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ESTIMATION DE LA PRODUCTION
D’ENERGIE PHOTOVOLTAÎQUE PAR
UNE AGGLOMERATION
Application à l’agglomération
Tourangelle
Souvestre Quentin 2014-2015
Directeurs de recherche :
MindjinMaïzia
3
ESTIMATION DE LA PRODUCTION
D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE PAR
UNE AGGLOMERATION
APPLICATION A L’AGGLOMERATION TOURANGELLE
Directeurs de recherche :
MindjidMaïzia
Souvestre Quentin
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AVERTISSEMENT
Cette recherche a fait appel à des lectures, enquêtes et interviews. Tout emprunt à des
contenus d’interviews, des écrits autres que strictement personnel, toute reproduction
et citation, font systématiquement l’objet d’un référencement.
L’auteur de cette recherche a signé une attestation sur l'honneur de non plagiat.
5
FORMATION PAR LA RECHERCHE ET PROJET DE FIN D’ETUDES
EN GENIE DE L’AMENAGEMENT
La formation au génie de l’aménagement, assurée par le département aménagement de l’Ecole
Polytechnique de l’Université de Tours, associe dans le champ de l’urbanisme et de l’aménagement,
l’acquisition de connaissances fondamentales, l’acquisition de techniques et de savoir faire, la
formation à la pratique professionnelle et la formation par la recherche. Cette dernière ne vise pas à
former les seuls futurs élèves désireux de prolonger leur formation par les études doctorales, mais tout
en ouvrant à cette voie, elle vise tout d’abord à favoriser la capacité des futurs ingénieurs à :
Accroître leurs compétences en matière de pratique professionnelle par la mobilisation de
connaissances et de techniques, dont les fondements et contenus ont été explorés le plus
finement possible afin d’en assurer une bonne maîtrise intellectuelle et pratique,
Accroître la capacité des ingénieurs en génie de l’aménagement à innover tant en matière de
méthodes que d’outils, mobilisables pour affronter et résoudre les problèmes complexes posés
par l’organisation et la gestion des espaces.
La formation par la recherche inclut un exercice individuel de recherche, le projet de fin d’études
(P.F.E.), situé en dernière année de formation des élèves ingénieurs. Cet exercice correspond à un
stage d’une durée minimum de trois mois, en laboratoire de recherche, principalement au sein de
l’équipe Ingénierie du Projet d’Aménagement, Paysage et Environnement de l’UMR 6173 CITERES à
laquelle appartiennent les enseignants-chercheurs du département aménagement.
Le travail de recherche, dont l’objectif de base est d’acquérir une compétence méthodologique en
matière de recherche, doit répondre à l’un des deux grands objectifs :
Développer toute ou partie d’une méthode ou d’un outil nouveau permettant le traitement
innovant d’un problème d’aménagement
Approfondir les connaissances de base pour mieux affronter une question complexe en
matière d’aménagement.
Afin de valoriser ce travail de recherche nous avons décidé de mettre en ligne les
mémoires à partir de la mention bien.
7
REMERCIEMENTS
Je remercie tout particulièrement Monsieur Mindjid MAIZIA, directeur de ce projet de recherche,
pour son soutien, sa disponibilité et les conseils qu’il a pu m’apporter tout au long de ce travail.
Je tiens aussi à remercier toutes les personnes qui nous ont soutenues pendant toute la durée de
ce projet.
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SOMMAIRE Formation par la recherche et projet de fin d’études ......................................................................................... 5
Avertissement .............................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.
Définitions : .......................................................................................................................................................................... 9
I) Introduction ............................................................................................................................................................. 11
A) Cadre du projet ............................................................................................................................................. 11
B) Etat de l’art .......................................................................................................................................................... 11
II) Objectif .................................................................................................................................................................. 14
III) Méthode ................................................................................................................................................................ 14
A) Sélection des bâtiments : .......................................................................................................................... 14
a) Zone de protection du patrimoine : ..................................................................................................... 14
b) Typologie des toits des bâtiments : ...................................................................................................... 16
c) Orientation des toits des bâtiments ..................................................................................................... 18
B) Estimer le rayonnement solaire sur un bâtiment ............................................................................... 22
a) Rayonnement brut ...................................................................................................................................... 22
b) Coefficient de constructibilité ................................................................................................................ 26
C) Vérifier que la production d’énergie aide sensiblement dans les objectifs du PCET : ......... 28
IV) Résultats et interprétations ......................................................................................................................... 29
V) Conclusion et limites de l’étude ....................................................................................................................... 29
VI) ANNEXE ................................................................................................................................................................ 29
A) Sélection des bâtiments ............................................................................................................................ 29
i) Création de la couche de base Bâti_agglo : ........................................................................................ 30
ii) Création de la zone protégée .................................................................................................................. 30
iii) Création de la typologie de bâtiments ............................................................................................ 31
iv) Corélation entre l’orientation des toitures et des routes ....................................................... 31
v) Sélection du Bâti bien orienté ................................................................................................................ 31
B) Méthode de calcul du masque solaire et du coefficient de constructibilité ............................. 33
i) Calcul du masque solaire .......................................................................................................................... 33
ii) Calcul du coefficient de constructibilité ............................................................................................. 35
9
DEFINITIONS :
Diagramme solaire : ensemble des positions angulaire du soleil au court d’une année, a
une latitude donnée.
