Comment le rayonnement solaire influence-t-il le pompage photovoltaïque à Marrakech ?

L’impact du rayonnement solaire sur l’efficacité des systèmes de pompage photovoltaïque est analysé dans cette étude captivante. Découvrez comment cette technologie révolutionnaire peut transformer l’agriculture marocaine en réduisant les coûts et en favorisant l’irrigation durable dans les zones arides.

Chapitre I Gisement Solaire

Introduction

Distante de 149,6 millions de kilomètres de la terre, et dont fait son rayonnement 8 min pour nous atteindre, le soleil est une étoile naine de forme pseudo-sphérique comparable à une immense boule de gaz très chauds, il qui émet des rayonnements électromagnétiques appelés photons, dont une petite partie est visible à l’oiel nue et le reste est invisible.

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Figure I. 1 Composants du rayonnement solaire

IL ya 4,5 milliard d’années que le soleil apporte de l’énergie dans l’espace, c’est une source renouvelable de l’énergie, de diamètre 1,4 millions de kilomètres, de masse 2 x 10³⁰ kg, Il est constitué principalement de 80% d’hydrogène, de 19% d’hélium, le 1% restant est un mélange de plus de 100 éléments. Sa luminosité totale, c’est-à-dire la puissance qu’il émet sous forme de photons, est à peu près égale à 4×10²⁶ W [4].

Seule une partie est interceptée par la terre, elle est de l’ordre de 1,7×10¹⁷ W, 30% de cette puissance est réfléchie vers l’espace, 47% est absorbée et 23% est utilisée comme source d’énergie pour le cycle d’évaporation-précipitation de l’atmosphère.

Les caractéristiques principales sont combinées dans le tableau suivant

Tableau I.1: Caractéristiques principales du soleil

Sur Terre, l’énergie solaire est à l’origine du cycle de l’eau, du vent et de la photosynthèse du règne végétal. Le règne animal, y compris l’humanité, dépendent des végétaux sur lesquels sont fondées toutes les chaînes alimentaires.

L’énergie solaire est à l’origine de toutes les formes de production énergétique aujourd’hui utilisées sur Terre, à l’exception de l’énergie nucléaire, de la géothermie et de l’énergie marémotrice (hydraulique). L’homme utilise l’énergie solaire pour la transformer en d’autres formes d’énergie : énergie chimique (les aliments que notre corps utilise), énergie cinétique, énergie thermique, énergie électrique ou biomasse[2].

Par extension, l’expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l’électricité ou l’énergie thermique obtenue à partir de la source énergétique primaire qu’est le rayonnement solaire.

Exploitations de l’énergie solaire :

L’exploitation de cette immense énergie prend trois voies :

Energie solaire thermique :

L’énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire en deux usages :

• en usage direct de la chaleur : chauffe-eau et chauffages solaires, cuisinières et sécheuses solaires ;
• en usage indirect, la chaleur servant pour un autre usage : rafraichissement solaire, dessalement, etc.

De fait, elle est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau ou des locaux. On utilise pour cela des capteurs thermiques. Il en existe plusieurs catégories, mais le principe est toujours le même : le capteur thermique absorbe les photons solaires et les transforme en chaleur. Celle-ci est ensuite transmise à un liquide ou à un gaz qui la transporte (le gaz est alors dit « caloporteur ») vers un réservoir de stockage de chaleur [2].

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Collecteurs vitrés : collecteurs non vitrés

Figure I.2 : puissance mondiale des installations du chauffe-eau solaire en GW

Energie solaire thermodynamique :

C’est la production de l’électricité à travers les rayonnements solaires, c’est l’énergie solaire concentrée reconnue sous CSP « concentrating solar power ».

Le principe consiste à capter les rayonnements du soleil sur un capteur à concentration qui va les concentrer pour avoir une grande température allant parfois jusqu’à 1000 °C, ainsi produire de la vapeur à grande pression qui va fonctionner un groupe turbo-alternateur pour générer du courant électrique [2].

