux connaitre la puissance totale reçue par la surface de la terre. On considère que le rayonnement solaire intercepté par la terre est équivalent à un disque de même rayon que la terre et qui ferait face au rayonnement. La puissance captée par la terre = l intensité au niveau de la terre Aire du disque de rayon terreste avec R terre= 6371 km π = 17, W (P dégagée_soleil 3, W ) C est la puissance captée par la terre avant de traverser l atmosphère (Air Mass 0). Air Mass!!! 5 Plus AM est grand et plus l atténuation est forte 6 L énergie reçue au sol Rayonnement solaire dans le monde en KWh/m²/An Quelle est la puissance à la surface de la terre? inconnu Presque la moitié du rayonnement initial est : soit absorbé, soit réfléchi 8, W atteignent la surface de la terre. Avec seulement 29% du globe qui est constitué de continents 2, W atteignent le sol. Energie annuelle reçue par les continents=2, MWh Pourquoi l être humain s intéresse à cette énergie «solaire»? Elle est inépuisable et elle représente 1400 fois la consommation annuelle mondiale, alors que les autres énergies ne font que diminuer (le gaz, le pétrole et le charbon) 7 8 2

3 Irradiation solaire au Maroc Ensoleillement marocain annuel (Kwh/m 2 /an) Avec plus de 3000h/an d ensoleillement, soit une irradiation de 5,5 kwh/m 2 /j. Le Maroc jouit d un gisement solaire considérable (moyenne équivalente à l Europe du sud). Le Maroc dispose d un gisement solaire annuel énorme, et très convenable pour l implantation des différents types des systèmes de production d électricité d origine solaire, (1) Source : Météorologie nationale (1) Irradiation solaire de quelques villes au Maroc en KWh/m 2 /J Période de révolution annuelle de la Terre Pourquoi le rayonnement solaire n est pas uniforme au sol? La densité du flux solaire dépend de la période de l année, de l heure, de la localisation (longitude, latitude) et des conditions atmosphériques ( météo) et du sol ( albédo). Mouvement de la terre autour du soleil Comment peut-elle dépendre de la période (Saisons)? L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la Terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est l'angle entre le plan de l'équateur et la direction terre - soleil. Elle varie entre ' au solstice d'été à ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale. 12 3

4 Saisonnalité terrestre Densité de flux solaire & localisation 21 Juin Pôle Nord incliné vers le soleil La surface est plus petite dans l hémisphère nord pour un rayonnement de même taille (il fait plus chaud au pôle nord) Eté au pôle nord et l hiver au pôle sud Le jour se lève d abord dans l hémisphère nord, puis à l équateur et enfin dans l hémisphère sud Pôle Nord incliné vers le soleil Il fait nuit d abord dans l hémisphère sud, puis à l équateur et enfin dans l hémisphère nord. Faisceau lumineux 1,4 m² 1 m² décembre PLANETE 90 1 m² 1 m² Pôle Sud incliné vers le soleil La surface est plus grande dans l hémisphère nord pour un rayonnement de même taille (il fait plus froid au pôle nord) Hiver au pôle nord et l été au pôle sud Plus on s approche des pôles et plus le rayonnement est rasant, donc la surface à couvrir par la puissance est plus grande La puissance par m² est plus réduite. La densité du flux solaire dépend de la période de l année, car suivant les saisons la quantité de rayonnement reçue change. 13 La nuit apparaît d abord dans l hémisphère nord, puis l équateur et enfin dans l hémisphère sud C est pour cette raison que les journées sont longues dans l hémisphère nord, courtes dans l hémisphère sud et durent 12h à l équateur. Pôle Nord incliné vers le soleil Il fait jour d abord dans l hémisphère sud, puis à l équateur et enfin dans l hémisphère nord. C est pour cette raison que les journée sont longues dans l hémisphère sud, courtes dans l hémisphère nord et durent 12h à l équateur La densité du flux solaire dépend de la localisation, car suivant le lieu (Longitude, Latitude), le rayonnement reçu par jour change. 14 Mouvement apparent du Soleil: hauteur et azimut Paramètres de position du Soleil Mouvement apparent du Soleil: hauteur et azimut Paramètres de position du Soleil - L azimut a : c est l angle que fait la direction de la projection du Soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud, cet angle étant orienté positivement vers l Ouest. - La hauteur h: du Soleil : c est l angle que fait la direction du Soleil avec sa projection sur un plan horizontal. 15 A midi solaire, l angle que fait la direction du Soleil avec la verticale du lieu est égal à (F ). La durée du jour est de 12h aux équinoxes, Elle est inférieure à 12h entre le 21 septembre et le 21 mars, Elle est supérieure à 12h entre le 21 mars et le 21 septembre. 16 4

