Les projets photovoltaïques sont de plus en plus développés dans des environnements où les effets d'ombrage ne peuvent plus être décrits à l'aide d'hypothèses simplifiées. Les environnements urbains, les bâtiments complexes, les terrains irréguliers, les infrastructures proches et l'utilisation hybride des terres introduisent tous des interactions géométriques qui affectent fortement la distribution de l'irradiation sur les systèmes photovoltaïques. Dans ces situations, l'ombrage n'est pas seulement une source de pertes d'énergie, mais aussi un facteur d'incertitude majeur, qui influence directement les choix de conception, les évaluations de faisabilité et les possibilités de financement.
LuciSun fournit des conseils techniques et des services de simulation avancés pour les projets affectés par des ombrages complexes en 3D. Ces études sont réalisées par des experts de LuciSun qui utilisent LuSim comme outil de modélisation principal, ce qui permet d'analyser explicitement les effets d'ombrage en trois dimensions lorsque les approches classiques atteignent leurs limites.
Une analyse précise de l'ombrage nécessite une représentation explicite de tous les objets pertinents qui peuvent obstruer ou bloquer partiellement le rayonnement solaire. Dans LuSim, les sources d'ombrage sont modélisées directement en 3D, y compris les bâtiments, le terrain, la végétation, les structures de soutien, les infrastructures voisines et d'autres éléments spécifiques au site. Les objets statiques et dynamiques peuvent être représentés, ce qui permet aux modèles d'ombrage d'évoluer naturellement au fil du temps sans dépendre de masques d'ombrage prédéfinis ou d'abstractions géométriques simplifiées.
Cette approche est particulièrement importante lorsque l'ombrage provient de sources complexes ou non standard, telles que les environnements urbains, les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments (BIPV) ou les infrastructures traversant un site photovoltaïque. En préservant la géométrie 3D complète de la scène, LuSim capture les interactions spatiales qui ne peuvent pas être représentées à l'aide de projections bidimensionnelles ou de méthodes basées sur l'horizon.
Pour traiter efficacement les géométries complexes, LuSim s'appuie sur des techniques de tramage basées sur le GPU et inspirées des graphiques 3D en temps réel. La scène photovoltaïque est rendue du point de vue du soleil, et la visibilité entre le soleil et chaque élément de surface discrétisé est évaluée à haute résolution spatiale. Cette approche permet d'évaluer l'ombrage au niveau des modules individuels ou des régions de sous-modules tout en maintenant l'efficacité des calculs, même pour des scènes de grande taille et géométriquement complexes.
Par rapport aux approches de traçage de rayons, la rastérisation offre un compromis solide entre le réalisme physique et l'évolutivité. Elle permet d'effectuer efficacement des calculs de visibilité répétés et de réaliser des analyses résolues dans le temps sur de longues périodes de simulation, ce qui est essentiel pour réaliser des évaluations réalistes du rendement énergétique dans des environnements d'ombrage complexes.
Dans de nombreux cas réels, l'ombrage n'affecte qu'une partie d'un générateur photovoltaïque, ce qui entraîne une forte hétérogénéité spatiale de l'irradiation. L'ombrage localisé peut déclencher un décalage électrique, activer des diodes de dérivation et générer des pertes qui ne sont pas proportionnelles à la zone ombragée. LuSim résout explicitement ces effets locaux en discrétisant les surfaces PV dans l'espace et en suivant les variations d'irradiation à travers le système.
Ce niveau de détail est essentiel pour comprendre l'impact réel de l'ombrage partiel, en particulier dans les systèmes exposés à des objets d'ombrage minces ou distants, à un terrain irrégulier ou à un environnement complexe. Plutôt que de s'appuyer sur des facteurs d'ombrage moyens, LuSim préserve les informations locales qui sont essentielles pour une évaluation réaliste des performances et une comparaison des conceptions.
Certaines sources d'ombrage varient rapidement dans le temps et ne peuvent être traitées comme des obstacles statiques. C'est le cas, par exemple, des éléments rotatifs tels que les pales d'éoliennes ou d'autres structures mobiles situées à proximité d'installations photovoltaïques. Ces objets peuvent projeter des ombres partielles et des effets de pénombre qui varient rapidement et qu'il est difficile d'estimer en utilisant des hypothèses conservatrices ou statiques.
