Charge PAC
Chapitre 2 Evaluations de la source et de la consommation dans un habitat résidentiel en un site donné
2.1-Introduction
δe vent ou le soleil sont des ressources énergétiques inépuisables mais fluctuantes. D’où pour toute installation multi-sources, une étude des caractéristiques énergétiques s’impose. En voici les étapes essentielles :
- collecter les données météorologiques et la consommation énergétique de l’habitat
concerné,
- Quantifier les ressources énergétique (éolien, photovoltaïque, …) - Evaluer les besoins énergétiques de l’habitat résidentiel en question.
Cette analyse est de nature à mettre en évidence les variantes paramètres indispensables par la
suite à la simulation d’un système hybride éolien photovoltaïque avec batteries.
δe chapitre s’organise de la manière suivante μ d’abord, les méthodes de collecte de données météorologiques sont décrites, ensuite les données utilisées dans cette thèse sont
présentées et analysées. Puis, les différentes méthodes d’estimation des potentiels éoliens et
photovoltaïques disponibles sur le site sont appliquées et évaluées. Enfin, l’étude de
l’influence de la période d’acquisition des données sur l’estimation des énergies est menée.
2.2- Recueil des données météorologiques
2.2.1- Les données du vent
δe vent n’est autre que de l’air en mouvement [1]. Il est produit par les variations de pressions atmosphériques sur la surface de la terre. Ces variations sont engendrées par les
gradients de température, dus à une distribution inégale de l’énergie solaire et aux différences
de propriétés thermiques entre les surfaces des continents et des océans. En effet, quand les
températures de régions voisines deviennent inégales, l’air le plus chaud tend à s’écouler au- dessus de l’air le plus froid (car plus lourd). δa direction des vents générés de cette façon est
généralement grandement modifiée par la force de Coriolis résultant de la rotation de la terre [2].
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34 2.2.1.1- Les données caractéristiques du vent
Pour caractériser le vent, il s’agit de connaître :
son profil directionnel, c’est-à-dire les tendances probabilistes de la direction du vent, son profil de vitesse, c’est-à-dire les tendances probabilistes de vitesse, ainsi que sa
répartition, la vitesse la plus fréquente, les vitesses extrêmes et les vitesses de rafale etc.,
ses variations annuelles, mensuelles et journalières (voire horaires),
son profil énergétique, qui dépend de tous les points décrits ci-dessus, de la hauteur par
rapport au sol, du relief environnant et des autres données climatiques (température, pression atmosphérique, hygrométrie).
2.2.1.2- δes méthodes d’acquisition de données du vent
Il existe deux méthodes principales pour faire l’acquisition de données [3]:
- la mesure physique à l’aide de capteurs et d’instrumentation, - le calcul et la modélisation à l’aide d’outils informatiques.
Ces deux méthodes sont détaillées dans les paragraphes suivants.
La méthode physique
Cette méthode consiste à mesurer chaque variable « mesurable » durant au minimum un cycle. Un cycle dure au minimum une année. Les données sont enregistrées, triées, nettoyées de leurs erreurs, concaténées, et enfin analysées pour en faire ressortir les caractéristiques visées. Celles-ci sont ensuite modélisées statistiquement et corrélées avec des sources extérieures en vue des prévisions à long terme. Enfin, elles sont intégrées en base de données pour le modèle de terrain du site final.
Actuellement, pour mesurer l’ensemble des données utiles, on peut disposer de plusieurs
types d’outils μ
a) les mâts de mesure équipés de girouettes, d’anémomètres, de thermomètre et/ou de
baromètre et/ou d’hygromètre, etc. Dans ce cas, les mesures sont transmises sous forme de signal analogique ou numérique à l’enregistreur qui les échantillonne à une
certaine fréquence (par exemple 1 Hz). Tous ces échantillons ne sont pas enregistrés tels quels (cela formerait une quantité importante de données) mais subissent un traitement statistique. Ainsi, une série de données enregistrées se présente
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généralement sous forme de tableau, dont chaque ligne correspond généralement à un
intervalle d’une minute.
b) δes Sodars (Sτnic Detection And Ranging) sont des radars basés sur l’effet Doppler. Ils mesurent en continu et de manière plutôt fiable, parallèlement la vitesse du vent, sa direction, sa composante verticale, les turbulences, la structure de température et
d’hygrométrie, et ceci sur des hauteurs allant de 15 à 5 000 mètres, selon le type d’antenne employée. Ces mesures sont réalisées en émettant une impulsion acoustique
forte dans la bande sonore et en enregistrant la dispersion de fréquence du signal reçu en écho. Ce décalage et étalement de fréquence du signal (appelé effet Doppler) ainsi que son intensité sont traités par de multiples voies de manière à obtenir bien plus
d’informations que celles obtenues par des méthodes conventionnelles, telles que les
mâts de mesure.
