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Le but de cet article est de voir comment effectuer soi-même différents calculs d'ensoleillement en utilisant des outils puissants tels que le logiciel open source SAGA GIS (que vous pouvez donc installer gratuitement) ainsi que des données digitales de terrain, disponibles également en accès libre.

Donc si vous souhaitez  reproduire chez vous ce petit exercice vous aurez besoin des éléments suivants:

  • le logiciel d'analyse d' informations géographiques SAGA GIS, téléchargez la dernière version et installez-le. Toutes les informations concernant ce logiciel se trouve sur le site http://www.saga-gis.uni-goettingen.de/html/index.php 
  • un modèle numérique de terrain (MNT ou DEM en anglais pour Digital Elevation Model).  Pour commencer nous vous conseillons de faire simple en utilisant un MNT proposé gratuitement sur SuisseGeo.ch (voir  la liste complète des jeux de donnée). Pour cet exemple nous allons utiliser ce fichier: p195r028.tif (attention ces fichiers sont très volumineux)

 

Ouverture du fichier DEM avec SAGA GIS

Vous avez installé le programme SAGA et téléchargé le fichier DEM sur lequel vous souhaitez travailler. Attention à ne pas ouvrir ce fichier DEM au format .tif avec un logiciel de traitement d'image. En fait il ne s'agit pas d'un .tif standard mais d'un GeoTiff, qui contient des informations sur le positionnement géographique du contenu.

Lancez SAGA GIS puis allez dans le menu Modules >> File >> Grid >> Import >> Import GDAL et sélectionnez le fichier DEM.

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Une fois le fichier importé vous retrouverez une pré-visualisation du MNT en haut à gauche de votre écran. Double-cliquez sur cette petite image pour voir la le modèle de terrain dans l'écran principal.

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Quelques astuces:

  • Pour zoomer, sélectionnez un rectangle avec la souris (clic gauche)
  • Pour dé-zoomer, clic droit
  • Si vous zoomer à fond vous pouvez lire les valeurs sur l'image (ici il s'agit d'altitudes).

 

Saga GIS vous offre un outil de calcul de l'ensoleillement très intéressant qui vous permettra de déterminer principalement deux valeurs: la durée d'ensoleillement et l'énergie reçue par unité de surface. Ces calculs peuvent se faire sur une journée ou sur une plage temporelle de plusieurs jours que vous choisissez. Ci-dessous nous regardons d'abord le cas de l'ensoleillement journalier puis celui de l'ensoleillement annuel.

Calcul de l'ensoleillement journalier

Pour accéder au formulaire de configuration pour le calcul d'ensoleillement journalier aller dans le menu Modules >> Terrain Analysis >> Lighting >> Solar Radiation Sums. Vous obtenez alors une fenêtre de configuration interactive et la possibilité de fixer un certain nombre de paramètres.

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Prenons les différents paramètres dans l'ordre:

  • Input >> Elevation: 

le fichier DEM que nous venons d'ouvrir, il s'appelle encore "-- UNNAMED--" puisque nous ne lui avons pas donnée de nom.

  • Output : ne rien changer... ces paramètres sont clairement compréhensible
  • Options >> solar constant: ne pas changer, il s'agit de la quantité d'énergie reçue par unité du surface au sommet de l'atmosphère
  • Options >> transmittance of atmosphere : c'est la portion d'énergie qui traverse l'atmosphère et arrive effectivement au sol. Garder la valeur par défaut.
  • Options >> Latitude: indiquez la latitude (en degrés) de la région qui vous intéresse. Si vous ne la connaissez pas, ouvrez cette carte et cliquez pour lire la latitude et la longitude.
  • Options >> Daily Time Resolution:  ajustez le champ "Time Step [hours]" par exemple à 0.25, dans ce cas le logiciel simule la situation tous les quarts d'heure. Plus cette valeur est faible, meilleure sera la précision du calcul mais plus le temps de calcul sera long!
  • Options >> Simulation Time: choisissez Single Day et ajustez le jour qui vous intéresse dans les champs suivants.
  • C'est tout pour l'instant, cliquez sur OK...

Le calcul va prendre quelques minutes, regardez la barre d'information en bas d'écran pour voir où le programme en est! Lorsque le calcul est terminé ouvrez les deux grilles supplémentaires qui sont apparu dans la colonne de gauche.

