Comparaison de l'efficacité entre le suivi et les capteurs solaires plats fixés de manière optimale

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12712 (2023) Citer cet article

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Nous étudions l'orientation optimale pour un capteur solaire à plaque plate fixe en utilisant le modèle de ciel clair. La composante de réflexion au sol de l'irradiation qui frappe la surface du collecteur est ignorée en raison de son ampleur relativement faible par rapport aux composantes de diffusion directe du faisceau et du ciel. Les calculs analytiques démontrent que quelle que soit la latitude du collecteur, l'angle azimutal le plus efficace, \(\gamma ^*\), est de 0, ce qui correspond généralement à une direction Nord-Sud. Cependant, l'angle d'inclinaison optimal, \(\beta ^*\), dépend à la fois du jour de l'année (DoY) et de la latitude locale du collecteur. Pour les latitudes typiques des zones climatiques de moyenne altitude, nous pouvons calculer l'angle d'inclinaison optimal et l'énergie maximale que le collecteur peut récolter lors de chaque DoY. Nous comparons l’énergie quotidienne maximale reçue – qui est la somme des énergies de diffusion directe du faisceau et du ciel – associée à cette orientation optimale à leurs valeurs correspondantes lorsque la plaque plate suit le Soleil. L'augmentation relative de l'énergie totale due au suivi du Soleil dépend de manière critique du DoY, avec une valeur minimale d'environ \(17\%\) au début de l'hiver et une valeur maximale de \(40\%\) sur un large intervalle.

Les appareils tels que les capteurs solaires, les panneaux et les concentrateurs sont conçus pour récupérer l'énergie du rayonnement solaire1,2,3,4,5,6,7. Maximiser leurs performances et leur efficacité est crucial, et le moyen le plus efficace d'y parvenir est d'orienter le collecteur le long du faisceau solaire, connu sous le nom de Direction Normal Irradiance (DNI). Cependant, cela nécessite un système de suivi, car la position apparente du Soleil dans le ciel change au cours de la journée. Même si les systèmes de suivi peuvent améliorer considérablement l’efficacité, ils peuvent également être coûteux et nécessiter une énergie supplémentaire pour fonctionner8. De plus, leur fonctionnement et leur entretien sont également coûteux. Pour réduire ces coûts, il est souhaitable de placer les capteurs solaires selon une orientation fixe mais optimale et d'ajuster périodiquement cette orientation selon les besoins. Cependant, trouver l’orientation optimale n’est pas une tâche facile et dépend de plusieurs facteurs extrinsèques, notamment des conditions climatologiques et météorologiques9,10. En règle générale, l'orientation optimale d'un capteur solaire est déterminée empiriquement sur une base quotidienne, mensuelle, trimestrielle ou annuelle. Certains facteurs peuvent affecter la quantité de rayonnement reçu par un capteur solaire. L'irradiation reçue peut dépendre de la géométrie et de la forme du capteur solaire. De plus, cela dépend de la latitude du lieu, du jour de l’année, mais aussi du climat. En conséquence, la détermination de l’orientation optimale peut être un processus complexe et dépendant de l’emplacement. De nombreux capteurs solaires ont une surface plane, comme les capteurs plats et les panneaux photovoltaïques, tandis que d'autres ont une courbure concave, comme les paraboles solaires ou les creux paraboliques. Cependant, dans le cas de capteurs courbes, la surface effective exposée au Soleil (ouverture) est plate. L'orientation d'un collecteur à ouverture plate peut être spécifiée par deux angles d'inclinaison, \(\beta\) et d'azimut, \(\gamma\). Ces dernières années, plusieurs groupes de recherche ont étudié l'optimisation de l'orientation des capteurs solaires pour différents endroits à travers le monde. Différentes techniques, notamment des algorithmes génétiques et le recuit simulé, ont été utilisées11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29, 30,31,32,33,34,35,36,37,38. Pour un examen détaillé, voir39. La plupart des articles traitant du problème de l’orientation optimale des capteurs à surface plane l’ont fait à une échelle géographique locale et non universelle. En règle générale, il est suggéré que dans l’hémisphère Nord (Sud), l’orientation optimale soit orientée vers le sud (nord) et que l’angle d’inclinaison annuel optimal soit le même que la latitude locale. Cependant, d'autres articles ont proposé une plage plus large pour l'angle d'inclinaison optimal11,15,16. Malheureusement, bon nombre de ces recherches souffrent d’un manque d’approche mathématique globale et rigoureuse. Dans cet article, nous visons à résoudre le problème de l’optimisation des capteurs solaires à orientation fixe à l’aide d’un cadre mathématique rigoureux. Il peut sembler intuitif que l'orientation optimale du capteur soit perpendiculaire à la direction des rayons du soleil à midi solaire, car la lumière du soleil brille presque directement au-dessus de notre tête pendant cette période. Cependant, comme nous le verrons, compte tenu de la contribution de l’énergie d’irradiation directe tout au long de la journée, y compris le rayonnement tôt le matin et l’après-midi, l’angle d’inclinaison optimal s’écarte de cette conjecture. Comme nous le verrons, cela dépend essentiellement de la latitude et du jour de l’année. L’irradiation solaire totale reçue au sol se compose de trois composantes principales : le faisceau direct, la diffusion vers le ciel et la réflexion au sol. Bien que la contribution de la réflexion au sol soit négligeable, celle du rayonnement diffusif vers le ciel est significative. Dans cette étude, nous nous concentrons sur les composantes de diffusion directe du faisceau et du ciel, et ignorons la réflexion au sol. Plus précisément, nous calculons séparément les contributions énergétiques dues au rayonnement direct du faisceau et au rayonnement diffusif du ciel, ce dernier étant étudié en utilisant une approximation isotrope. Dans cet article, nous ne considérons pas l'impact de l'angle d'incidence de l'irradiation sur les caractéristiques de la conversion de l'énergie solaire. À titre d’exemple, l’efficacité des panneaux solaires photovoltaïques est affectée par l’angle sous lequel les rayons solaires frappent le panneau40,41,42 ou, dans les concentrateurs solaires, l’irradiation diffusive ne peut pas être captée. Ce problème important et difficile nécessite une enquête plus approfondie. De plus, l’efficacité dépendante de la technologie pourrait être intéressante pour des considérations futures. Ici, nous nous concentrons principalement sur l’énergie d’irradiation globale reçue d’un capteur plat plutôt que de nous plonger dans les détails de la conversion énergétique et de l’efficacité des panneaux. Cet article est organisé comme suit : dans la section « Un peu d'astronomie », quelques prérequis mathématiques en astronomie sont présentés ; dans la section « Formulation et méthodologie : orientation optimale d'un récepteur à plaque plate », nous discutons de l'orientation optimale d'un capteur solaire plat et fournissons une solution analytique pour les angles optimaux ; dans la section « Comparaison avec une plaque plate de suivi », nous comparons l'énergie totale récupérée par une plaque plate fixe et une plaque de suivi, et présentons nos résultats ; La section « Comparaison avec les résultats existants dans la littérature » ​​est dédiée à la comparaison de nos résultats avec des résultats similaires existants dans la littérature. Et enfin, nous concluons l'article avec quelques remarques finales.