Ces équipements reviennent plus cher que les mâts de mesure (30 à 40 k€), et
souffrent d’un taux de données invalides plus important par temps pluvieux, neigeux, orageux et par ambiance acoustique chargée. Cependant leur facilité de mise en œuvre
et leur discrétion en font des outils qui ne sont pas à négliger.
c) δes δidars (δight Detection and Ranging) qui, tout comme les Sodars, utilisent l’effet Doppler pour mesurer les vitesses et leurs caractéristiques. Mais, alors que la déformation des ondes sonores se notait « musicalement » en aiguës et graves, celle engendrée sur le faisceau laser est perçue dans les couleurs de retour.
Plus précis et non perturbé par les ambiances sonores, le δidar n’en demeure pas moins sensible à la pluie, au brouillard et aux divers éléments perturbants de l’air.
Beaucoup de progrès ont été faits cependant, et nous verrons certainement leur
fiabilité s’améliorer à l’avenir. Par ailleurs, tout comme les Sodars, leur mise en œuvre sur le terrain et leur discrétion sont tout à fait appréciables. εais leur domaine d’action
commence à environ 100 mètres, et leur prix atteignent 200 à 300 k€.
Les méthodes de modélisation numérique
Actuellement, Il existe de nombreux outils qui modélisent les terrains afin d’y implanter les éoliennes de manière optimale. Ces outils diffèrent surtout par les modèles utilisés. En effet, on trouve :
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a) Les modèles découlant de la seule mécanique des fluides :
Ce sont encore les outils les plus utilisés, car les plus simples à trouver dans le commerce
et à mettre en œuvre par des généralistes de l’énergie. Ils fonctionnent sur la base de la
mécanique des fluides et principalement à partir des équations de Navier-Stockes [4], [5]. Ce sont des outils tels WindPro, WindFarm ou Wasp. Ils sont prévus pour des terrains presque plats, homogènes, et en conditions de neutralité atmosphérique (pression et température normales définies comme étant 1 atm (1013,25 hPa) et 15 degrés Celsius).
b) δes modèles intégrant l’ensemble des conditions météorologiques
À l’opposé de ces outils « simplifiés », il existe des outils de calculs complexes, émanant
des sciences météorologiques, et/ou des simulateurs d’écoulements de pollutions, et/ou des
simulateurs de résistance de structure architecturale (par exemple pour valider la résistance
d’un pont ou d’un bâtiment lors d’un vent particulier). Ce sont des modèles de dispersion
basés sur des modèles atmosphériques 3D (par exemple les logiciels MeteoDyn, Fluent, WindSim, etc.), ou des modèles météorologiques de grande échelle, qui peuvent ensuite être ramenés vers le sol avec plus ou moins de précision (par exemple les modèles de prévision utilisés par Météo France : ARPEGE, ALADIN,AROME [6]).
2.2.1.3- δes données du vent utilisées pour l’étude
Les données du vent de notre étude ont été obtenues à partir d'un site Internet [7]. Elles concernent le centre national technologique éolien (National Wind Technology Center, Latitude: 39° Nord, Longitude: 105° Ouest, Altitude : 1855 mètres) du Colorado aux états unis. Elles ont été captées à 10 mètres au-dessus du sol en utilisant un mât de mesure de type SW201 [8]. δes mesures sont transmises via l’enregistreur SDε-INT8 de Campbell Scientific [9], qui les échantillonne à une fréquence élevée (jusqu'à1 microseconde) et indique leur valeur moyenne toutes les minutes à l'enregistreur de données.
La figure 2.1 est une représentation de la rose du vent pour ce site en 2009. Elle montre que la direction et la vitesse du vent varient considérablement sur presque toutes les périodes de mesures. Néanmoins, la direction Sud-est reste prédominante.