5 Repérage du soleil dans le ciel Hauteur du soleil au zénith Pourquoi le rayonnement solaire dépend-il de l'heure? Le soleil se lève de l Est à l Ouest, entre le lever et le coucher du soleil, la distance traversée par la lumière n est pas la même. Comment calculer cette distance traversée par le spectre solaire? Avant de calculer la hauteur solaire, il faut connaître l'angle ω. ω = π 12 TST 12 rad TST = ω π [h] 12h00 Si ω = 45, quelle heure est-il? 45 = π 4 TST = ω π = 9h 17 H (12 h solaire) = 90 - déclinaison du jour j latitude 18 Orientation Rayonnement Solaire 5

6 Rayonnement Solaire au sol Transmission du rayonnement solaire à travers l atmosphère Energie solaire incidente Le rayonnement solaire avec, I 0, la constante solaire moyenne hors atmosphère égale à 1367 W.m -2 n j, le numéro de jour dans l année. n j = 1 pour le 1er Janvier. n j = 365 pour le 31 Décembre Le rayonnement solaire Energie solaire incidente-notion de masse d air Effets atmosphériques sur le rayonnement La compatibilité en tension Trouble de Link Trouble atmosphérique d un ciel clair (pas de nuages) dû à la vapeur d eau, de la brume, de la poussière

7 Rayonnement Solaire au sol Carte de l albedo Remarque: Le rayonnement réfléchi est souvent intégré dans celui du rayonnement diffus. Autrement dit l'appellation diffus désignera le rayonnement diffus plus le réfléchi Effets atmosphériques sur le rayonnement Direct / Diffus quèsaco? La compatibilité en tension La météo La compatibilité en tension Effets atmosphériques Le rayonnement solaire reçu par une surface inclinée (Rayonnement Global), c'est la somme des composantes directes, diffuses et réfléchies. C est quoi? La composante directe (Beam) : rayonnement reçu directement du soleil La composantes Réfléchie : rayonnement reçu par le sol, il dépend du type de sol (Albedo) La composantes Diffus : rayonnement reçu par le reste de la voûte céleste Rayonnement réfléchi Rayonnement absorbé Remarque : si la surface est horizontale, le rayonnement réfléchi est nul Valeur type d albédo : Direct Direct + diffus Diffus 0,5 Champ cultivé, Bitume 0,20 Terre labourée, Pavés, Cailloux, Pierre 0,25 Sable sec, Prairies, Herbages, Sol ciment, Graviers 0,30 Désert, mer 0,60 neige ancienne 0,80 Neige fraiche, Peinture blanche, Chaux, Plâtre blanc sec hmf.enseeiht.fr W/m² 28 7

8 Le gisement solaire Energie solaire incidente proportion direct / diffus Rayonnement incident à Rabat 0 sud / plant horizontal Le gisement solaire Energie solaire incidente proportion direct / diffus Le gisement solaire Energie solaire incidente proportion direct / diffus Orientation et inclinaison des panneaux solaires 31 8

9 Chimie ParisTech - Ressource solaire 07/10/2015 Effets de l orientation et de l inclinaison Orientation Pour qu'un module PV produise le maximum, c'est lorsqu'il est perpendiculaire aux rayons du soleil. Mouvement apparent du Soleil: hauteur et azimut Ça veut dire qu il doit être orienté plein sud dans tout l hémisphère nord et plein nord dans l hémisphère sud!! N 21 juin 21 septembre / 21 mars 21 décembre E O Hémisphère nord S Mais la position du soleil varie constamment en fonction de la période et de l heure!! Pour avoir le maximum de production tout-au-long de l année, il faut choisir une inclinaison qui prenne en considération les différentes élévations du soleil mais sans oublier la quantité d irradiance qui est proportionnelle à la hauteur solaire. - L azimut a : c est l angle que fait la direction de la projection du Soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud, cet angle étant orienté positivement vers l Ouest. - La hauteur h: du Soleil : c est l angle que fait la direction du Soleil avec sa projection sur un plan horizontal Orientation Effets de l orientation et de l inclinaison La compatibilité en tension Application Inclinaison optimale Inclinaison solaire 36 9

