Qu’est-ce qu’un bon ensoleillement solaire ?
Qu’est-ce que l’ensoleillement solaire et que signifie-t-il lorsqu’on traite avec des systèmes photovoltaïques solaires ? Il existe de nombreux termes et significations différentes comme radiation solaire (électromagnétique), ensoleillement solaire (pour la puissance), irradiation solaire (pour l’énergie), ainsi que ensoleillement pour décrire la quantité de lumière solaire disponible à un emplacement particulier.
Nous pouvons utiliser l’énergie solaire pour générer de l’électricité, en utilisant des panneaux photovoltaïques, ou l’utiliser pour chauffer de l’eau avec des panneaux thermiques solaires, donc avoir un bon approvisionnement en radiation solaire à notre emplacement est important.
Mais quelle est la différence entre l’énergie solaire et l’ensoleillement solaire ? La radiation solaire fait référence à la quantité d’énergie rayonnante émise par le soleil, tandis que l’ensoleillement solaire se réfère à la quantité de radiation solaire par unité de surface.
Notre soleil est à la fois une source de chaleur et une source de lumière, nous fournissant la chaleur et la lumière dont nous avons besoin pour survivre. Le soleil est une excellente source d’énergie et nous pouvons l’exploiter de nombreuses manières différentes, mais comment savons-nous s’il y a assez d’énergie rayonnante pour qu’un panneau photovoltaïque (PV) génère de l’électricité ?
Notre soleil est une excellente source d’énergie rayonnante. La quantité d’énergie solaire par unité de surface atteignant une surface à un angle particulier est appelée irradiance, qui est mesurée en watts par mètre carré, W/m2, ou en kilowatts par mètre carré, kW/m2, où 1000 watts équivaut à 1,0 kilowatt.
Cependant, la distance directe mesurée entre la Terre et le soleil varie annuellement, ce qui entraîne des variations dans la quantité d’énergie d’irradiance solaire reçue pendant la rotation cyclique naturelle de la Terre sur une période d’un an.
Selon la NASA, la valeur d’irradiance moyenne mesurée à la frontière de l’espace et à l’extérieur de l’atmosphère terrestre sur une surface plane positionnée perpendiculairement au soleil est d’environ 1,370 watts par m2 (soit 1,37 kilowatts). Cette valeur d’irradiance donnée par la NASA est appelée Constante Solaire et est utilisée pour déterminer les valeurs solaires sur la surface de la Terre.
Mais les valeurs d’irradiance mesurées à la surface de la Terre sont bien inférieures à la constante solaire. La diffusion et le reflet de la lumière solaire lors de son passage à travers l’atmosphère diminuent la quantité d’énergie qui atteint la surface terrestre en raison des conditions climatiques en ce point.
Irradiation à travers l’atmosphère
Par exemple, les conditions annuelles telles que la période de l’année, les variations saisonnières et de température, les conditions nuageuses ou couvertes, ainsi que l’angle auquel les rayons solaires frappent le sol, influencent tous la quantité d’irradiance solaire disponible à un emplacement particulier.
Lorsque les rayons du soleil traversent notre atmosphère et atteignent la surface de la Terre au niveau de la mer, l’irradiance solaire maximale sur une surface plane de 1 m2 au niveau du sol est mesurée. Ainsi, à un emplacement équatorial par un jour clair aux alentours de midi solaire, la quantité de radiation solaire mesurée est d’environ 1000 watts, c’est-à-dire 1000 W/m2 (ou 1,0 kW/m2).
Lorsqu’il s’agit de panneaux solaires photovoltaïques strictement pour la génération de énergie solaire, un niveau d’irradiance solaire de 1,0 kW/m2 est connu sous le nom de “Plein Soleil” ou communément “Heures de Plein Soleil”. La définition des “Heures de Plein Soleil” (HPS) est donc le nombre d’heures pendant lesquelles ce niveau d’irradiance solaire a été reçu à la surface des panneaux à une mesure de 1,0 kW/m2.