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Figure 2.1 : Rose de vent enregistrée en 2009 dans le site du National Wind Technology Center, Latitude: 39° Nord, Longitude: 105° Ouest, Altitude : 1855 mètres
Etant donné que les éoliennes à axe horizontal suivent la direction du vent, la vitesse de ce
dernier est le facteur le plus important pour déterminer la quantité d’énergie exploitable par
une éolienne. Donc, ces données doivent être échantillonnées et analysées avec précision.
2.2.2- δes données de l’irradiance
δ’irradiance correspond au flux d’énergie incidente sur une surface donnée, exprimée en
W/m2. Sa connaissance pour un site d’implantation est indispensable pour évaluer le potentiel d’électricité solaire d’un projet photovoltaïque.
2.2.2.1- Les données caractéristiques de l’irradiance
δ’irradiance à faible longueur d’onde (0.28-5 µm) peut être séparée en trois composants :
le rayonnement direct, le plus important, le rayonnement diffusé par l’atmosphère qui dépend
de sa composition, et le rayonnement réfléchi par le sol [10], [11]. Le rayonnement global, somme de ces trois composantes, est déterminé par trois groupes de facteurs : les relations géométriques entre le soleil et la surface de la terre, l’atténuation due à la traversée de
l’atmosphère et les facteurs topographiques [12]. Des formules astronomiques permettent de
2% 4% 6% 8% OUEST EST SUD NORD 0 - 5 5 - 10 10 - 15 15 - 20 20 - 25 25 - 30 V itesse du v ent ( m/s)
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calculer les relations géométriques entre le soleil et la terre en fonction de la localisation et de
l’heure. δe facteur d’atténuation atmosphérique est conditionné par la présence de gaz, et de particules solides ou liquides, qui sont fonction de l’épaisseur de l’atmosphère et donc de l’altitude. δes facteurs topographiques (caractéristiques du site d’implantation) induisent de fortes variations à l’échelle locale du fait des variations de pente et d’exposition, qui modifient l’angle d’incidence du rayonnement solaire.
a) Géométrie entre le soleil et la terre
La position du soleil dans le ciel (figure 2.2) est fonction de l’heure et de la latitude. Ainsi, pour bien définir ses coordonnés, il convient de spécifier un certain nombre de directions de référence qui varient à chaque instant de la journée. Ces dernières sont repérées dans deux systèmes de coordonnées différents:
Par rapport au plan équatorial de la terre : - δa déclinaison du soleil :
δa direction du soleil est repérée par rapport au plan équatorial de la terre grâce à un angle
appelé déclinaison du soleil. Sa valeur varie entre -23,28 degrés (au solstice d’hiver) et
+23,28 degrés (au solstice d’été) et s’annule aux équinoxes de printemps et d’automne.
- δ’angle horaire du soleil ω :
C’est l’angle que fait la projection de la direction du soleil avec la direction du méridien du
lieu passant par le sud. Il mesure la course du soleil dans le ciel.
et ω forment les coordonnées horaires du soleil. Une procédure de calcul instantané et précis
des deux est détaillée dans [13].
Par rapport au plan horizontal du lieu : - La hauteur du soleil h :
C’est l’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan horizontal. δa hauteur du soleil varie à chaque instant de la journée et de l’année selon la relation suivante :
(2.1) Avec : φ la latitude du site.
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A partir de cette hauteur, on peut calculer l’angle zénithal solaire de la manière suivante :
(2.2)
- δ’azimut du soleil :
C’est l’angle que fait la projection de la direction du soleil avec la direction du sud. δ’azimut
du soleil varie à chaque instant de la journée selon la relation suivante :
(2.3)
Pour les applications photovoltaïques, est considéré du Nord-est vers le Nord-Ouest et varie entre 0 degrés et 360 degrés.
Figure 2.2 : Schéma montrant les différentes coordonnées angulaires utilisées en énergétique solaire : φ : la latitude, l’azimut, h la hauteur, ω l’angle horaire, la déclinaison [14]
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b) Atténuation due à la traversée de l’atmosphère
Deux phénomènes atténuent le rayonnement solaire traversant l’atmosphère terrestre. Il
s’agit de l’absorption et de la diffusion.