Parmi les technologies de concentration majeures peuvent être citées :

• les centrales solaires cylindro-paraboliques avec concentration linéaire, équipées d’auges paraboliques ;
• les centrales solaires à miroirs de Fresnel avec concentration linéaire, équipées de lames de miroirs légèrement incurvées ;
• les centrales solaires à tour avec héliostats renvoyant le rayonnement sur le concentrateur ;
• les paraboles solaires Dish-Stirling avec une concentration ponctuelle, équipées d’un moteur Stirling (moteur à air chaud).

Elles permettent le stockage d’une partie de l’énergie sous forme de chaleur. Ce stockage permet de diminuer les conséquences de l’intermittence de la ressource solaire en permettant, par exemple, de continuer à produire de l’électricité après le coucher du soleil.

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Figure I.3 : Puissance mondiale installée en Thermique à Solaire concentré en MW

Energie solaire photovoltaïque :

Le mot « photovoltaïque » apportée par la découverte de Alexandre Edmond Becquerel en 1839, et désigne la transformation d’une partie du rayonnement solaire en électricité.

Cette technique solaire photovoltaïque a constitué un grand avancement dans la découverte de l’électricité. Le principe consiste à capter les rayons du soleil par un capteur de constitution semi-conductrice, en général le Silicium, qui va créer une différence de potentiel aux bornes du capteur ou « cellule solaire » ainsi un courant électrique est créé.

La première cellule photovoltaïque était fabriquée par les deux ingénieurs de Bell Téléphone aux Etats-Unis en 1954, et avait un rendement de 6%, suivie en 1959 par la mise d’une cellule photovoltaïque sur le satellite American Vanguard, puis il y’avait un succès moyen dans ce domaine, se traduisant par l’utilisation des panneaux solaires sur les toits pour garantir l’électricité domestique, sur les calculatrices et lampes solaires, dans le domaine de télécommunication, et bien sûr pour pomper de l’eau.

Malgré le rendement faible, maximal de 15 à 19 %, des panneaux solaires, ils représentent un domaine indispensable et très répandu aujourd’hui pour avoir un confort en électricité, et diminuer les coûts de consommation vu l’élévation des coûts d’électricité à issue fossile comme le pétrole, le gaz et charbon.

Cependant, plusieurs recherches sont menées dans le domaine solaire photovoltaïque pour améliorer le rendement des cellules solaires et réduire leurs prix dans le marché afin de garantir le confort vis-à-vis cette technologie.

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Figure I.4 : Puissance mondiale installée en solaire photovoltaïque en MW

• Le photovoltaïque a marqué un taux d’énergie installée de 443 TWh en 2017, et d’une puissance totale de 10 GW en 2018.
• Le champ photovoltaïque a marqué un taux d’énergie installée de 515 TWh en 2018, soit 480,35 GW après avoir été 386 GW en 2017.
• Le taux de croissance composé annuel des installations photovoltaïques a atteint 24% de 2010 à 2017.
• Le ratio de performance des systèmes photovoltaïques a atteint les 80% à 90% après avoir été au bout de 70% les années 2000 [3].

Spectre du rayonnement solaire :

Le rayonnement électromagnétique est composé de « grains » de lumière appelés photons. L’énergie de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde  elle est donnée par la formule suivante :

𝐸 = h𝑣= ^{𝐡 𝐜} , où :



h : La constante de Planck, égale à 6,62 10^-34 J.s ^-1

C : La vitesse de propagation égale à 3* 10⁸ m.s ^-1

La figure (I.5) représente la variation de la répartition spectrale énergétique. L’énergie associée à ce rayonnement solaire se décompose approximativement en :

Ultraviolet UV : 0.20 << 0.38 µm 6.4%.

Visible : 0.38 << 0.78 µm 48.0%.