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Le premier résultat, intitulé "Solar Radiation" correspond à la quantité d'énergie journalière disponible au sol. Le second "Duration of Insolation" montre la durée d'ensoleillement pour le jour que vous avez sélectionné.

Astuce: si le relief n'est pas suffisant pour vous repérer, vous pouvez vous localiser sur la base des coordonnées (x,y)indiquées en bas de chaque image. Ici nous avons des coordonnées UTM (Universal Transverse Mercator), vous pouvez obtenir les coordonnées UTM de chaque commune suisse sur SuisseGeo.ch (cherchez la commune puis cliquez sur le marqueur et relevez les coordonnées UTM).

Calcul de l'ensoleillement annuel

Ouvrez le même menu que ci-dessus et ajustez le paramètre comme ci-dessus, de plus:

  • Options >> Daily Time Resolution >> Time Step [Hours]: augmentez un peut l'intervalle pour que le calcul ne soit pas interminable.. nous choisissons cet intervalle à 3 (heures)
  • Options >> Simulation Time: choisissez One Year
  • Options >> Simulation Time >> Range of Days >> Time Step [number of days]: si on prend 20 le logiciel va simuler  tous les 20 jours et extrapoler les valeurs pour les jours intermédiaires. Prenez un  intervalle plus petit si vous voulez un résultat plus précis et si vous avez le temps!...

Si vous appréciez la puissance du ce logiciel et que vous souhaitez en découvrir davantage sur ce software vous pouvez télécharger l'excellent tutoriel (en Anglais) de V. Olaya  "A gentle introduction to SAGA GIS".

Généralités 

L'efficacité des capteurs (collecteurs) solaires thermiques est un paramètre très important et nécessaire pour tout calcul de dimensionnement, de coûts de revient, d'amortissement, etc... Pour préciser ce que l'on entend ici par "efficacité" (ou rendement) disons que l'on considère la proportion d'énergie utilisable en sortie du capteur par rapport à l'énergie que celui-ci reçoit du soleil.

Cependant le rendement est difficile à exprimer de manière simple, par exemple à l'aide d'un pourcentage. La raison est que les performances des capteurs sont dépendantes de nombreux paramètres qui sont susceptibles de varier durant l'utilisation des installations solaires. 

Voici quelques facteurs qui auront une influence sur le rendement du capteur:

- la température extérieure
- la température moyenne du fluide à l'intérieur du capteur
- l'irradiation (l'intensité du rayonnement solaire)
- l'angle du capteur par rapport au soleil
- le vent sur le capteur (direction et force)
- le type de rayonnement (ciel clair, pollution, nuage d'altitude,...)

Ces quelques éléments mettent immédiatement en évidence les difficultés pour exprimer un rendement standard d'un collecteur thermique. 

 

Courbes de rendement 

Il existe des normes pour les mesures standardisées de rendement des capteurs solaires (ISO9806-1.2) qui fixent les conditions de mesure (vent, orientation, irradiation,...) pour effectuer des tests comparables.   Laissons donc de côté les effets du vent et d'une désorientation des capteurs par rapport au rayonnement incident, disons que l'on règle ces questions par le respect des conditions de mesure fixées par les normes. Concentrons nous sur les trois paramètres restants: température extérieure, température intérieure et irradiation.

Avant d'aller plus loin dans ce petit exemple précisons que les chiffres utilisés correspondent à un collecteur à tubes évacués muni d'un système de concentration à miroirs paraboliques: le Collectra OPC 15H (2008) .

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En développant la formule qui donne le rendement d'un collecteur on trouve :

 Formule rendement

Tm est la température moyenne dans le collecteur [°C]
Ta
est la température extérieure [°C]
rendement0
est le rendement lorsque les températures intérieure et extérieure sont égales (Tm = Ta)
Gk
est l'irradiation globale sur le collecteur [W/m2]
c1
et c2 sont des paramètres fixes caractérisant différentes pertes du collecteur.

 

Pour que l'information sur le rendement soit complète il faudrait représenter ce dernier comme fonction des trois variables: Tm, Ta et Gk. Mais il y a une subtilité. On fait un changement de variable en remplaçant  (Tm-Ta)/Gk par x. Faisons-le puis nous verrons ci-dessous pourquoi c'est une bonne idée! Donc on a défini:

 nouvelle variable

Du coup la formule du rendement peut s'écrire sous la forme:

rendement collecteur

Autrement dit on a passé des trois variables Tm, Ta et Gk à deux variables x et Gk.