δ’absorption est sélective et dépend principalement de 4 éléments :
- l’ozone qui forme un écran qui arrête les UV ( <0,28 µm) nocifs pour la vie, - l’oxygène qui absorbe des bandes étroites du spectre visible (vers 0,6λ et 0,76 µm), - le gaz carbonique qui absorbe une partie de l’IR lointain ( >2 µm),
- la vapeur d’eau qui entraîne des bandes d’absorption multiples surtout dans l’IR. τn ne la rencontre pratiquement qu’au niveau du sol (altitude <5 km).
δa diffusion se produit avec les molécules de l’air, celles de la vapeur d’eau et les particules en suspension. Elle est d’autant plus importante que la longueur d’onde du rayonnement est petite et que l’air est humide et pollué. Ce phénomène explique pourquoi le ciel est bleu ( =0,47µm) dans la journée et rouge-orangé ( =0,67µm) le matin et le soir lorsque le soleil est bas sur l’horizon.
Plus grande est la longueur du parcours de la lumière solaire dans l’atmosphère terrestre, plus grande est l’atténuation de celle-ci avant d’atteindre un éventuel capteur. Pour tenir compte du
trajet parcouru par les photons, on utilise la notion de masse atmosphérique. Celle-ci est égale
au rapport, noté m*, de la distance parcourue dans l’atmosphère par un rayon en provenance du soleil à l’épaisseur verticale de l’atmosphère mesurée au niveau de la mer.
c) Topographie
Pour calculer le rayonnement sur un capteur photovoltaïque incliné (figure 2.3), il est
nécessaire de prendre en compte l’angle d’incidence entre le rayon solaire et sa surface. Il
varie en fonction de la position du soleil et de la topographie :
(2.4)
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Figure 2.3 μ Angles de repérage d’un plan de captation incliné
2.2.2.2- δes méthodes d’acquisition de données d’irradiance
Comme pour le vent, l’acquisition de données d’irradiance peut être faite par mesure directe (méthode physique) ou par des modèles numériques (méthodes de modélisation numérique). Les deux manières ont été bien expliquées par D.R Myers dans son article « Solar Radiation Modeling and Measurements for Renewable Energy Applications : Data and Model Quality » [15].
La méthode physique
Il s’agit d’utiliser les instruments de mesure. δe rayonnement solaire direct Gb est mesuré en visant le soleil avec un pyrhéliomètre. Le rayonnement global horizontal Gh est mesuré par un pyranomètre. Pour mesurer le rayonnement diffus Gd, il suffit de monter sur un pyranomètre une bande venant occulter le rayonnement direct.
En montant deux pyranomètres en opposition, on peut déterminer l’albédo*. δ’un des
pyranomètres est orienté vers le ciel, l’autre étant bien sûr orienté vers le sol. En mesurant la
différence des deux signaux fournis par ces deux pyranomètres on en déduit la fraction du rayonnement réfléchi par le sol c'est-à-dire l’albédo de celui-ci.
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δa durée d’insolation, quant à elle, est mesurée par un héliographe, boule de verre qui
concentre le rayonnement solaire en un point d’un papier thermosensible. Au fil du temps une
trace apparaît. δa longueur de cette trace donne la durée d’ensoleillement. σotons toutefois que le seuil de sensibilité du papier est important par rapport au nombre d’heures
d’ensoleillement, de l’ordre de 120W/m². Les méthodes de modélisation numérique
Il existe plusieurs modèles empiriques sophistiqués pour le calcul du rayonnement solaire [16], [17], [18], [19], [20]. Ils sont basés sur plusieurs paramètres tels que la vapeur d’eau
caractérisée par la hauteur d’eau condensable et le trouble atmosphérique caractérisé par le coefficient d’Angström. Plusieurs de ces modèles sont disponibles en libre accès sur Internet
[21].
Il existe aussi les modèles de calcul basés sur l’analyse des images satellites. τn les trouve
chez le NOAA Research (National Oceanic & Atmospheric Administration,U.S) et Satel- Light au niveau européen par exemple.
