Le gisement solaire

Le soleil a toujours eu un rôle prédominant dans les différentes activités naturelles de l’Univers, en particulier sur la Terre, pour la formation des sources d’énergie fossile et renouvelable [1].

Le gisement solaire est l’ensemble des caractéristiques de la ressource en énergie solaire disponible, en tout point de la surface terrestre.

La connaissance du gisement solaire est essentielle pour le calcul des diverses performances des systèmes liées au soleil comme les panneaux solaires photovoltaïques, l’isolation thermique d’une construction, le chauffage de locaux par l’intermédiaire exclusif du rayonnement solaire. Notre travail ici concerne les chauffes eaux solaires.

LES PARAMETRES DE POSITION

Pour pouvoir dimensionner correctement une installation solaire, il faut connaître, pour un site donné et à chaque instant, la position du Soleil dans le ciel et les coordonnées géographiques du lieu considéré. Pour cela, on aura donc besoin de connaître les deux systèmes de coordonnées suivantes :
– Les coordonnées géographiques terrestres
– Les coordonnées célestes

Les coordonnées géographiques terrestres

Les coordonnées géographiques terrestres servent à repérer les lieux sur la surface du globe. Elles ont comme bases l’équateur et l’axe des pôles.

– La latitude ϕ : c’est l’angle formé par le plan équatorial et le rayon joignant le centre de la terre à un lieu considéré (point local). Elle varie de 0° à l’équateur, 90° au pôle Nord et -90° au pôle Sud.

– La longitude L : c’est l’angle entre le plan méridien passant par un lieu (point local) avec la méridienne origine de GREENWICH en Angleterre. Elle varie de – 180° à +180° d’Ouest en Est, en partant de 0° au méridien de référence Greenwich. La longitude peut aussi être exprimée en heure, minute, et seconde par cette relation de conversion : 24h équivaut à 360° D’où 1h = 15° 1mn = 15′ 1s = 15′′

– L’altitude Z : qui correspond à la distance verticale entre un point et une surface de référence, le géoïde, figurant le niveau moyen de la mer.

Les coordonnées célestes

La position du soleil est déterminée à un chaque instant par ses coordonnées célestes. Celles-ci sont réparties en :
– Coordonnées horaires
– Coordonnées azimutales ou horizontales

Les coordonnées horaires
Dans ce repère, l’horizon est basculé de façon à amener la direction du zénith dans la direction du pôle .L’ancien horizon se nomme alors équateur céleste [2]. A partir de cette nouvelle référence, on définit les 2 angles nécessaires au repérage : l’angle horaire et la déclinaison.

– L’angle horaire ω
L’angle horaire du soleil est déterminé par la rotation diurne de la Terre autour de son axe. C’est la mesure de l’arc de trajectoire solaire compris entre le soleil et le plan méridien du lieu. Il mesure donc la course du soleil dans le ciel. Chaque heure correspond à une variation de 15° , car la Terre effectue un tour complet sur elle même en 24 heures. L’angle horaire sera compté négativement le matin lorsque le soleil est vers l’Est et positivement le soir lorsqu’il est à l’Ouest.

Il est donné par la formule suivante :
𝛚 = 𝟏𝟓° × (𝐓𝐒𝐕 − 𝟏𝟐) (1)

– La déclinaison du soleil 𝛅
On appelle déclinaison, l’angle formé par l’axe Terre-Soleil avec le plan de l’équateur à un moment donné de l’année. Elle varie entre 23 ° 27 ‘ au solstice d’été, à – 23 ° 27 ‘ au solstice d’hiver de manière sinusoïdale. Elle est nulle aux équinoxes [1],[3]. Cela est dû à l’inclinaison de l’axe de la Terre de 23°27’ par rapport au plan de l’écliptique.

Les coordonnées azimutales
Le repérage du soleil défini en un point de la surface terrestre se fait grâce à deux angles :
– La hauteur
– L’azimut
– La hauteur h
La hauteur du soleil est l’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan horizontal du lieu d’observation. Elle est exprimée en degré et varie de 0° à 90° selon la position du soleil. L’horizon a une hauteur de 0°.

On peut calculer la variation de la hauteur du soleil au cours de la journée en fonction de la déclinaison δ du jour considéré, de l’angle horaire ω et de la latitude ϕ par cette équation [5] :
𝐬𝐢𝐧(𝐡) = 𝐬𝐢𝐧(𝛟) 𝐬𝐢𝐧(𝛅) + 𝐜𝐨𝐬(𝛟) 𝐜𝐨𝐬(𝛅) 𝐜𝐨𝐬(𝛚) (3)

– L’azimut A
L’azimut est l’angle compris entre le méridien du lieu et le plan vertical passant par le soleil. L’origine des azimuts correspond à la direction du Sud dans l’hémisphère Nord et donc la direction du Nord dans l’hémisphère Sud. L’angle d’azimut est compris entre -180° et 180° compté positivement vers l’Ouest.

Le diagramme solaire 

Pour évaluer les paramètres solaires rapidement et sans calculs fastidieux, on utilise des diagrammes ou des abaques qui fournissent des valeurs approchées. Le diagramme solaire est représenté par l’azimut en abscisse et par la hauteur en ordonnée. Il sert à :
– Etablir la durée du jour selon les mois
– Déterminer la courbe quotidienne de l’ensoleillement moyen
– Vérifier que le site choisi est adapté par rapport aux obstacles qui peuvent faire de l’ombre sur les capteurs.