Infrarouge IR : 0.78 << 10 µm 45.6%

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Figure I.5 : Analyse spectrale du rayonnement solaire

Rayonnement solaire:

L’énergie reçue au niveau du sol est plus faible que 1354 w/m² (la constante solaire) car l’atmosphère réfléchit une autre partie du rayonnement solaire vers l’espace (environ 6%) et absorbe une partie du rayonnement solaire (environ 15%) et la réémet dans toutes les directions sous forme de rayonnement diffus. Le rayonnement absorbé par l’atmosphère est ensuite partiellement réfléchi, absorbé et diffusé par les atomes, les molécules, les gaz et tous les aérosols qui constituent l’atmosphère de telle sorte que le rayonnement reçu au sol comporte une partie directe et une partie diffuse.

Cependant, le rayonnement global au niveau du sol se définit comme la somme du rayonnement direct, réfléchi et diffus.

L’énergie reçue par une surface dépend en outre de la saison, de la latitude, des conditions météorologiques, du relief, de la pollution, de l’orientation de la surface considérée.

Rayonnement solaire direct :

C’est le rayonnement du soleil qui franchit les couches atmosphériques sans aucune déformation ou déviation et provient à la surface du sol.

Il est mesuré par un appareil appelé pyrhéliomètre.

Rayonnement solaire diffus:

Le rayonnement diffus est le rayonnement émis par des obstacles (nuages, sol, bâtiments) et provient de toutes les directions. La part du rayonnement diffus n’est pas négligeable et peut atteindre 50% du rayonnement global (selon la situation géographique du lieu). Le rayonnement global sur la terre et sa part de rayonnement diffus varie au cours de l’année. Sa mesure est effectuée avec un pyranomètre.

Rayonnement solaire réfléchi ou « du à l’albédo » :

C’est le rayonnement solaire résultant de la réflexion du rayonnement par les surfaces inclinées du sol. Albédo : c’est le rapport entre le rayonnement réfléchi ou diffus et le rayonnement incident, les valeurs de l’albédo changent selon la constitution du sol réfléchissant. Ce coefficient est d’autant plus élevé que la surface est claire (étendue d’eau, neige,).

Rayonnement solaire réfléchi = rayonnement solaire horizontal * albédo

Rayonnement solaire global:

C’est au niveau d’une surface du sol, la somme des rayonnements direct, diffus et réfléchi.

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Figure I.6 : rayonnement global

Gisement solaire :

Introduction :

L’énergie solaire est la plus dominante de toutes les énergies renouvelables, elle est l’une des plus facilement exploitables. Comme la plupart des énergies douces, elle donne à l’usager la possibilité de subvenir sans intermédiaire à une partie de ses besoins.

La connaissance de la position du soleil dans le ciel à un moment donné, à un tel lieu et durant une saison définie, et le savoir des heures du coucher et lever du soleil ainsi que les heures d’ensoleillement et le taux d’irradiation solaire à la surface, sont des exigences primordiales pour l’étude des données nécessaires pour l’exploitation de l’énergie solaire [4].

Cependant, le gisement solaire est l’ensemble des données astronomiques, météorologiques et géographiques du soleil durant son parcours, ou bien plus précisément durant la rotation de la terre dans son trajectoire elliptique.

Sphère Céleste :

C’est la sphère imaginaire dont le centre est la terre et le rayon est la distance soleil-terre, et dont tous les astres vus dans l’espace sont considérés sur sa surface.

C’est sur la sphère céleste que sont repérés les astres pour déterminer leurs coordonnées célestes.

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Figure I-7 : Sphère céleste

Coordonnées géographiques :

La terre a une forme sphérique, elle tourne autour de son axe, axe de pôles dont les extrémités sont le pôle nord et pôle sud. Le plan passant par le centre de la terre et perpendiculaire à cet axe est l’équateur.

