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Calcul d'ensoleillement - HelioMask

HelioMask est une application en ligne destinée a optimiser l'ensoleillement des bâtiments ou installations solaires

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Ensoleillement

Définition ensoleillement

L'ensoleillement, aussi appelé insolation, est la mesure du rayonnement solaire que reçoit une surface au cours d'une période donnée, s'exprimant en mégajoules par mètre carré, MJ/m2 (comme recommandé par l'Organisation météorologique mondiale) ou en watt-heures par mètre carré, Wh/m2 (surtout par l'industrie solaire). Cette mesure divisée par le temps d'enregistrement fournit la mesure de densité de puissance, appelée l'éclairement énergétique/irradiance, exprimé en watts par mètre carré (W/m2).

"Ensoleillement."Wikipédia, l'encyclopédie libre. 27 mars 2014, 16:06 UTC. 27 mars 2014, 16:11 voir la source.

Quel sont les paramètres qui impactent l'ensoleillement ?

L'irridiance à la surface de l'atmosphère, dans l'espace, est constant : elle est de 1 360,8 ± 0,5 W/m². C'est ce que l'on appelle la constante solaire.
Au sol, l'irridiance est réduit par de multiples facteurs :

  • L'atmosphère en elle même, c'est à dire un ciel dégagé, sans nuage.
  • La couverture nuageuse.
  • Le masque solaire lointain : le relief, les montagnes, peuvent réduire la durée d'ensoleillement
  • Le masque solaire proche : les autres objets créant une ombre portée sur le lieu d'étude (arbres, bâtiments, poteaux, etc.)
  • L'angle d'incidence : la puissance reçue est maximale si la surface perpendiculaire aux rayons du soleil, elle diminue selon le sinus de l'angle d'incidence.
Angle d'incidenceAngle d'incidence

Le calculateur d'ensoleillement HelioMask prendre en compte tout ces facteurs, à l'exception pour l'instant de la couverture nuageuse.

Une modélisation de l'irridiance dans un ciel dégagé

Le calcul d'irridiance utilisé par HelioMask est basé sur d'une modélisation scientifique d'un projet Européen : ESRA - EUROPEAN SOLAR RADIATION ATLAS. Les facteurs pris en compte dans ce modèle pour l'irridiance directe sont :

  • la constante solaire
  • la distance terre-soleil
  • l'altitude du lieu d'étude
  • la hauteur du soleil dans le ciel
  • la turbidité de l'air
  • l'angle d'incidence

Schématiquement, la formule pour modéliser l'irridiance directe sur une surface horizontale serait :
B = CS * e * sin(h) * T

  • B est l'irridiance directe au sol
  • CS la constante solaire
  • e un facteur pour corriger la constante solaire en fonction la distance terre-solaire qui varie tout au long de l'année
  • h est la hauteur du soleil. Par exemple, elle est de 0° au lever et coucher du soleil dans un horizon sans relief, et de 64° au solstice d'été à Paris.
  • T est la transmitance de l'athomsphère. Elle est fonction de la longueur d'atmosphère à traverser et de la trubitude (l'inverse de la clarté) de l'air. La longeur d'atmosphère est fonction de l'altitude du lieu et la hauteur du soleil dans le ciel. La réfraction atmosphérique doit être prise en compte.

Le soleil est plus fort à midi (au zénith) car il y a moins d'atmosphère à traverser.

Longueur de l'atmosphèreLongueur de l'atmosphère à traverser

De même, le soleil est plus fort en altitude pour la même raison.

Longueur de l'atmosphère avec reliefLongueur de l'atmosphère à traverser lieu en altitude

Le masque solaire lointain

Le masque solaire lointain est le masque généré par le relief. Dès que le terrain est vallonné, l'influence du masque solaire lointain est présente : Le soleil se lève plus tard, se couche plus tôt. Dans certains villages de régions montagneuses, le soleil peut être réduit à quelques heures par jour en hiver, voir même être masqué pendant plusieurs semaines (par exemple Villar-d'Arène, Hautes-Alpes). HelioMask calcule le masque solaire lointain de manière automatique et l'inclus dans le calcul d'ensoleillement.
Le masque solaire est un facteur primordial à prendre en compte, notamment pour le solaire thermique : en effet, lorsque le soleil est caché par un relief, l'irridiance directe tombe presque à zéro. Or, si pour les capteurs photovoltaïque l'irridiance diffuse est importante, pour le solaire thermique seul compte le rayonnement direct.

Le masque solaire proche

Le masque solaire proche est celui généré par les autres obstacles, qu'ils soient naturels (végétation, arbres) ou artificiels (bâtiments, cheminées, constructions). Le masque solaire proche n'est pas calculable : il doit être relevé sur le site. Un masque solaire est modélisé par une série de coordonnées (azimut, hauteur). La hauteur étant l'angle entre l'horizon est la ligne de mire du sommet de l'obstacle. Vous pouvez en savoir plus en consultant notre page Comment relever un masque solaire.

Durée du jour

Si la durée du jour officielle ne varie qu'en fonction de la latitude et du jour de l'année, la durée du jour réelle est influencée par le masque solaire. Notre application calcule automatiquement la durée du jour réel en tenant compte du relief.

Heure du lever et heure du coucher du soleil

De la même manière que la durée du jour, l'heure du lever du soleil et l'heure du coucher du soleil sont impactées par le masque solaire. Notre application calcule automatiquement les heures réelles du lever et du coucher du soleil en tenant compte du relief.

Etude d'ensoleillement

Grâce au calcul du masque solaire et de la course du soleil, notre application permet d'obtenir une étude d'ensoleillement. Cette étude est une étude d'impact des masques solaires sur l'ensoleillement. Elle permet de dire pour chaque période de l'année la quantité de soleil perdu par rapport à un endroit plat de même latitude sans masque. Cette perte peut être exprimée en termes de puissance d'ensoleillement ou de temps d'ensoleillement. La puissance d'ensoleillement, on parle plus techniquement d'irradiation solaire, est la puissance de rayonnement solaire reçu par une surface. L'exposition de la surface est paramétrable. Le temps d'ensoleillement est simplement le temps où la surface est éclairée, indépendamment de la puissance qu'elle reçoit.