2.3.1 Mesures d’ensoleillement
Le rayonnement solaire disponible au niveau du sol est quantifié, pour divers lieux, principalement par des mesures météorologiques.
Historiquement, ces mesures ont été enregistrées grâce à des hélio-graphesde Campbell-Stokes : une boule de verre focalise les rayons sur un papier qui noircit. Ces mesures fournissaient un nombre d’heures d’ensoleillement, c’est-à-dire la durée pendant laquelle le rayonnement direct dépasse un certain seuil (par ailleurs mal déter-miné, entre 150 et 250 W / m2). Cette information est évidemment peu précise, mais on en dispose de nombreuses mesures depuis très longtemps en météorologie. C’est pourquoi un modèle basé sur des corrélations a été développé pour tenter d’un tirer une quantification énergétique.
L’évaluation d’installations solaires nécessite des données d’irra-diance, c’est-à-dire du flux d’énergie incidente sur une surface don-née par unité de temps et de surface, exprimée en W / m2 (ou son intégration sur une durée déterminée, l’irradiation, en kWh / m2ou MJ / m2).
Les mesures météorologiques d’irradiance sont habituellement enregistrées pour le plan horizontal, par des « solarimètres », instru-ments de mesures fonctionnant principalement sur deux principes :
• les pyranomètres mettent à profit l’effet de serre dans une double coupole de verre, et utilisent des thermopiles pour déterminer la différence de température du senseur noir avec l’ambiant. Ils enregistrent une très large fraction du spectre, et sont les plus précis (de l’ordre de 1 % lorsqu’ils sont soigneusement calibrés).
Mais leur prix reste élevé (plus de 2000 FS).
• les détecteurs photovoltaïques sont plus dépendants de la température, et surtout présentent une réponse spectrale sélective localisée dans le rouge et l’infrarouge. Leur mesure dépend donc de la composition spectrale du rayonnement, et on ne peut guère en attendre une précision meilleure que 5 %. Mais ils sont net-tement plus économiques.
• les cellules de référence, calibrées et vendues par des centres
« officiels » (par exemple le Centre de Recherche des Commu-nautés Européennes CEC / JRC, à Ispra) sont un cas particulier de détecteurs photovoltaïques (PV).
Les cellules de référence sont normalement destinées à la mesure des performances de panneaux PV dans les conditions standard.
Néanmoins, certains les utilisent pour la mesure en continu d’instal-lations solaires, d’une part à cause de leur prix modique (de l’ordre de 500 FS), et d’autre part pour leur réponse spectrale proche de celle des panneaux. Cependant, le rayonnement ainsi mesuré est très dif-ficile à relier avec précision au rayonnement global des mesures météorologiques. Nous préciserons ce point délicat dans le para-graphe 9.4.3.
En météorologie, les mesures les plus couramment disponibles por-tent sur le rayonnement global dans le plan horizontal.
L’évaluation de l’énergie incidente sur un plan quelconque est effec-tuée par des modèles de transposition, dont nous parlerons plus loin, qui font intervenir également la composante directe, ou la compo-sante diffuse, ce qui revient au même puisque dans le plan hori-zontal, on a la relation : Global = Direct + Diffus
Durée d'ensoleillement
Irradiance (flux, W / m2)
Irradiation (énergie, kWh / m2) Mesures du global
Mesures météorologiques courantes : global horizontal
Le moyen le plus simple pour mesurer la composante diffuse est d’utiliser un solarimètre, devant lequel on cache le rayonnement direct, soit par un arceau placé le long de la trajectoire diurne du soleil, soit par un cache mobile faisant un tour en 24 heures. Très peu de stations météorologiques en sont équipées, car ils nécessitent une surveillance et un réglage périodique de l’arceau ou du cache.
2.3.2 Données météorologiques en Suisse
En Suisse on dispose, depuis la fin des années 70 seulement, des données enregistrées par le réseau « Anetz » pour environ 55 stations réparties sur tout le territoire suisse. Ces données comportent en général, outre le global horizontal, la durée d’ensoleillement, la tem-pérature, l’humidité, la direction et vitesse du vent, et ne sont publiées qu’en valeurs mensuelles.
Pour trois stations seulement (Kloten, Davos et Locarno), des mesures horaires incluant le diffus sont actuellement disponibles.
D’autre part, des mesures très complètes ont été enregistrées de 1978 à 1982 à Genève par une équipe de l’Université.
2.3.3 La base de données Météonorm
Dès 1985, un effort considérable a été entrepris pour fournir aux concepteurs d’installations solaires un outil fiable et standardisé per-mettant d’évaluer rapidement le rayonnement solaire.
Figure 2.9 Mesures du rayonnement solaire Pyranomètre et cellule PV
de référence
Mesures du diffus
Pyranomètre
Thermocouples
Coupoles de verre
Tension thermo-électrique 5 - 15 mV Très large spectre de rayonnements
Grande acceptance angulaire
Cellule PV de référence
Réponse spectrale spécifique au PV SI-cristallin Acceptance angulaire limitée par réflexions
Tension à vide 500 mV
Le datalogger calcule l'irradiance et la température de la cellule Courant de court-circuit 30 mA/1 ohm: 30 mV Séparation
électrique
Shunt
Le programme Météonorm’85 comprend une série de 4 publications exposant la méthodologie, ainsi qu’une synthèse des données du réseau Anetz, permettant d’évaluer l’énergie solaire disponible en n’importe quel lieu de Suisse, et sur des plans de diverses orienta-tions, en valeurs mensuelles [2]. Ces données étaient surtout des-tinées au calcul d’installations thermiques, et incluent d’ailleurs des tables de la quantité d’énergie directement fournie par certains types de capteurs.