Tout point sur la terre est défini par ses grandeurs géographiques : sa latitude et sa longitude :

La Latitude :

C’est l’angle que fait l’équateur avec le rayon de la terre passant par le lieu considéré, elle est notée 𝛗 et varie de 0 à 90 vers le nord, et 0 à -90 vers le sud. Cette convention de signe affecte le signe (+) à tous les lieux de l’hémisphère nord et le signe (-) à tous les lieux de l’hémisphère sud.

La longitude :

C’est l’angle que le méridien de Greenwich avec le méridien du lieu considéré, elle est notée L et varie de 0 à 180 vers l’est et 0 à -180 à l’ouest. On affecte du signe (+) les méridiens situés à l’est du méridien de Greenwich, et du signe (-) les méridiens situés à l’ouest [4]. Par exemple Casablanca a pour coordonnées géographiques :

Latitude 33° 35′ 17 N

Longitude -7° 36′ 40 O

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Figure I-8 : coordonnées géographiques sur la terre

Coordonnées horaires :

Les coordonnées horaires sont déterminées par l’axe des pôles et le plan de l’équateur, le méridien du lieu étant pris comme origine. Chaque point de l’espace est repéré par sa déclinaison 𝛅 et son angle horaire 𝛚 :

La déclinaison:

Désignée par 𝛅, c’est l’angle que fait le plan équatorial avec le plan écliptique. Elle varie au cours de l’année entre + 23,45° au 22 juin et -23,45° au 22 décembre, et est égal à zéro aux équinoxes. Elle se calcule par la relation suivante :

δ = 23.45° Sin (𝟑𝟖𝟖 × (284 + j))

𝟑𝟔𝟓

Avec j : le nombre des jours compté dès le premier janvier.

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Figure I.9 : La déclinaison du soleil au cours de l’année

L’angle horaire :

Désigné par 𝛚, c’est l’angle entre le méridien céleste du lieu et le cercle horaire de l’astre, compté sur l’équateur céleste positivement vers l’ouest à partir du méridien, de 0 à 24 heures ou de 0° à 360°. L’angle horaire mesure la course du soleil dans le ciel, et est donné par la relation :

ω = 15 (TSV – 12)

Avec TSV : temps solaire vrai

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Figure I.10 : angle horaire

I -5-5 Coordonnées horizontales :

Le repère horizontal est formé par le plan de l’horizon astronomique et la verticale du lieu. Dans ce repère les coordonnées du soleil sont [4] :

La hauteur du soleil (h) :

C’est l’angle formé entre le plan horizontal du lieu et la direction du soleil, il varie entre 0 au lever et 180 au coucher du soleil, et est maximal à midi. Il est donné par la relation :

Sin (h) = sin (φ).sin (δ) + cos (φ).cos (δ).cos (ω)

φ : Latitude du lieu.

δ : La déclinaison du soleil.

ω : L’angle horaire.

L’azimut (a) :

L’azimut du soleil est l’angle formé entre la direction du sud et la projection du soleil sur le plan horizontal, il est compté positivement vers l’ouest et négativement vers l’est,

Il est donné par la relation:

Sin (a) =

𝐜𝐨𝐬(𝛅).𝐬𝐢𝐧(𝛚)

𝐜𝐨𝐬(𝐡)

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Figure I.11 : Hauteur (h) et azimut (a) du soleil

Gisement solaire au Maroc

Le Maroc dispose d’une durée annuelle d’ensoleillement variant entre 2800 heures au nord et 3400 heures au sud, et une irradiation moyenne supérieure à 5 KWh.m^-2.j^-1, ce qui constitue un gisement solaire vaste [5].

Par ses trois voies d’exploitations photovoltaïque, thermique et thermodynamique, l’énergie solaire constitue une branche importante parmi les sources d’énergie renouvelables exploitées au Maroc, visant une capacité de 2000 MW, soit 14% de la puissance totale installée, à l’horizon de 2020.