LuSim tient compte de l'ombrage dynamique en actualisant explicitement la géométrie des objets mobiles au fil du temps et en évaluant leur impact sur la distribution de l'irradiation à l'aide du même cadre de tramage 3D. Cela permet d'analyser les modèles d'ombrage transitoires et d'évaluer leur contribution aux pertes d'énergie sans avoir recours à des simplifications trop pessimistes.
Les objets linéaires minces tels que les lignes électriques, les câbles, les pylônes ou les infrastructures similaires présentent un défi spécifique en matière d'ombrage. Bien que leurs dimensions physiques soient faibles, ils peuvent projeter des ombres partielles étendues qui affectent les modules photovoltaïques de manière non binaire. Ces effets sont très sensibles à la géométrie, à l'orientation relative et à la distance, et sont souvent mal pris en compte par les approches de modélisation simplifiées.
En représentant explicitement ces éléments en 3D, LuSim permet d'évaluer de manière réaliste les effets d'ombrage partiel et de pénombre des objets minces. Cela permet d'évaluer les pertes localisées et d'éviter les conservatismes inutiles lorsque l'ombrage n'affecte que des parties limitées d'un système photovoltaïque, qu'il s'agisse d'installations au sol ou d'installations sur bâtiment.
L'irrégularité du terrain est un facteur important d'ombrage et d'auto-ombrage dans de nombreux projets photovoltaïques. Les pentes, les différences d'altitude, les talus et les caractéristiques locales du terrain peuvent modifier de manière significative la visibilité du soleil et l'ombrage mutuel entre les rangées. LuSim traite explicitement le terrain en 3D, ce qui permet de saisir les interactions d'ombrage dues à une topographie complexe sans réduire le site à des paramètres de pente simplifiés.
En plus des modèles de terrain schématiques, LuSim peut intégrer des données 3D mesurées dérivées de LiDAR ou de levés par drone.
Ces ensembles de données permettent de représenter des environnements réels avec une grande fidélité géométrique, y compris le terrain, la végétation et les objets proches. Ces représentations sont particulièrement précieuses dans les premières phases d'un projet, où des évaluations réalistes de l'ombrage peuvent soutenir les études de faisabilité de l'aménagement et l'identification des risques avant que l'ingénierie détaillée ne soit finalisée.
Les pertes d'ombrage calculées par LuSim sont intégrées de manière cohérente dans la chaîne de modélisation du rendement énergétique des systèmes photovoltaïques. Les composantes de l'irradiation directe, diffuse et réfléchie sont évaluées de manière cohérente en présence d'un ombrage complexe, et leur impact sur la performance électrique est évalué à l'aide de modèles de performance photovoltaïque validés. Cela garantit que les effets de l'ombrage sont propagés de manière réaliste dans les estimations de rendement énergétique annuel, sans s'appuyer sur des hypothèses de pertes fixes ou des facteurs de correction trop conservateurs.
Les approches complexes d'ombrage en 3D mises en œuvre dans LuSim sont régulièrement appliquées dans les études de conseil technique de LuciSun, couvrant un large éventail de situations réelles. Il s'agit notamment de centrales photovoltaïques à grande échelle, de systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments (BIPV), d'installations photovoltaïques verticales, d'environnements hybrides éolien-PV et de projets affectés par des contraintes complexes liées à l'environnement ou à l'infrastructure. La méthodologie a également été validée dans le cadre du projet de recherche européen Horizon Europe SERENDI-PV, par le biais d'une analyse comparative collaborative et d'une application à des installations réelles, ce qui renforce la confiance dans sa robustesse et son applicabilité.
La modélisation précise d'ombrages complexes en 3D n'est pas une fin en soi. Sa principale valeur réside dans l'aide à la prise de décisions techniques et financières éclairées lorsque les hypothèses simplifiées ne suffisent plus.
En fournissant une vision résolue dans l'espace et dans le temps des mécanismes d'ombrage, LuSim permet aux études consultatives de LuciSun de comparer les options de conception, d'identifier les stratégies d'atténuation et d'évaluer l'incertitude dans des contextes de projet difficiles où l'ombrage joue un rôle essentiel.
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