 

Exemple 

Pour le collecteur que nous avons choisi en exemple les valeurs des paramètres sont rendement0=0.623, c1=1.3 et c2=0.005.  Ces valeurs proviennent de la base de donnée des tests de l'institut SPF (Solar Prüfung Forschung ) à l'école d'ingénieur de Rapperswil, qui publie les caractéristiques de la plupart des produits sur le marché.

Voici donc un graphique du rendement en fonction de x. Gk est fixé à 800 W/m2.

Rendement en fonction de x

Nous avons étendu l'axe des x jusqu'à 0.2. C'est une valeur extrême dans des conditions réalistes. En prenant une température extérieure Ta=20°, une température du panneau Tm=60° et une irradiation de 1000 W/m2 on obtient:

x = (60-20)/1000 = 0.04 

Pour s'approcher de x=0.2 il faut des conditions du genre Tm=200°, Ta=0° et Gk=1000 W/m2... autrement dit il faut une très grande différence de température.

 

Complément 

Encore une observation "simplificatrice". L'irradiation Gk intervient à la fois dans le choix de x et directement dans la formule du rendement en fonction de x. Cependant son rôle (dans des conditions d'irradiation naturelles réalistes) peut se résumer au choix de x. On peut donc, en première approximation se fier à une courbe de rendement faite à un Gk standart (par exemple 800 W/m2) et estimer un rendement correspondant à différentes irradiations, juste en recalculant les x correspondants. 

Pour illustrer cette remarque prenons un exemple extrême (et peu réaliste!). On suppose que les conditions sont Tm=160°, Ta=0° et Gk=800 W/m2v (donc x=0.2 ). Le rendement donné par le graphe ci-dessus est donc: 20%

Maintenant si Gk passe à 1600 W/m2... le double, on a maintenant x=0.1. Le rendement estimé (car tiré du graphe calculé initialement avec l'ancien Gk) est environ 44%.

Si on trace un nouveau graphe avec Gk = 1600 W/m2 on obtient:

 Rendement à Gk = 1600 W/m2

Le rendement plus précis est maintenant de 41%. Ce faible écart de 3% entre les estimations de rendement montre qu'il est inutile de tracer des séries de graphes pour différentes valeurs de Gk. Une valeur standard suffit, ensuite l'essentielle de l'influence de Gk est transmise par le calcul du x correspondant.

Notez en particulier que plus Gk est grand, meilleur sera le rendement.

 

Liens:

SPF Ecole d'Ing. Rapperswil : Base de donnée de tests et essais sur la plupart des collecteurs présents sur le marché.

collecteur solaireLe rendement des capteurs thermiques varie sensiblement en fonction de la température ambiante, du vent, de l'irradiation, de l'orientation etc... pour les détails voir l'article à ce sujet:  courbes de rendement des capteurs thermiques. Le but de cet article est de faire un résumé de l'influence des conditions météorologiques sur le fonctionnement des collecteurs thermiques.

Influence de la température  

La température des capteurs a une grande influence sur le rendement. Plus précisément c'est la différence entre la température moyenne dans le collecteur et la température extérieure qui est le paramètre important. Il va déterminer la balance entre énergie captée et énergie dissipée (perdue) par le collecteur.

Concrètement le choix du type de collecteur dépend des conditions de températures qu'il va subir:

  • région chaude, très ensoleillée:  capteurs plans très bon marché (non vitré)
  • région tempérée, bien ensoleillée : capteurs plans vitrés (isolés)
  • région fraiche, bien ensoleillée: capteurs plans vitrés ou capteur à tubes évacués
  • région tempérée, peu ensoleillée: capteurs plans vitrés ou capteur à tubes évacués
  • région fraiche, peu ensoleillée: utiliser des capteurs à tubes évacués 

 

Influence de la météo

Outre l'influence de la température ambiante mentionnée ci-dessus il reste celle du type d'illumination: directe et indirecte (diffuse).