Figure 1 : diagramme solaire
Masque solaire : pourcentage du diagramme solaire obstrué par des éléments
environnants.
Figure 2 : masque solaire
PLU : Plan local d’urbanisme
PCET :
ALE : Agence Locale de l'Energie d'Indre-et-Loire
POLIS : Identification and mobilisation of Solar Potentials via Local strategies. soutenu par la
commission Européenne sur le programme « Energie Intelligent Europe
10
Maillage : Un maillage est la discrétisation spatiale d’un milieu continu, ou aussi, une
modélisation géométrique d’un domaine par des éléments proportionnés finis et bien
définis.
11
I) INTRODUCTION
A) CADRE DU PROJET
Depuis quelques années les communes de plus de 50 000 habitants, contraintes
par les objectifs du « 3 fois 20 » 1, entre autres, ont dû mettre en place des Plans Climats
Energie Territoriaux. Dans ces plans se trouvent des objectifs visant à augmenter la part
d’énergie renouvelable dans la consommation d’énergie finale. L’une des pistes qui vient
le plus spontanément est l’utilisation du potentiel solaire, particulièrement aux endroits
où il est le plus simple à exploiter : les toitures.
Ce rapport présentera une méthode de travail générale et son application à
l’agglomération Tourangelle. D’ailleurs, cette dernière a rédigé un document 56 actions
du plan climat dans lequel figure : « Tour(s)plus, avec l’ALE2, soutient le développement
de la production d’eau chaude avec le solaire thermique et organise le déploiement de
l’électricité photovoltaïque en tenant compte des contraintes spécifiques ».
Afin de réaliser l’étude du potentiel solaire de l’agglomération de Tours, j’ai passé
en revue de nombreuses études sur le sujet. Sans aucune surprise, les pays européens du
Sud (comme l’Espagne et l’Italie) mais aussi, de façon plus inattendue et détruisant les
préjugés liés à la latitude, l’Allemagne (premier pays mondial en production d’électricité
photovoltaïque) sont en avance par rapport à la France sur le sujet, l’installation
systématique de panneaux solaires étant retranscrite dans leur code de l’urbanisme [1].
Enfin, il faut préciser qu’un programme appelé « POLIS »3a pour but d’organiser
des conférences et ateliers afin d’accroître les connaissances dans le domaine de
cadastre solaire principalement. Ce dernier recense les pratiques actuelles en Europe et
donne quelques éléments de méthodologie pour la création indépendante d’un cadastre
solaire.
B) ETAT DE L’ART
1- diminuer de 14% des émissions de gaz à effet de serre entre 2005 et 2020 ; - atteindre 23 % d’énergies renouvelables dans le mix énergétique européen ; - réaliser 20 % d’économies d’énergie.
2 Agence Locale de l'Energie d'Indre-et-Loire
3« Identification and mobilisation of Solar Potentials via Local strategies », soutenu par la commission
Européenne sur le programme « Energie Intelligent Europe »
12
Actuellement, il existe différents moyens d’estimer la production d’énergie
photovoltaïque à l’échelle urbaine. Si la commune n’a pas les données géographiques
suffisantes : il est possible de mettre en place une couverture photographique
permettant de faire une restitution stéréoscopique afin d’acquérir les données
géographiques d’une qualité suffisante acquise. Ensuite avec les données une
modélisation et une simulation des bâtiments (principalement des toitures) est réalisée.
Le projet avancé se fonde sur un certain nombre d’hypothèses assez fortes : tout en
restant le plus proche possible de la réalité observée et en exposant ses limites, il
présente un modèle simple mais pas simpliste, et efficace.