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Figure I.12 : Carte d’irradiation solaire au Maroc [5].

Gisement solaire au monde :

La quantité d’énergie reçue par la Terre est considérable. Chaque année, ce sont 1.070.000 pétawatts-heures (PWh, soit 10¹⁵ Wh) que reçoit la Terre, soit plus de 8.000 fois la consommation énergétique mondiale annuelle (133 PWh en 2005). Exploiter seulement 0,01% de cette énergie suffirait donc à couvrir les besoins énergétiques de la planète [6].

Pourtant, l’énergie solaire au sens où on l’entend (photovoltaïque et thermique) ne représentait que 0,1% de la consommation énergétique mondiale en 2008. L’un des freins au développement de l’exploitation de cette énergie est sa production intermittente, en fonction de l’ensoleillement (nuage, nuit, saison), et la difficulté de son stockage, que ce soit sous forme de chaleur ou d’électricité.

Les cinq plus grands parcs solaires au monde sont [7] :

• Le parc solaire de Pavagada en Inde a une capacité de 2 000 MW et s’étend sur 52,5 kilomètres carrés sur cinq villages. Il produira suffisamment d’électricité pour alimenter environ 700 000 foyers.
• Le parc solaire Kurnool Ultra Mega de 1000 MW à Andhra Pradesh en Inde. Réparti sur 23 kilomètres carrés, ce parc solaire était opérationnel en mai 2017. En octobre 2017, il avait déjà généré plus de 800 millions d’unités d’énergie et économisé plus de 700 000 tonnes de dioxyde de carbone.
• Parc solaire du barrage de Longyangxia en Chine et compte 4 millions de panneaux solaires. La taille de l’usine et sa capacité de 850 mégawatts et génère environ 220 GWh d’électricité par an, ce qui équivaut à alimenter 200 000 foyers.
• Le parc de Kamuthi en Inde comprend 2,5 millions de modules solaires et génère une capacité de 648 mégawatts sur une superficie de 10 kilomètres carrés.
• La centrale d’énergie solaire à concentration (CSP) du complexe de Noor au Maroc avec une capacité de 580 mégawatts est la plus grande au monde dans la technologie CSP.

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Figure I.13 : Irradiation globale horizontale dans le monde [8]

II-8 Conclusion :

Dans ce premier chapitre, nous avons présenté les caractéristiques du soleil, les voies d’exploitation de l’énergie solaire et ensuite les données du gisement solaire qui est le siège de toute étude solaire photovoltaïque, y compris l’irradiation solaire, la composition du rayonnement solaire arrivant sur le sol, les paramètres de positionnement du soleil et, puis on a terminé par une vue sur les plus grandes fermes solaires au monde.

________________________

² Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑

³ Auchan Les 4 Temps, La Défense. ↑

⁴ Source non spécifiée. ↑

⁵ Source non spécifiée. ↑

⁶ Source non spécifiée. ↑

⁷ Source non spécifiée. ↑

⁸ Source non spécifiée. ↑

Questions Fréquemment Posées

Comment le rayonnement solaire influence-t-il le pompage photovoltaïque à Marrakech ?

L’énergie solaire est à l’origine de toutes les formes de production énergétique aujourd’hui utilisées sur Terre, et elle est exploitée pour transformer le rayonnement solaire en électricité ou en chaleur, ce qui est essentiel pour le pompage photovoltaïque.

Quels sont les avantages du pompage solaire dans les zones arides ?

Les avantages du pompage solaire incluent la réduction des émissions et des coûts de maintenance, ce qui est crucial pour l’irrigation durable dans les zones arides comme Marrakech.

Qu’est-ce que l’énergie solaire thermodynamique ?

L’énergie solaire thermodynamique consiste à produire de l’électricité à travers les rayonnements solaires en utilisant des capteurs à concentration pour générer de la vapeur à haute pression, qui fait fonctionner un groupe turbo-alternateur.