Comprendre l’irradiance solaire et les heures de soleil de pointe (PSH)

L’irradiance solaire est la puissance solaire reçue par unité de surface, à un instant donné. Elle s’exprime en watts par mètre carré (W/m²).

Par exemple, une irradiance de 800 W/m² signifie que chaque mètre carré de surface reçoit, à cet instant, 800 watts de puissance solaire. Par temps clair, autour de midi, l’irradiance sur un plan bien orienté approche souvent 1 000 W/m² ; tôt le matin, en fin de journée ou par temps couvert, elle est bien plus faible.

L’irradiance varie donc en permanence au cours de la journée et selon les conditions météorologiques : elle monte du lever au midi solaire, puis redescend jusqu’au coucher, et chute quand des nuages passent.

L’irradiation solaire est l’énergie solaire reçue par unité de surface sur une durée donnée. Alors que l’irradiance est une puissance instantanée, l’irradiation est une quantité accumulée dans le temps.

• Wh/m² (wattheures par mètre carré)
• kWh/m²/jour (kilowattheures par mètre carré et par jour)
• kWh/m²/mois
• kWh/m²/an

Les heures de soleil de pointe (PSH, de l’anglais « Peak Sun Hours ») sont une façon pratique d’exprimer l’irradiation journalière. Elles reposent sur une irradiance de référence de 1 000 W/m².

Ainsi, une irradiation de 5 kWh/m²/jour correspond à 5 PSH/jour. Il s’agit d’une notion d’énergie équivalente : on ne compte pas des heures réelles d’ensoleillement, mais le nombre d’heures « pleines » à 1 000 W/m² qui donneraient la même énergie totale.

Il peut sembler étrange d’exprimer une énergie en « heures ». L’idée vient de la forme de la courbe d’irradiance au fil de la journée.

Au cours d’une journée, l’irradiance dessine une courbe : faible le matin, maximale vers midi, puis décroissante. L’aire sous cette courbe est l’énergie totale reçue, c’est-à-dire l’irradiation du jour.

On peut remplacer cette courbe irrégulière par un rectangle équivalent de même aire : sa hauteur est fixée à 1 000 W/m² et sa largeur correspond alors au nombre d’heures de soleil de pointe. Les deux représentations contiennent exactement la même énergie.

Un site peut connaître beaucoup plus d’heures de jour que son nombre de PSH. La journée peut durer 12, 13 ou 14 heures, mais comme l’irradiance n’atteint 1 000 W/m² qu’une partie du temps (et reste faible le matin, le soir et par temps couvert), l’énergie totale reçue n’équivaut qu’à un certain nombre d’heures pleines à 1 000 W/m².

Les PSH ne décrivent donc pas : la durée réelle d’ensoleillement, la durée du jour, ni le nombre d’heures pendant lesquelles un panneau produit de l’électricité. Ce sont uniquement une mesure d’énergie équivalente.

Le schéma journalier typique est régulier par ciel clair : lever du soleil → irradiance croissante → irradiance maximale autour du midi solaire → irradiance décroissante → coucher du soleil.

Dans la réalité, les nuages et les conditions atmosphériques rendent ce profil très variable : l’irradiance peut chuter fortement en quelques minutes puis remonter. La courbe réelle est rarement lisse.

Ce qui compte pour l’irradiation, c’est l’énergie accumulée sous la courbe sur toute la journée, et non la valeur d’irradiance à un instant précis. C’est précisément cette énergie accumulée que les PSH résument en un seul nombre.

La ressource solaire d’un site dépend de plusieurs facteurs :

• La position géographique
• La latitude
• Le climat
• Les conditions atmosphériques
• La couverture nuageuse
• La saison
• L’orientation et l’inclinaison de la surface réceptrice

Il n’existe pas de valeur minimale ou maximale « universelle » de PSH : la ressource dépend du site réel. Toute borne chiffrée que vous rencontrez dans un logiciel est une contrainte de cet outil, pas une loi physique.