10 Production en fonction de l inclinaison Irradiations à Rabat Carte de l inclinaison optimale, de la production annuelle selon les stations météo et de la régionalisation de l inclinaison (source : AEHLIA). Zones de production annuelle (en kwh/kwc). 37 Irradiations Rabat Irradiation Solaire Energie solaire incidente orientation de la surface réceptrice Irradiation solaire (Wh/m 2 /jour) 10

11 Irradiation Solaire Energie solaire incidente orientation de la surface réceptrice Irradiation Solaire Energie solaire incidente orientation de la surface réceptrice Irradiation Solaire Energie solaire incidente orientation de la surface réceptrice Inclinaison 30, orientation Nord Ombrage Juin Janvier 11

12 Ombrage Ombre portée Montage Il faut faire attention à l ombre portée par une rangée de capteurs sur la suivante. - La distance nécessaire entre les diverses rangées dépend de la hauteur des capteurs, de leur pente et de la hauteur minimale du soleil prise en compte pour les calculs Capteur H - En général on évitera toute ombre pour une hauteur du soleil équivalent à la hauteur du soleil le 21 décembre à midi: 19 D=H.Cotg( ) d=h.cotg( ) Si h=1m calculer d=? d=h.cotg( )=b.sin (b).cotg( ) 46 Ombrage Masque Solaire Comment reporter les obstacles sur le graphe de la course du soleil? Des objets vont faire de l'ombre aux modules solaires photovoltaïques installés Il reste à savoir à quelles périodes de l'année et de la journée ces objets vont faire de l'ombre aux modules photovoltaïques. Dans la suite, nous allons reporter ces obstacles sur le graphe de la course du soleil. 1 ère étape : relever les points caractéristiques de la géométrie des obstacles Les outils nécessaires pour réaliser cette étape sont une boussole (qui va permettre de mesurer l'azimut d'un point) et un clinomètre (qui va permettre de mesure la hauteur d'un point). Ce relevé doit se faire au niveau des modules photovoltaïques. Clinomètre Masque solaire ville de Rabat (Pvsys) 12

13 Ombrage Ombrage On se site à l'endroit où les modules photovoltaïques vont être posés. Le point A est l'endroit où les mesures doivent être faites. Une fois qu'on se situe au niveau du point A, on se place face au sud. Pour cela, on utilise la boussole qui nous indique la direction du sud. Exemple pour mesurer de la hauteur d'un objet avec le clinomètre On définit des points caractéristiques de la géométrie des obstacles, par exemple 6 points pour l arbre et d autres pour pour les bâtiments. 2 ème étape :reporter les points caractéristiques sur le graphe de la course du soleil On mesure l'azimut et la hauteur de chacun des points caractéristiques définis précédemment. L'azimut se mesure avec la boussole et la hauteur avec le clinomètre. Ensuite, on va reporter les points sur le graphe de la course du soleil, sachant que l'axe des abscisses de ce graphe représente l'azimut et l'axe des ordonnées représente la hauteur. Par exemple, les mesures (avec la boussole et le clinomètre) de l'azimut et de la hauteur du point A ont permis de savoir que : A Z=75 et H = 32. On reporte alors ces deux valeurs dans le graphe de la course du soleil, ainsi qu'illustré ci-dessous : Dans l exemple présenté ici, la perte d énergie due aux ombres portées n est pas acceptable. Ombrage: sources de pertes Ombrage: sources de pertes 13

14 Le gisement solaire La ressource solaire est largement supérieure a la consommation mondiale d énergie. La ressource solaire est variable : Dans l espace (et inverse a la demande nord / sud) Dans le temps (période de l année) Fin Le rayonnement solaire incident global est le fruit de 3 composantes: Rayonnement direct, diffus et réfléchi par l environnement (albédo). L énergie solaire disponible dépend notamment de l inclinaison et de l orientation du récepteur et des éventuels masques 14