Evaluation du gain d'énergie obtenu par réflexion sur le lac Léman

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Evaluation du gain d'énergie obtenu par réflexion sur le lac Léman

INEICHEN, Pierre, PAMPALONI, Eric & Groupe de Physique Appliquée

Abstract

Les résultats obtenus dans cette étude montrent que les gains obtenus pour une installation photovoltaïque en vue du lac Léman le long de l'autoroute sont très faibles, et ne justifient pas une bonne visibilité sur le lac dans son cahier des charges. Notons encore que les valeurs citées le sont pour un plan vertical. Si les capteurs de l'installation ne sont pas en position verticale, l'énergie incidente sera plus importante, mais l'effet de l'albédo sera plus faible, l'angle de vue du lac diminuant également.

INEICHEN, Pierre, PAMPALONI, Eric & Groupe de Physique Appliquée. Evaluation du gain d'énergie obtenu par réflexion sur le lac Léman. Genève : Groupe de Physique

Appliquée, 1993, 5 p.

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:38781

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Evaluation du gain d'énergie obtenu par réflexions sur le lac Léman

Pierre Ineichen, Eric Pampaloni Groupe de Physique Appliquée

Université de Genève 4 ch. de Conches, 1231 Conches

Chaîne de mesure au-dessus de Vevey

Mai 1993

Introduction

Dans le cadre d'une étude de faisabilité d'une installation photovoltaïque le long de l'autoroute du Léman dans le Lavaux par le bureau Keller et Zahn [1], nous avons effectué des mesures de l'influence des réflexions du rayonnement solaire sur le lac. En effet, le rayonnement moyen réfléchi par le sol est de l'ordre de 15-20% de celui incident sur un plan horizontal; dans cette étude, il s'agit de quantifier les gain obtenus pour une installation photovoltaïque qui a vue sur le lac.

Définition.

Pour déterminer le coefficient d'albédo d'une surface, il faut effectuer des mesures différenciées du rayonnement incident et du rayonnement réfléchi. Le rayonnement réfléchi est défini comme suit :

R_i =

ρ

½

ρ =

½

Site de mesure.

Le but de cette étude étant de quantifier l'énergie gagnée sur un site d'où le lac est visible, nous avons installé deux chaînes de mesure le long de l'autoroute du Léman au-dessus de Vevey, dont l'une avec vue, et l'autre sans vue sur le lac. Malheureusement, entre une première visite et l'installation proprement dite des systèmes de mesure, une haie de buisson masquant le lac a en partie été élaguée; nous effectuerons donc une comparaison entre deux sites de mesures dont l'un a une très bonne visibilité sur le lac, et l'autre une légère vue sur le lac.

Le site avec vue sur le lac est à environ 50m au-dessus du niveau du lac et à 200m de distance du lac, sur un terrain en pente sur lequel sont construites des villas. L'albédo proche est dû à l'autoroute et aux terrains bâtis. Une étude précédente a montré que l'albédo de ce genre de terrain est de l'ordre de 12-20% [2,3]. L'albédo lointain est ici dû à la présence du lac.

Le deuxième site se trouve à environ 500m en direction de Vevey, également le long de l'autoroute. La vue du lac est en grande partie masquée par une butte herbeuse et des cultures. Après élagage de la haie, l'angle de vue du lac est environ 8 à 10 fois plus faible que pour l'autre site. L'albédo proche est dû à l'autoroute et à la butte orientée au nord;

pour cet environnement, on s'attend ici à une valeur un peu plus faible que la normale.

Acquisition des données

Nous avons effectué une acquisition sur les deux sites durant le mois d'avril 1993 des rayonnements global horizontal, global vertical et rayonnement réfléchi. Une mesure est prise toutes les 5 secondes, la valeur intégrée étant stockée toutes les 5 minutes. Les instruments de mesure ont été calibrés par nos soins en janvier 1993, les chaînes

d'acquisition sont des modèles CR10 et 21X de Cambell Scientific.

La Figure 1 montre les systèmes d'acquisition. Le rayonnement vertical est mesuré au moyen de 2 solarimètres munis d'un horizon artificiel masquant un quart de sphère (le ciel et le sol respectivement).

Les conditions météorologiques du mois d'avril 1993 sont représentées sur la Figure. On y trouve sur le graphe du haut les rayonnements global et diffus sur un plan horizontal, et sur le graphe du bas les rayonnements globaux verticaux en provenance du ciel et du sol.

Coefficient d’albédo

Nous avons étudié le coefficient d’albédo des deux sites en fonction de différents paramètres météorologiques à disposition. Au moyen de modèles validés sur des mesures antérieures, nous avons recalculé les rayonnements diffus et direct sur un plan horizontal [4]. Ces deux rayonnements supplémentaires nous ont permis d’évaluer des coefficients différenciés selon les conditions d’ensoleillement. La Table suivante donne les différents résultats obtenus.