L’énergie reçue par une surface dépend fortement de la manière dont elle est orientée vers le soleil :

• L’inclinaison (angle par rapport à l’horizontale)
• L’azimut (orientation vers l’est, le sud, l’ouest…)

Plus la surface est orientée favorablement vers la course du soleil, plus elle capte d’irradiation sur l’année. Il n’existe pas d’angle optimal unique valable pour tous les lieux et tous les projets : l’optimum dépend de la latitude, du profil de consommation et des objectifs du projet.

Implémentation actuelle de NextPVDesign

Les Designers Off-Grid et On-Grid obtiennent actuellement les données de ressource solaire depuis PVGIS avec une inclinaison optimisée par PVGIS et une orientation appropriée vers l’équateur selon l’hémisphère.

Sur le plan technique, l’implémentation utilise la fonction d’inclinaison optimale de PVGIS (et non l’option d’optimisation simultanée de l’inclinaison et de l’azimut). Dans les Designers actuels, ces paramètres d’orientation ne sont pas modifiables manuellement par l’utilisateur.

Les informations de ressource solaire peuvent provenir de plusieurs sources :

• Des bases de données de ressource solaire
• Des jeux de données météorologiques
• Des outils de simulation PV
• Des services fiables de ressource solaire

Avant d’utiliser une valeur, vérifiez toujours ce qu’elle représente réellement :

• Le lieu concerné
• La période couverte
• Les unités employées
• L’orientation supposée
• L’inclinaison supposée
• S’il s’agit d’une valeur moyennée
• Ce que la valeur mesure exactement (irradiance ou irradiation, plan horizontal ou plan incliné…)

La ressource officielle PVGIS est accessible sur le site du Centre commun de recherche de la Commission européenne : https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/

Cette section documente la méthodologie réellement employée aujourd’hui. Le processus est le suivant :

1. Localisation du projet
2. Interrogation de PVGIS (PVcalc v5.2)
3. Récupération de l’irradiation annuelle dans le plan PV : H(i)y (en kWh/m²/an)
4. Division par 365 : H(i)y ÷ 365
5. Obtention de l’irradiation journalière moyenne
6. Conversion en PSH moyennes
7. Utilisation dans le calcul NextPVDesign

PVGIS fournit l’irradiation annuelle dans le plan des panneaux, en kWh/m²/an. NextPVDesign en déduit l’irradiation journalière moyenne :

Comme 1 kWh/m²/jour équivaut à 1 PSH/jour, la valeur obtenue est utilisée directement comme PSH moyenne.

Distinction méthodologique importante

PVGIS renvoie aussi une estimation de production PV. Cependant, les Designers Off-Grid et On-Grid de NextPVDesign n’utilisent pas directement cette valeur de production PV calculée par PVGIS pour leurs calculs de dimensionnement.

Une valeur de PSH utilisée pour un calcul préliminaire est généralement une moyenne ou une valeur représentative. Elle ne décrit pas ce qui se passe chaque jour.

Si la moyenne est de 5 PSH/jour, les journées réelles peuvent afficher plus de 5 PSH (ciel dégagé) comme moins de 5 PSH (temps couvert). Les conditions météorologiques et d’autres facteurs provoquent cette variation.

La ressource solaire varie d’un mois à l’autre et d’une saison à l’autre : plus élevée en été, plus faible en hiver (dans les régions concernées). Les moyennes annuelles restent utiles pour un premier dimensionnement, mais l’information mensuelle ou saisonnière peut être importante pour certains projets, notamment autonomes.

Comportement actuel de NextPVDesign

Les Designers Off-Grid et On-Grid actuels utilisent la PSH moyenne annuelle pour leurs calculs de dimensionnement.

Les données générales de ressource solaire ne tiennent pas automatiquement compte de chaque obstruction locale. Or l’ombrage peut réduire fortement la production réelle.

