Les performances des systèmes photovoltaïques sont rarement régies par un seul paramètre de conception. Dans de nombreux projets, le rendement énergétique, les pertes et les performances économiques dépendent de combinaisons de variables interactives telles que la géométrie, l'espacement, la hauteur, l'orientation, les propriétés du sol, la stratégie de suivi, la capacité de stockage et le milieu environnant.
Dans les systèmes photovoltaïques complexes, ces interactions ne peuvent pas être saisies de manière fiable par des contrôles de sensibilité isolés ou des simulations déterministes uniques. L'optimisation multiparamétrique est donc nécessaire pour explorer systématiquement les espaces de conception et évaluer comment les choix techniques se traduisent en résultats énergétiques et financiers.
LuSim a été développé pour soutenir ce type d'analyse dans un cadre de modélisation 3D cohérent qui relie la modélisation physique aux indicateurs de performance économique.
LuSim s'appuie sur un cadre de simulation 3D basé sur le GPU pour représenter les systèmes photovoltaïques et leur environnement de manière explicite dans l'espace. Le terrain, les structures de soutien, les modules et les objets environnants sont modélisés directement en trois dimensions.
Le GPU est utilisé pour évaluer efficacement la visibilité géométrique et les interactions entre les surfaces. Cela permet de calculer les composantes directes, diffuses et réfléchies de l'irradiation avec une haute résolution spatiale, tout en conservant des temps de calcul compatibles avec les études paramétriques et les simulations par lots.
Cette approche permet à LuSim de traiter des géométries complexes sans les réduire à des hypothèses bidimensionnelles simplifiées.
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 aux composantes directes, diffuses et réfléchies. L'irradiation peut être évaluée localement sur les modules photovoltaïques, les surfaces au sol, les cultures ou d'autres cibles, plutôt que d'être limitée à des valeurs agrégées.
En travaillant avec des quantités résolues dans l'espace, LuSim permet d'analyser les effets de l'hétérogénéité qui sont souvent négligés dans les modèles simplifiés.
Dans LuSim, les surfaces sont associées à des propriétés matérielles qui régissent leur interaction avec le rayonnement entrant. Ces propriétés influencent l'irradiance réfléchie, les gains bifaciaux et la redistribution de la lumière dans la scène.
Plutôt que de s'appuyer sur des hypothèses uniformes ou des facteurs de correction fixes, LuSim permet de représenter les matériaux de manière explicite dans l'espace. Il est ainsi possible d'étudier l'impact d'une couverture partielle, de traitements locaux ou d'environnements hétérogènes.
Le niveau de détail des matériaux peut être adapté aux objectifs de l'étude, ce qui garantit la cohérence entre l'effort de modélisation et la précision attendue.
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 dépendant du temps, tels que l'évolution de l'ombrage, le comportement de suivi ou les variations saisonnières, ainsi que les modèles spatiaux qui influencent les performances, la 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 met en œuvre une chaîne complète de modélisation du rendement énergétique photovoltaïque, de l'évaluation de l'irradiation à la production d'énergie électrique et aux pertes du système. L'approche de modélisation suit les pratiques d'ingénierie établies et s'appuie sur des modèles scientifiquement validés à chaque étape du processus de simulation.
L'évaluation précise de l'irradiation dans des environnements 3D complexes constitue la base physique de la simulation. Ce rayonnement est converti en puissance électrique et en rendement énergétique à l'aide de modèles de performance photovoltaïque de pointe qui tiennent compte du comportement des modules, des effets de la température et des pertes au niveau du système.
LuSim intègre une combinaison de bibliothèques open source et de modèles décrits dans la littérature scientifique. Des outils open source tels que pvlib sont utilisés le cas échéant pour garantir la transparence et l'alignement sur les pratiques validées par la communauté. Lorsque des modèles pertinents sont décrits dans la littérature mais ne sont pas disponibles sous forme d'implémentations open source prêtes à l'emploi, ils sont implémentés directement dans LuSim sur la base de leurs formulations publiées.
En s'appuyant sur des modèles évalués par des pairs plutôt que sur des formulations propriétaires, LuSim garantit la cohérence avec les connaissances scientifiques actuelles tout en préservant la flexibilité dans la sélection des modèles. Chaque étape de la simulation du rendement énergétique de l'énergie photovoltaïque est donc définie par la validité scientifique et la pertinence du problème traité.
En combinant une modélisation avancée de l'irradiation en 3D avec des modèles électriques et de pertes validés, LuSim permet des évaluations complètes du rendement énergétique des systèmes photovoltaïques, adaptées aux études techniques et à l'aide à la décision, y compris dans les cas où la complexité géométrique et environnementale joue un rôle prépondérant.
Aucune approche de modélisation n'est universellement optimale. LuSim a été conçu pour les cas où les effets de la géométrie et la variabilité spatiale ne peuvent être négligés.
Son champ d'application et ses hypothèses sont explicitement définis, ce qui permet aux utilisateurs de comprendre où l'approche apporte une valeur ajoutée et où des méthodes plus simples peuvent être suffisantes. Cette clarté est essentielle pour interpréter correctement les résultats et les intégrer dans des processus plus larges d'ingénierie et de finance.
En rendant les limitations explicites plutôt qu'implicites, LuSim favorise des choix de modélisation éclairés plutôt que l'utilisation d'une boîte noire.
LuSim ne vise pas à remplacer toutes les méthodes de simulation photovoltaïque existantes. Il les complète en traitant les cas où les hypothèses géométriques simplifiées ne sont plus adéquates.
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 convient donc parfaitement à l'exploration systématique de la conception, à l'analyse multiparamétrique 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 et les questions à traiter.
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