Sans coupure, les deux coefficients d’albédo ont respectivement des valeurs de 0.11 sans Figure 1 : Solarimètres et système d'acquisition

réfl. sans réfl. avec Gv Dh Bh Gh Dh/Gh Kt alb. sans alb. avec

valeurs en [kWh/m2.mois] pour avril 1993 valeurs pour avril 1993

sans coupure 6.6 8.7 77.1 56.5 64.7 121.2 .71 .39 .109 .143

Bh < 50 1.4 1.7 10.8 22.0 1.0 23.0 .94 .19 .118 .149

50 < Bh < 400 2.3 3.0 23.8 20.5 18.5 39.1 .54 .55 .117 .153

400 < Bh 2.9 4.0 42.5 14.0 45.1 59.1 .24 .75 .100 .135

Kt < .2 .5 .6 3.6 8.0 0.0 8.0 .96 .11 .116 .143

.2 < Kt < .6 2.2 2.8 20.2 28.3 8.9 37.2 .83 .36 .116 .153

.6 < Kt 3.9 5.3 53.2 20.2 55.7 75.9 .28 .73 .104 .138

hs < 45° 3.3 4.3 33.1 30.5 26.4 56.9 .77 .34 .117 .151

hs > 45° 3.2 4.4 44.0 26.0 38.3 64.2 .59 .49 .101 .137

lac et 0.14 avec lac. Une coupure sur le rayonnement direct met en évidence un coefficient légèrement plus faible pour des conditions très claires, ce qui confirme des résultats précédents [5] (une coupure sur les grandes valeurs de B_h élimine également les mesures de début et fin de journée).

En effectuant une coupure sur l’indice de clarté global K_t (rapport du rayonnement global horizontal sur le rayonnement extraterrestre correspondant), les résultats obte- nus sont sensiblement les mêmes. Une valeur de K_t < 0.2 correspond à toutes les mesures pour lesquelles le temps est couvert, et K_t > 0.6 à des mesures par temps clair (y compris les valeurs de début et fin de journée).

Enfin, une coupure sur la hauteur du soleil sur l’horizon (h_s > 45) ne tient compte que des mesures de milieu de journée avec un soleil proche du sud.

On constate que quelle que soit la coupure effectuée, les coefficients d’albédo se situent entre 0.10 et 0.15, et que le gain en provenance du lac est de l’ordre de 0.03.

En comparaison d’une étude effectuée sur des mesures de Genève, Lausanne, Trappes, Carpentras et Albany (Etats-Unis), ces valeurs sont relativement faibles [3]; ceci est dû à l’horizon proche peu réfléchissant (autoroute sombre et talus exposé au nord).

Gain en énergie.

Nous avons évalué le gain potentiel dû aux réflexions du rayonnement par le lac Léman.

Au moyen de données Météonorm [6], nous avons évalué le rayonnement moyen annuel disponible à Vevey sur un plan vertical sud. A ce rayonnement, nous avons ajouté le rayonnement réfléchi évalué sur la base des résultats précedemment obtenus. On constate que sur une base annuelle, le gain est inférieur à 2%, soit moins de 20 [kWh/

m^2.an] (ce qui représente moin de 2[kWh/m^2.an] de productions d’éléctricité photovol- taïque!).

Conclusions

Les résultats obtenus dans cette étude montrent que les gains obtenus pour une installation photovoltaïque en vue du lac Léman le long de l’autoroute sont très faibles, et ne justifient pas une bonne visibilité sur le lac dans son cahier des charges.

Notons encore que les valeurs citées le sont pour un plan vertical. Si les capteurs de l’installation ne sont pas en position verticale, l’énergie incidente sera plus importante, mais l’effet de l’albédo sera plus faible, l’angle de vue du lac diminuant également.

jan. fév. mars avril mai juin juil. août sept. oct. nov.déc. déc. total

Gh 32.2 49.7 90.8 128.9 150.7 168.4 181.4 144.1 108.1 73.3 35.9 28.7 1192 Valeurs en

Gv 48.5 60.4 84.1 89.7 83.4 83.4 93.1 90.6 91.4 84.1 50.3 48.1 907 [kWh/m2.an]

Réfl. sans 1.8 2.7 5.0 7.1 8.3 9.3 10.0 7.9 5.9 4.0 2.0 1.6 66

Réfl. avec 2.3 3.5 6.4 9.0 10.5 11.8 12.7 10.1 7.6 5.1 2.5 2.0 83

Gv sans 50.3 63.1 89.1 96.8 91.7 92.7 103.1 98.5 97.3 88.1 52.3 49.7 973 gain annuel

Gv avec 50.8 63.9 90.5 98.7 93.9 95.2 105.8 100.7 99.0 89.2 52.8 50.1 991 1.8%

Références

[1] Faisabilité d'une installation photovoltaïque le long de l'autoroute N9 dans le Lavaux.

Keller & Zahn, Lavigny, Projet OFEN, 1992

[2] The importance of correct albedo determination for adequately modelling energy received by inclined surface.

P. Ineichen et al., Solar Energy, Vol. 39 N° 4, 1987.

[3] Ground-reflected Radiation and Albedo.

P. Ineichen et al, Solar Energy,Vol 44, N°4, pp 207-214, 1990 [4] Indice de clarté

P. Ineichen et al., Groupe de Physique Appliquée, Université de Genève.

Publication du CUEPE N° 20, Juin 1984.

[5] Quatre années de mesures du rayonnement solaire à Genève.

Pierre Ineichen, Thèse, Université de Genève 1983.

[6] Météonorm, Office Fédéral de l'Energie.

Diffusé par Infosolar, 2013 Colombier, 1986.

Nomenclature.

G_h rayonnement global sur un plan horizontal D_h rayonnement diffus sur un plan horizontal B_h rayonnement direct sur un plan horizontal R_i rayonnement réfléchi sur un plan incliné Gv rayonnement global sur le plan vertical K_t indice de clarté

h_s hauteur du soleil sur le plan horizontal i angle d'inclinaison du plan étudié

ρ