Si les modèles géométriques simplifiés sont suffisants pour de nombreux systèmes photovoltaïques, ils atteignent leurs limites lorsque la variabilité spatiale et les effets induits par la géométrie jouent un rôle prépondérant. Les applications impliquant un terrain complexe, des structures environnantes, des modules bifaciaux ou des configurations agrivoltaïques nécessitent une représentation tridimensionnelle explicite pour évaluer l'irradiance de manière fiable.
LuSim aborde ces cas grâce à une approche de modélisation 3D basée sur le GPU, conçue pour capturer les interactions géométriques et l'hétérogénéité spatiale sans avoir recours à des hypothèses trop simplifiées.
LuSim repose sur une représentation tridimensionnelle explicite des systèmes photovoltaïques et de leur environnement. Le terrain, les structures de soutien, les modules et les objets environnants sont modélisés directement dans l'espace, plutôt que d'être réduits à des hypothèses bidimensionnelles simplifiées.
Cette approche est destinée aux cas où les effets géométriques et la variabilité spatiale ont un impact direct sur la distribution de l'irradiation et la performance du système. L'ombrage, les interactions mutuelles entre les surfaces et les effets environnementaux locaux sont donc traités comme des éléments de modélisation de premier ordre plutôt que comme des corrections secondaires.
L'évaluation de ces effets à haute résolution spatiale introduit une complexité de calcul importante. Dans LuSim, cette complexité est abordée par le biais d'un cadre de simulation basé sur le GPU qui permet d'évaluer efficacement les interactions géométriques tout en restant compatible avec les flux de travail des ingénieurs.
L'approche basée sur le GPU adoptée dans LuSim s'appuie sur des techniques de calcul développées à l'origine pour les graphiques 3D en temps réel et les jeux vidéo, où des scènes complexes doivent être rendues efficacement tout en préservant la précision géométrique.
En infographie, ces techniques sont conçues pour évaluer la visibilité, les occlusions et les interactions entre les surfaces dans des environnements tridimensionnels vastes et détaillés. Le problème informatique sous-jacent est structurellement similaire à la modélisation de l'irradiation dans les systèmes photovoltaïques complexes, où l'échange de rayonnement dépend de la géométrie, de l'orientation et de la visibilité mutuelle entre les surfaces.
En adaptant ces techniques matures et hautement optimisées basées sur le GPU à la modélisation de l'énergie solaire, LuSim tire parti d'un paradigme de calcul bien adapté à la manipulation de géométries complexes à haute résolution spatiale. Il est ainsi possible d'effectuer des évaluations détaillées de l'irradiation tout en conservant des temps de calcul compatibles avec les études paramétriques, les simulations par lots et les analyses d'incertitude.
Au cœur de LuSim se trouve une formulation de l'échange d'irradiance entre les surfaces, basée sur le facteur de vue. Chaque élément de surface interagit avec le ciel, le sol et les objets environnants en fonction de leur orientation relative, de leur visibilité et de leurs propriétés optiques.
Cette formulation est appliquée de manière cohérente en trois dimensions et à haute résolution spatiale. Elle est utilisée pour les composantes d'irradiation directe, diffuse et réfléchie, ce qui permet d'évaluer localement l'irradiation sur les modules photovoltaïques, les surfaces au sol, les cultures ou d'autres cibles, plutôt que de se limiter à des valeurs agrégées ou forfaitaires.
En travaillant avec des quantités d'irradiation résolues dans l'espace, LuSim permet d'analyser les effets d'hétérogénéité qui sont souvent négligés dans les modèles simplifiés, tels que l'ombrage partiel, l'albédo non uniforme, les gains bifaciaux localisés ou les interactions complexes entre les structures et le terrain.
LuSim évalue l'irradiance avec une résolution spatiale et temporelle explicite. Les cibles peuvent être définies à différentes échelles, depuis les régions de modules individuels jusqu'aux zones agrégées représentant des composants de systèmes plus importants.
Cela permet d'analyser les effets temporels tels que l'évolution de l'ombrage, le comportement de suivi et la variabilité saisonnière, ainsi que les modèles spatiaux qui influencent les performances du système, les pertes par inadéquation, les mécanismes de dégradation et l'incertitude.
Les choix de résolution sont faits pour équilibrer la pertinence physique et l'efficacité de calcul, en fonction de l'objectif de l'analyse.
LuSim permet de réaliser des évaluations complètes du rendement énergétique photovoltaïque dans un cadre de modélisation unique, et est particulièrement bien adapté aux systèmes dans lesquels les effets géométriques et la variabilité spatiale jouent un rôle prépondérant.
Par rapport aux approches de traçage de rayons, la méthodologie de facteur de vue basée sur le GPU adoptée dans LuSim offre un équilibre différent entre les détails physiques et le coût de calcul. Elle est donc particulièrement bien adaptée à l'exploration systématique de la conception, aux analyses multiparamétriques et aux études d'incertitude dans des environnements complexes.
Le choix de l'approche de modélisation doit toujours être guidé par la nature du système modélisé et les questions posées.
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