2.2.1.3- δes données d’irradiance utilisées pour l’étude
δes données d’irradiance globale horizontale (Gh) appartiennent aussi au centre national technologique éolien du Colorado aux Etats Unis. Elles ont été mesurées à quelques mètres du sol avec un pyranomètre de précision modèle Eppley [22]. δ’instrument est étalonné annuellement selon la référence mondiale radiométrique. Les données sont enregistrées à la minute. La figure 2.4 montre l’évolution de l’irradiance globale du site en 2008. A priori, il
s’agit d’un site bien ensoleillé avec des irradiances globales qui peuvent atteindre les 1452
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Figure 2.4 μ Irradiance globale PSP [W/m²] enregistrée au cours de l’année 2008 Les données de la position du soleil ont été calculées à la minute par Solar Position Algorithm (SPA) [21] développé par le Laboratoire National des Energies Renouvelables aux Etats Unis (σREδ). δa figure 2.5 trace la course du soleil dans le site. δ’élévation du soleil est importante en été en plein Sud (180°) vers 12h00.
μ Hauteur du soleil en fonction de l’azimut solaire pour différents jours de l’année
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ir ra d ia n ce ( W /m ²)
Irradiance globale PSP [W/m²]
50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Azimut solaire(°) h a u te u r s o la ir e ( °) 21 décembre 21 mars 21 septembre 21 juinest sud ouest N-O
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Les données disponibles correspondent à des mesures sur un plan horizontal. Par la suite, nous sommes amenés à connaître le rayonnement sur un plan incliné quelconque pour pouvoir optimiser la position des panneaux. Ce rayonnement est égal à la somme de la composante directe, diffuse, et réfléchie.
2.2.3- Autres données : la température, la pression et l’altitude
Les données de température et de pression sont importantes pour déterminer la densité de
l’air ρ, un des facteurs déterminants de la puissance éolienne disponible :
(2.5) Où P est la pression atmosphérique en N/m² ou en Pascal, R la constante des gaz 287.04
J/Kg.K, et T la température en Kelvin.
δes variations de la densité de l’air en fonction de la température et de la pression sont présentées sous forme de graphique dans la figure 2.6. Elle diminue lorsque la température
augmente. δ’air est moins dense en été qu’en hiver, l’écart peut atteindre de 10 à 15 % entre
les deux saisons. Elle est par contre proportionnelle à la pression.
La température est aussi un paramètre essentiel dont on doit tenir compte dans la conception des systèmes photovoltaïques.
a) Evolution de la densité de l’air en fonction de la température
à la pression moyenne du site soit 813,5 mBar
b) Evolution de la densité de l’air en fonction de la pression
à la température moyenne du site soit 9,3°C
Figure 2.6 μ Evolution de la densité de l’air en fonction de la température et de la pression
0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Densité de l'air(Kg/m3) T e m p é ra tu re ( °C ) 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 760 770 780 790 800 810 820 830 P re s s io n a to s p h é ri q u e ( m B a r) Densité de l'air(Kg/m3)
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Pour notre étude, ces données sont obtenues du même site américain ((National Wind Technology Center, Colorado, USA, Latitude: 39° Nord, Longitude: 105° Ouest, Altitude :
1855 mètres) et sont recueillies à la minute. δa température est mesurée à l’aide d’une sonde
PT100 à 2 mètres du sol et corrigée par rapport à la hauteur de l’éolienne selon le gradient de
température -0.0065°C/m. La sonde est calibrée annuellement par le NREL.
La pression est mesurée grâce à un transmetteur de pression installé sur une tour à 2,5 m au- dessus du sol. Elle dépend beaucoup de l’altitude, la température aussi. Pour cette raison, il est possible pour le calcul de ρ d’utiliserl’expression ci-dessous :
ρ[Kg/m] =353.049 ( 0.034T) Z e T (2.6)
Grâce à ces données, nous avons évalué l’évolution de la densité moyenne de l’air au cours
des années. Année 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Densité moyenne de l’air, ρ(Kg/ ) 1.0028 1.0008 1.0031 1.0001 0.9996 1.0006 1.0016 1.0048 1.0018
Tableau 2.1 μ Evolution de la densité moyenne de l’air en fonction des années
2.3- Evaluation des sources renouvelables du vent et du soleil en un site donné
2.3.1- La source du vent
2.3.1.1- Evaluation de la puissance du vent
La puissance du vent P est la vitesse V à laquelle l’énergie est disponible, ou la vitesse à
laquelle l’énergie traverse une surface S par unité de temps :
(2.7)
Elle est proportionnelle à la densité de l’air instantanée, à la surface de captation du vent et au