L'illumination diffuse ou rayonnement diffus est celui qui ne vient pas en ligne droite du soleil mais qui a subi une (ou plusieurs) réflexion(s) dans l'atmosphère. En journée, le rapport entre rayonnement direct et rayonnement diffus dépend de beaucoup de paramètres dont la couverture nuageuse, la position du soleil (au zénith, proche de l'horizon,...) la qualité de l'air dans les basses couches etc... De plus ce rapport varie en fonction des plages de longueur d'onde considérées.

Dans un modèle simplifié on peut considérer que dans le cas de la Suisse le rayonnement global est constitué à 40% du rayonnement direct et 60% du rayonnement diffus.

Le rayonnement diffus suffi à chauffer le fluide caloporteur d'un collecteur thermique, ceci d'autant plus efficacement que le collecteur est bien isolé, typiquement le cas des capteurs à tubes évacués.  

Dans le cas des collecteurs thermiques domestiques, certains sont équipés de petits concentrateurs, des miroirs paraboliques qui ramènent la lumière sur l'absorbeur. Ces faibles concentrations sont également efficaces avec le rayonnement diffus même si d'un point de vue strictement géométrique on ne peut pas concentrer le rayonnement diffus. En réalité ce rayonnement diffus sera "projeté" sur une surface de dimension restreinte autour du foyer (dans le cas de la parabole) et va quand même atteindre l'absorbeur.

Attention la situation est différente pour un système à concentration digne de ce nom (système disch Stirling, grandes paraboles, fours solaires...) dans ce cas le concentrateur doit suivre le soleil, donc nécessite un système de tracking et tous les rayons qui n'arrivent pas parallèlement à l'axe optique sont perdus, le rayonnement diffus n'est pas exploitable pour ce type de collecteurs à grande concentration. Mais encore une fois ceci ne concerne pas les produits pour les applications domestiques où le facteur de concentration est très faible.

 

Sensibilité spectrale 

La sensibilité spectrale dépend de l'absorbeur et des éventuelles couches isolantes à traverser. Elle est donc spécifique à chaque collecteur. Mais globalement la plage de longueurs d'onde exploitable est plus large que pour le photovoltaïque puisqu'elle englobe les UV, le visible et les infrarouges.

La lentille de Fresnel est un composant optique qui présente de nombreux avantages, elle est également connue sous le nom de lentille à échelons. Le principe consiste à décomposer le volume par tranches avec des décrochements entre chaque tranche afin de maintenir une épaisseur globalement constante sur toute la surface de la lentille (cf image).

 a) lentille standard. b) lentille de Fresnel équivalente

 

On obtient ainsi une lentille qui est fine et légère, son encombrement est moindre, son poids est réduit significativement tout comme l'absorption de la lumière au sein de la lentille. Concrètement on peut la manipuler et la fixer comme une "vitre" et aujourd'hui on la trouve moulée dans des matériaux légers (différents plastiques).

Historique

Ce type de lentille a été inventé par Augustin Fresnel en 1822. Membre de la Commission des phares il a participé au développement du nouveau système optique du phare de Cordouan afin d'augmenter la portée de la signalisation lumineuse. Auparavant le système à miroir absorbait environ 50% de la lumière émise.

On peut noter que dès 1748 Georges-Louis Leclerc de Buffon, avait déjà travaillé sur une loupe à échelon lorsqu'il cherchait à fabriquer des lentilles de très grand diamètre. Ce naturaliste est membre de l'Académie française dès 1733 et il est surtout connu pour ses publications dont une série de volumes sur l'Histoire Naturelle.

Applications

  • En verre, ces lentilles sont utilisée pour les phares de signalisation marine et les projecteurs de grande puissance.
  • On la trouve également dans les projecteurs de cinéma, les rétroprojecteurs e les vidéoprojecteurs.
  • Aujourd'hui les lentilles de Fresnel sont également utilisées dans les fours solaires afin de concentrer le rayonnement sur l'élément à chauffer.

Exemple de four solaire

Parmi les applications récente de la lentille de Fresnel on trouve le four solaire. Ici la lentille permet de concentrer une grande quantité de rayonnement avec un poids et un encombrement minimal.

Source : http://www.unido.or.jp/technology/file/kyoto-ee-research.html

 

"Do it yourself"

Vous pouvez facilement fabriquer votre propre four solaire avec des lentilles disponibles pour un coût très modeste (liste de lentilles de Fresnel). Attention aux consignes de sécurité, suivant le type de lentille la chaleur générée peut être importante!