L’étude systématique des façades n’a pas été prise en compte pour différents
motifs : parfois en conflit avec les restrictions PLU, mais principalement comme le dit
Xinyan Yang [2], les bâtiments portent des ombres les uns sur les et bien souvent les
façades sont fortement impactées par ces ombrages. Par ailleurs, d’Elisabeth Gratia et
André De Herde [3], soulignent que la surface vitrée des bâtiments, donc non-utilisable
pour les panneaux, a largement variée au cours des années et donc est extrêmement
difficile à quantifier. Pour finir, sur les façades – même orientées plein Sud – le
rendement des panneaux solaires est réduit. Il faut appliquer un facteur de correction
inférieur ou égal à 0.68 . Cette valeur implique une dégradation trop importante de la
productivité du panneau. Au regard de ces différents éléments, uniquement à l’étude du
potentiel des toitures sera effectué.
Par ailleurs, les travaux [4] d’enseignants chercheurs, comme Benoit Beckers
professeur associé à l’UTC, portant sur le calcul de disque solaire considérant les
données géométriques des bâtiments proches ont été étudiés. L’avantage de cette
méthode est qu’elle est très précise, mais lourde en calculs et plus adaptée à l’étude d’un
bâtiment ou d’un ensemble restreint de bâtiments. Néanmoins, cette méthode pourra
être utilisée pour confirmer aposteriori les résultats, et affiner les études en vue d’une
pose concrète de panneaux.
Dans la littérature, les articles liés à la production d’énergie photovoltaïque sont, dans
leur grande majorité, des études portant sur des champs de panneaux solaires.
L’exploitation de l’énergie solaire n’en est plus à ses balbutiements, mais les calculs et
opportunités méritent d’être encore largement approfondis.
Concernant les calculs, les études susmentionnées ont été réalisées à l’aide de modèles
« simples » où la production d’un seul panneau est multipliée par le nombre de
panneaux (la surface totale); modèle « correct » car certaines variables à cette échelle
deviennent des constantes, comme le masque solaire, généralement nul.
13
Concernant les opportunités, il faut réfléchir le plus largement possible et ne pas se
bloquer là où les préjugés sont bien encrés (comme par exemple les préjugés sur
l’inutilité d’implanter des panneaux solaires dans le Nord de la France). Toute
dégradation de la surface disponible pour les panneaux solaires doit être justifiée.
C’est pourquoi l’étude menée ici porte sur les toitures des bâtiments déjà
construits : une opportunité nouvelle encore peu considérée à l’heure actuelle en France
avec des plus approfondie que pour les champs photovoltaïques.
14
II) OBJECTIF DE L’ÉTUDE
Compte tenu de l’état de l’art présenté au paragraphe précédent, cette étude traitera
principalement de l’installation de panneaux photovoltaïques sur les toitures déjà
construites afin d’apporter une estimation de la production d’énergie photovoltaïque à
l’échelle urbaine de façon plus précise qu’un calcul statistique (surface*ensoleillement)
en modélisant de façon efficace.
Cet objectif se décompose en trois étapes :
-sélectionner les zones éligibles à l’implantation de panneaux solaires ;
-estimer le rayonnement solaire sur un bâtiment ;
-vérifier que la production d’énergie aide sensiblement dans les objectifs du
PCET .
III) MÉTHODE
A) SÉLECTION DES BÂTIMENTS :
a) ZONE DE PROTECTION DU PATRIMOINE4 : En premier lieu, les zones dites « classées »ont été exclues. Elles correspondent à un
cercle de rayon de 500m autour de tous les bâtiments catégorisés « classés » par
l’architecte des bâtiments de France.
4Bases de données : patrimoine_bati( agence d’urbanisme de Tours)
15
carte 1 : influence des monuments classés par rapport a l'implantation de panneaux photovoltaïques
Figure 3 : proportion de surface protégée ou non
Suite à cette étape 27,5% de la totalité des bâtiments a été retiré.
Remarque : d’autre bâtiments catégorisés « remarquable, très intéressant…. » ainsi que
leurs environnements n’ont pas été pris en compte dans l’exclusion, car même si
l’implantation est délicate voir difficile, elle n’y est pas impossible.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Mill
ion
s d
e m
²
m² de surfaces utilisables et protégées
zone protégée
utilisable
'4 monuments classés
routes
limites du périmètre de 500m
bâtiments en zone protégée
autres batiments
µ0 150 30075 m
16
b) TYPOLOGIE DES TOITS DES BATIMENTS5 :
Etant donné que dans la base de données certains immeubles sont agrégés entre eux, il
est impossible de créer une typologie cohérente basée sur la surface des bâtiments. En
effet, aucune corrélation n’a pu être faite entre la surface ou la hauteur de façon
significative et utile.