Cependant, lorsque la radiation solaire est moyennée sur l’ensemble du cycle jour-nuit de 24 heures ainsi que sur une année entière de 365 jours, même les meilleurs emplacements ne reçoivent en moyenne par jour que 250–300 W/m2. C’est moins de 30 % de ce qui arrive au sommet de l’atmosphère terrestre. Il y a donc beaucoup de ce qu’on appelle “atténuation solaire”, c’est-à-dire la perte d’irradiance solaire, lorsqu’elle passe à travers l’atmosphère terrestre avant d’atteindre la surface de la Terre, l’atténuation solaire étant plus importante pendant les mois d’hiver.
Nous pourrions tracer les quantités d’irradiance solaire (puissance) disponibles à tout emplacement donné, nous donnant une idée plus claire des niveaux minimum et maximum disponibles pour la génération d’énergie électrique à l’aide de panneaux photovoltaïques.
Graphique de l’irradiation solaire pendant la journée
Nous pouvons voir à partir de notre exemple quotidien que l’irradiance solaire disponible pendant les journées d’été plus ensoleillées et plus longues est supérieure à celle des journées d’hiver plus courtes et plus ternes, comme on pouvait s’y attendre. Ainsi, les heures de plein soleil disponibles pendant l’été sont clairement plus longues que pendant la période hivernale, permettant à un panneau photovoltaïque de fonctionner à sa puissance nominale plus longtemps.
Ainsi, par exemple, si l’énergie solaire moyenne qui tombe sur une surface pendant les mois d’été est de 800 W/m2 et est disponible pendant 8 heures par jour, la quantité quotidienne d’irradiance solaire reçue pendant les mois d’été sera :
Ainsi, comme indiqué ci-dessus, nous pouvons voir que si 1 kWh/m2 est égal à une Heure de Plein Soleil (HPS), alors 6,4 kWh/m2 est égal à 6,4 heures de plein soleil, ou 6,4 HPS.
Maintenant, si nous supposons qu’au cours des mois d’hiver, l’énergie solaire disponible chute de moitié, c’est-à-dire à 400 W/m2 et n’est disponible que pendant la moitié du temps, c’est-à-dire 4 heures par rapport aux mois d’été, alors la quantité d’irradiance solaire reçue pendant les mois d’hiver serait :
Nous pouvons constater à partir de cet exemple très simple que la quantité d’énergie solaire collectée pendant les mois estivaux plus ensoleillés est quatre fois supérieure à 6.4 kWh/m2, par rapport à l’énergie solaire collectée pendant les mois d’hiver plus ternes à seulement 1.6 kWh/m2. Selon la NASA, la valeur quotidienne moyenne d’irradiance solaire sur l’ensemble de la planète sur une journée est d’environ 5.0 kWh/m2 ou 5 heures de plein soleil (HPS).
Exemple d’irradiance solaire
Les panneaux photovoltaïques (PV) convertissent l’irradiance solaire en électricité. Supposons que nous ayons un unique panneau photovoltaïque de 200 watts, quelle quantité d’énergie pourrait potentiellement produire ce panneau par jour pendant les mois d’été et d’hiver en utilisant les valeurs des heures de plein soleil de notre exemple ci-dessus.
Sortie du panneau solaire pendant les journées d’été :
Sortie du panneau solaire pendant les journées d’hiver :
Donc, si nous supposons que nous avons besoin de 1000 watts par jour d’énergie solaire pour alimenter notre maison, nous pourrions y parvenir pendant les mois d’été avec un seul panneau photovoltaïque de 200 watts, mais nous aurions besoin de quatre panneaux de 200 watts pendant les mois d’hiver. Par conséquent, une plus grande disponibilité d’énergie solaire (par le biais des HPS) entraînera un besoin en wattage PV plus faible, tandis qu’une valeur d’heure de plein soleil plus faible nécessitera un wattage PV beaucoup plus élevé.
Cependant, c’est un exemple très simpliste, en réalité, le besoin en panneaux PV pour alimenter une maison particulière ou charger une banque de batteries sera finalement déterminé par la charge connectée et la consommation plutôt que par des valeurs HPS plus élevées ou plus basses.
Cependant, cela nous donne un bon exemple de la manière dont l’irradiance solaire et les heures de plein soleil (HPS) à un emplacement particulier varient non seulement en fonction de la localisation géographique et de la météo tout au long de l’année, mais déterminent également la taille et le coût de tout système photovoltaïque solaire prévu.