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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

17. La ressource solaire : importance et moyens de caractérisation

Philippe Blanc, Bella Espinar et Lucien Wald

Texte intégral

1La fraction de la puissance du rayonnement issu du Soleil interceptée à chaque instant par la Terre est de l’ordre de 175×106 GW : en un peu plus d’une demi-heure, la Terre et son atmosphère reçoivent du Soleil une quantité d’énergie équivalente à la consommation mondiale annuelle d’énergie finale. Dès 70 km d’altitude, l’éclairement solaire* va subir lors de sa progression descendante dans l’atmosphère une extinction liée aux phénomènes de diffusion et d’absorption induits par la présence de gaz, d’aérosols et de nuages dans l’atmosphère. Ainsi, en moyenne sur le globe, moins de la moitié du rayonnement solaire arrive à la surface de la Terre.

2Les variations de position et d’orientation de la Terre par rapport au Soleil induisent des variations saisonnières de l’éclairement solaire incident au sol. Les phénomènes d’extinction, notamment du fait des nuages, entraînent des variations beaucoup plus rapides dans le temps et l’espace. L’éclairement solaire joue un rôle-clé dans de nombreux domaines comme la biomasse (agriculture, foresterie), l’océanographie, les mouvements atmosphériques et océaniques, la santé humaine, l’architecture ou encore l’énergie. C’est pourquoi sa connaissance précise est d’une grande importance.

Connaître le rayonnement solaire

3Par analogie avec d’autres sources d’énergie, l’éclairement solaire peut être considéré comme un gisement ou une ressource. Plusieurs voies de conversion énergétique sont possibles pour l’exploiter : la conversion directe en énergie électrique par cellule photovoltaïque* ; la conversion directe en énergie thermique par capteur solaire thermique ; la conversion thermodynamique en énergie électrique, associant capteur solaire thermique, turbine ou moteur thermique et générateur électrique ; et la conversion en énergie chimique par voie photochimique (production d’hydrogène par photolyse de l’eau).

Fig. 1 – Exemple de capteurs actinométriques par ordre croissant de complexité de l’instrumentation et donc du niveau de détail de la caractérisation du rayonnement solaire

4L’éclairement solaire couvre pour 98 % un spectre assez large de 0,3 µm à 4 µm. Il est dit « total » lorsqu’il est intégré sur tout le spectre. Les voies thermique ou thermodynamique exploitent cet éclairement total ; la conversion photovoltaïque n’exploite, quant à elle, qu’une partie plus restreinte du spectre en fonction de la nature du ou des semi-conducteur(s)* utilisé(s). L’éclairement solaire global incident sur une surface orientée est la résultante de l’intégration d’une luminance solaire* incidente dont la répartition angulaire est hétérogène : cet éclairement dit « global » est schématiquement décomposé en une somme de trois éclairements issus de l’intégration de la luminance, suivant une partition de trois domaines : l’éclairement direct provenant de l’angle solide* du disque solaire (i.e. 0,27° de demi-angle d’ouverture) ; l’éclairement diffus provenant de l’angle solide du ciel vu par la surface ; l’éclairement réfléchi provenant de l’angle solide du sol vu par la surface, le cas échéant.

5La production électrique de cellules photovoltaïques sur un plan orienté dépend de l’éclairement global suivant l’orientation de ce dernier. À l’inverse, un système à concentration photovoltaïque ou thermodynamique sera sensible uniquement à l’éclairement direct, avec une fraction plus ou moins importante de l’éclairement diffus dans une zone angulaire dite « circumsolaire » proche de la direction du Soleil, en fonction de l’angle d’acceptance* de son système optique de concentration. En conséquence, les caractéristiques de l’éclairement solaire* liées à sa répartition spectrale et à sa décomposition (direct, diffus…) sont des caractéristiques déterminantes pour l’adéquation, le mode d’opération et le rendement d’un moyen de conversion solaire, en un lieu donné.

Caractériser la ressource solaire

6La ressource solaire peut être évaluée au moyen de capteurs actinométriques disposés au sol (figure 1). Toutefois, ces moyens de mesures ponctuelles sont relativement rares et cette rareté croît singulièrement avec la complexité de l’instrumentation. Ainsi, le réseau de stations météorologiques de Météo France comprend-il en France métropolitaine un peu plus de 450 pyranomètres et un seul pyrhéliomètre en fonction. Pour un lieu dépourvu de capteurs, des interpolations/extrapolations des mesures enregistrées par des stations proches sont a priori envisageables. Cependant, la précision de telles estimations diminue fortement avec la distance aux stations, et même en France, la précision atteinte de cette manière peut ne pas être satisfaisante. À l’échelle du globe, de nombreuses zones, notamment en Afrique, ne disposent d’aucun capteur actinométrique*.

Fig. 2 – Moyenne pluriannuelle (2004-2010) en MJ m-2 de l’irradiation solaire* annuelle globale horizontale (gauche) et directe en incidence normale (droite). Satellite Meteosat Second Génération, base de données HelioClim-3 crée par MINES ParisTech

7Une approche alternative (et complémentaire) est l’utilisation d’images satellites météorologiques en orbite géostationnaire*. Parmi les plus utilisées, les méthodes de la famille Heliostat déterminent un indice d’ennuagement* à partir des images dans la bande spectrale* visible. Cet indice, couplé à un modèle d’éclairement par ciel clair, permet une estimation de l’éclairement solaire incident au sol. Actuellement, la méthode appliquée permet d’enrichir en quasi-temps réel une base de données d’éclairement solaire incident au sol couvrant l’Afrique, l’Europe, le Moyen-Orient et l’Océan Atlantique (figure 2) depuis 2004 avec une résolution spatiale* de l’ordre de 3 km et une résolution temporelle de 15 minutes Cette base de données, accessible via des services Web, a ainsi satisfait plus de 2 millions de requêtes en 2011.

8Afin de répondre aux besoins exprimés par les utilisateurs pour une meilleure précision de la caractérisation du rayonnement solaire dans sa répartition spectrale et sa décomposition en rayonnement direct, circumsolaire* et diffus, une nouvelle approche nommée Heliosat-4 est actuellement à l’étude à MINES ParisTech, en partenariat avec le centre allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale (DLR). Elle consiste à recourir à une modélisation fine du transfert radiatif* de l’atmosphère dont les paramètres sur sa constitution et son état sont déterminés conjointement par imagerie satellitaire et par des modèles numériques météorologiques – comme celui du centre européen de prévision météorologique à moyen terme.

Bibliographie

Références bibliographiques

• P. BLANC, B. GESCHWIND, M. LEFEVRE et L. WALD – The Helioclim Project : Surface Solar Irradiance Data for Climate Applications, Remote Sensing, 2010.

• A. OUMBE NDEFFOTSING – Exploitation des nouvelles capacités d’observation de la terre pour évaluer le rayonnement solaire incident au sol, Thèse de doctorat, MINES ParisTech, 2009.

• L. WALD – Solar Radiation Energy (Fundamentals), Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), UNESCO, 2007.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Exemple de capteurs actinométriques par ordre croissant de complexité de l’instrumentation et donc du niveau de détail de la caractérisation du rayonnement solaire
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11054/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 130k
Légende Fig. 2 – Moyenne pluriannuelle (2004-2010) en MJ m-2 de l’irradiation solaire* annuelle globale horizontale (gauche) et directe en incidence normale (droite). Satellite Meteosat Second Génération, base de données HelioClim-3 crée par MINES ParisTech
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11054/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 155k

© CNRS Éditions, 2013

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