Photo aérienne1: réalité de la place Jean Jaurès Carte 2 : modélisation de la place Jean Jaurès
Pour pallier à ce manque d’information, les zones du PLU ont été choisies pour
déterminer la nature des toits selon l’hypothèse :
-Les formes des toitures (plates ou inclinées) sont corrélées avec la zone PLU
dans laquelle elles se trouvent.
5 Bases de données : -Bd_topo (département aménagement polytech)
-GEOPLU (Agence d’urbanisme de Tours)
17
carte 3 : type de bâtiment en fonction de la zone PLU où ils se trouvent
En effet, les zones PLU découpent en général le tissu urbain en quartiers globalement
morphologiquement homogène. On y retrouve les quartiers industriels, les nouveaux
quartiers présentant une « mixité fonctionnelle » (avec principalement des toitures
plates), les anciens quartiers, les nouveaux quartiers d’habitat en périphérie de
l’agglomération (maisons à toitures inclinées)…
routes
bâtiments à toits plats
bâtiments à toits inclinés
zones PLU a toits plats
bâtiments non-éligible µ0 150 30075 m
18
Figure 4 : proportion de surface inclinée ou plate
La répartition suivante est obtenue : 68% de la surface des toits est inclinée (soit 49%
du total), 32% de la surface est plate (soit 23% du total).
c) ORIENTATION DES TOITS DES BATIMENTS6
Il n’y a pas besoin de calculer l’orientation des bâtiments pour les toits plats étant
donné que les panneaux y seront posés à plat à l’horizontal.
Uniquement l’orientation des bâtiments à toits inclinés sera développée par la suite.
Selon Cécile Duchêne, Sylvain Bard, Xavier Barillot, Anne Ruas, Jenny Trévisan et
Florence Holzapfel [5] l’orientation d’un bâtiment est facilement calculée de la manière
suivante :
-prendre le rectangle minimum englobant le bâtiment ;
-isoler la largeur (le plus petit côté) de chaque rectangle ;
6 Base de données : -Bd-topo
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Mill
ion
s d
e m
²
Proportion de surfaces inclinées & surfaces plates
Surface totale
Surface inclinée
Surface plate
19
-calculer l'azimut, perpendiculaire à la largeur.
Figure 5 : méthode simple de calcul de l'azimut d'un bâtiment
Cette technique est remarquablement efficace pour les bâtiments rectangulaires.
Cependant, encore une fois, l’agrégation des bâtiments entre eux oblige à utiliser une
autre méthode en raison la base de données utilisée.
La méthode mise en place est fondée sur des observations de terrain.
L’hypothèse est la suivante : pour l’agglomération Tourangelle, les crêtes de toits sont
parallèles à l’axe de la route la plus proche.
photo arérienne 2: orientation des bâtiment en fonction de l'orientation de la voirie
20
Les bâtiments se trouvant à moins de 30m d’une route orientée Est-Ouest (± 45°) ont été
conservés car considérés comme étant bien alignés.
La limite de ± 45° a été choisie sur la base d’un facteur minimal de correction suite à
l’inclinaison/orientation. Ces valeurs sont le fruit de nombreuses expérimentations
indépendantes. Liens à venir.
Tableau 1: Facteur de correction pour une inclinaison et une orientation données
L’orientation Sud-Est et Sud-Ouest permettent une flexibilité importante sur la valeur de
l’inclinaison (entre 0° et 60°) adaptable à la majeure partie des toits.
21
carte 4 : sélection des bâtiments bien orientés
routes
Bâtiments orienté Sud (+- 45°)
bâtiments à toits plats
bâtiments non-éligible (protégés ou mal orientés)
zones PLU a toits plats µ0 150 30075 m
22
Figure 6 : proportion de surface bien orientée ou non
Parmi les toits inclinés, 59% de la surface bien orientée (soit 29% de la surface totale) et
41% de la surface mal orientée (soit 20% de la surface totale)
B) ESTIMER LE RAYONNEMENT SOLAIRE SUR UN BATIMENT
a) RAYONNEMENT BRUT
Le rayonnement reçu par les toitures dépend de nombreux facteurs. Ceux retenus pour
l’étude sont : rayonnement direct 7 ainsi que les ombres portées des bâtiments
avoisinants.
Les ombres portées des bâtiments avoisinants sont modélisées sous forme de masque
solaire. Le masque solaire intervient à deux moments dans cette étude :
7 Rayonnement direct : rayonnement provenant du seul disque solaire. Il est donc nul lorsque le soleil est occulté
par les nuages. Donnéesprisessurmétéo France
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Mil
lio
ns
de
m²
Surfaces en fonction de leur orientations
inéligible parailleurs
mal orientées
orientées Sud (+-45°)
plates
23
Dans un premier temps, pour filtrer les bâtiments trop ombrés donc ne recevant
pas assez de lumière au cours de l’année.