Ces publications ont été doublées d’un logiciel d’usage extrêmement simple et rapide, qui fournit l’ensoleillement et la température men-suels pour un lieu et dans un plan quelconques.
Mais si des données mensuelles peuvent suffire pour une première estimation des performances d’un système photovoltaïque (avec une précision de l’ordre de 10 à 20 %), une analyse plus fine (dyna-mique) requiert des données détaillées (horaires) pour le global et le diffus. Cette exigence fait l’objet d’une refonte globale du pro-gramme Météonorm, sous l’appellation Météonorm’95, disponible depuis fin 1995. Cette nouvelle base de données appuie ses valeurs mensuelles sur des moyennes de 10 années de mesures (1983-1992) dans 64 stations, et fournit des données horaires[3] mesurées pour 22 stations (tableau 2.1).
Tableau 2.1
Données DRY dans Météonorm'95 Altdorf Interlaken St-Gall
Bâle Binningen La Chaux-de-Fonds St-Moritz-Samedan Berne-Liebefeld Locarno Sion
Les données horaires seront fournies sous forme de « Design Refe-rence Years » (DRY). Basées sur des mesures recueillies durant une dizaine d’années, les DRY sont une juxtaposition des 12 mois les plus significatifs choisis dans cet échantillon, pour obtenir une année moyenne représentative.
En attendant la sortie de Météonorm’95, on trouvera dans la bibliothèque de PVSYST les données DRY des 22 stations ci-dessus.
2.3.4 Corrections des données météo
Lorsqu’on voudra simuler un système photovoltaïque, il conviendra de choisir un site météorologique dont les conditions soient le plus représentatives du lieu du système. Or les valeurs météo peuvent varier, d’un lieu à l’autre, en fonction de divers paramètres : région, microclimat, brouillards, type et orientation du terrain, etc. L’altitude est un des paramètres les plus significatifs, notamment concernant la température ; c’est pourquoi on définit une « distance climatique », comme la somme quadratique de la distance entre deux sites, et leur différence d’altitude affectée d’un poids de 100 :
DistClim = (DistHor2+ (100 · DiffAlt) 2) 1 / 2
Pour assurer une précision de l’ordre de 5 % sur le global, et 1°C sur la température, Météonorm’95 recommande de considérer comme acceptable une distance climatique jusqu’à 20 km. Cette exigence permet de délimiter des zones de validité autour des sites de mesure, qui peuvent être très réduites en régions montagneuses. Ainsi par exemple, pour la station de Sion, seul le fond de la vallée du Rhône de Martigny à Sierre est concerné.
Pour tenter d’étendre ces zones, on peut envisager d’appliquer des corrections d’altitude : une analyse statistique de l’ensemble des données Anetz avait permis à Météonorm’85 de déterminer des gra-dients mensuels pour l’ensoleillement et la température, dépendant de la région climatique et de la saison (brouillards hivernaux). Bien que ces gradients aient été établis pour les données mensuelles, leur utilisation pour des simulations PV en valeurs horaires ne devraient pas introduire d’erreurs trop importantes en ce qui concerne la simu-lation de systèmes PV.
PVSYST permet d’effectuer cette correction d’altitude en cas de besoin.
2.3.5 Génération de données synthétiques
En dehors de ces zones de validité, ou pour des sites étrangers dont on ne connaît que les moyennes mensuelles, les simulations dyna-miques requièrent la création de séquences artificielles de valeurs horaires pour le rayonnement et la température. Grâce à des méthodes statistiques basées sur un grand nombre de données météo enregistrées dans des régions climatiques différentes, il est possible de générer des valeurs horaires synthétiques qui reprodui-sent au mieux les distributions temporelles réalistes (successions de jours, successions d’heures dans la journée). Une telle génération sera proposée par Météonorm’95 et est implémentée dans le logiciel PVSYST avec les options suivantes : soit générer des suites de valeurs conformes aux distributions générales, mais parfaitement aléatoires, aboutissant à des moyennes mensuelles et annuelles non prédeterminées (on aura une distribution de « bonnes » et de « mau-vaises » années), soit renormaliser ces données pour obtenir les moyennes mensuelles et annuelles fournies au départ.
2.3.6 Modèle de rayonnement diffus
Le traitement de l’énergie reçue au niveau des cellules fait intervenir différemment les composantes directe et diffuse. Il est donc néces-saire de disposer d’une évaluation différentiée (global et diffus, ou direct et diffus) en valeurs horaires. Malheureusement, ces mesures sont rarement disponibles dans les bases de données météorologiques horaires, et ne sont pas fournies par le générateur synthétique. Nous devrons donc encore recourir à un modèle, liant la proportion de diffus à la seule donnée disponible, soit le global horizontal. Un des modèles les plus performants à l’heure actuelle (Perez-Ineichen, [4]), utilisé dans METEONORM et PVSYST fait inter-venir l’indice de clarté kt, et une mesure de stabilité des conditions météo par la prise en compte de ses valeurs horaires précédente et suivante.