• Arbres
• Bâtiments
• Murs
• Poteaux
• Structures voisines
• Autres rangées de panneaux

L’ombrage est un aspect distinct de la conception PV. Il pourra être approfondi dans le futur tutoriel consacré aux pertes du système PV.

Les PSH permettent une première estimation, très simplifiée, de l’énergie produite par un générateur PV :

Par exemple : 3 kWc × 5 PSH/jour = 15 kWh/jour. Il s’agit d’une estimation préliminaire simplifiée.

Le calcul détaillé de la production fera l’objet du prochain tutoriel : « Comment estimer la production d’énergie solaire PV ».

Il est important de distinguer ce que les PSH peuvent et ne peuvent pas indiquer.

Ce que les PSH permettent

• Caractériser la ressource solaire d’un site
• Comparer des lieux entre eux
• Réaliser des estimations préliminaires d’énergie PV
• Fournir une entrée pour le dimensionnement PV

Ce que les PSH seules ne permettent pas de déterminer

• La production PV exacte
• La taille complète du système PV
• La capacité des batteries
• La puissance de l’onduleur
• La section des câbles
• La performance complète du système

Les outils NextPVDesign n’obtiennent pas tous les PSH de la même manière. Voici le comportement actuel de chacun.

Le Designer Off-Grid utilise la PSH moyenne dérivée de l’irradiation PVGIS. Le Designer On-Grid utilise la même méthodologie de PSH moyenne dérivée de PVGIS.

Reprenons le fil complet, de l’irradiation annuelle à une estimation préliminaire d’énergie.

1. Irradiation annuelle PVGIS = 1 825 kWh/m²/an (valeur illustrative)
2. Irradiation journalière moyenne : 1 825 ÷ 365 = 5,00 kWh/m²/jour
3. PSH = 5,00 h/jour
4. On suppose un générateur PV de 3 kWc
5. Estimation simplifiée : 3 × 5,00 = 15 kWh/jour

Ce tutoriel vous a appris à comprendre : l’irradiance, l’irradiation, les PSH et leur relation ; la différence entre PSH et durée du jour ; l’influence du lieu, de l’orientation et de l’inclinaison ; les variations saisonnières ; l’ombrage ; PVGIS ; et la méthodologie actuelle de NextPVDesign.

Le sujet logique suivant est la production d’énergie solaire PV.

• Confondre irradiance et irradiation.
• Confondre les PSH avec la durée du jour.
• Supposer que les PSH sont identiques chaque jour.
• Utiliser des données de ressource solaire sans vérifier ce qu’elles représentent.
• Ignorer l’orientation et l’inclinaison des panneaux.
• Ignorer l’ombrage local.
• Supposer que la PSH moyenne annuelle suffit pour tous les projets.
• Traiter « Puissance PV × PSH » comme un calcul de production complet.
• Supposer que tous les outils NextPVDesign obtiennent les PSH de la même manière.

• Confirmer la localisation du projet.
• Utiliser une source de ressource solaire fiable.
• Vérifier s’il s’agit d’irradiance ou d’irradiation.
• Vérifier les unités.
• Vérifier la période représentée.
• Vérifier l’orientation et l’inclinaison lorsque c’est pertinent.
• Déterminer si la valeur est une moyenne.
• Prendre en compte la variation saisonnière.
• Considérer l’ombrage local séparément.
• Se rappeler que les PSH ne sont pas la durée du jour.
• Utiliser les PSH comme une entrée de ressource solaire, pas comme un modèle de production PV complet.

Trois concepts fondamentaux structurent la ressource solaire :

• Irradiance → puissance solaire reçue par unité de surface (W/m²).
• Irradiation → énergie solaire reçue par unité de surface sur une durée (kWh/m²/jour).
• PSH → une manière équivalente d’exprimer l’énergie solaire (1 PSH/jour ≡ 1 kWh/m²/jour).

Et voici, en résumé, le processus actuel de NextPVDesign : Localisation → PVGIS → irradiation annuelle → PSH moyenne → calcul NextPVDesign.