Dans un deuxième temps, pour pondérer légèrement le rayonnement total
arrivant sur un toit un peu masqué (inférieur à 10% d’ombrage sur l’année). Si un toit
est légèrement ombré au cours de l’année, il ne recevra pas 100% du rayonnement total.
Le masque solaire a été calculé pour chacun des bâtiments de l’agglomération, il n’y a
pas eu de « maillage » sur les toitures testées ce qui implique que les résultats obtenus
peuvent être un peu surestimé. Cependant, ces paramètres ont pour avantage d’être
calculés assez rapidement et d’être fidèles en un point situé au centre du toit.
Figure 1: masque de 8,7% (accepté) Figure 2 : masque de 40% (refusé)
Etant donné que les ombres ont une influence très importante sur les panneaux solaires,
les bâtiments ayant plus de 10% d’ombrage sur une année (masque solaire supérieur
ou égal à10%) ont été supprimés de la liste des bâtiments éligibles.
-150 -100 -50 0 50 100 1500
10
20
30
40
50
60
70
-150 -100 -50 0 50 100 1500
10
20
30
40
50
60
70
Hau
teu
r so
lair
e en
°
Hau
teu
r so
lair
e en
°
Azimut en ° Azimut en °
24
Figure 7 : proportion de toit en fonction du pourcentage de masque
Une grande partie des toits ne subissent aucun masque : 70% pour les toits inclinés et
82% pour les toits plats.5% des toits inclinés et 2% des toits plats seront retiré de
l’étude car considérés trop ombrés.
L’objectif est de déterminer la surface de toit disponible, et non le nombre de toit. Etant
donné que les toits plats sont en moyenne entre 3 et 4 fois plus grands que les toits
inclinés, il faut pondérer chaque toit par sa surface.
Voici le diagramme une fois la pondération surfacique effectuée :
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
toits plats toits inclinés
Nombre de toits en fonction du masque solaire
20% à 100%
10% à 20%
0% à 10%
0% (aucune ombre)
25
Figure 8 : pondération des nombre de toits masqués avec leurs surfaces
Figure 9 : surfaces en fonction de leurs caractéristiques principales
0
1
2
3
4
5
6
surface des toits plats surface des toits inclinés
Mill
ion
s d
e m
²
Surface de toiture présentant un masque solaire en fonction de leur catégorie
20% à 100%
10% à 20%
0% à 10%
0% (aucune ombre)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Mill
ion
s d
e m
²
Surfaces en fonction de leurs caractéristiques principales
inéligibles parailleurs
trop ombrées
inclinées Sud (+- 45°)
plates
Toit avec un
masque de :
26
b) COEFFICIENT DE CONSTRUCTIBILITÉ Ce coefficient sera définit par le pourcentage de toiture qui peut être recouvert de
panneaux photovoltaïque.
En effet, la majeure partie des toits présente des ornements tels que des velux,
cheminés, chiens assis… Il est inenvisageable de recouvrir ces éléments avec des
panneaux solaires. C’est pourquoi un coefficient correcteur sera attaché à chaque toiture
pour avoir une surface « exploitable » plus proche de la réalité.
i) Coefficient de constructibilité pour les toits plats :
Les panneaux solaires ont des formes standardisées rectangulaires relativement de
petite taille, comprise globalement entre 1m² et 4m². Par conséquent, il est rarement
possible, même en l’absence d’obstacle, de couvrir 100% de la toiture.
Voici la méthode mise en place :
Pour chaque toiture, on pose une grille (à la dimension du panneau qu’on
souhaite placer. Dans cet exemple : 3m*0.8m) et on étudie le nombre de cellules
entières présentes dans l’emprise du bâtiment.
Le coefficient de constructibilité (voir illustration ci-dessous) pour les toits plats est le
rapport entre la somme des surfaces des cellules entières et la surface du bâtiment.
Figure 10 : surface total et surface éligible a la présence de panneaux photovoltaïque d'un bâtiment
A l’aide de cette méthode une corrélation non négligeable a été mise en avant entre la
surface du bâtiment et le coefficient.
Cela s’explique de la façon suivante : plus la maille est réduite (par rapport à la taille du
bâtiment) plus elle en représente une grande partie (principe même de la
discrétisation).
27
Figure 11 : corélation entre la surface et le coefficient de constructibilité
ii) Coefficient toit incliné
Dans cette étude, les bâtiments ayant des toits inclinés sont supposés à deux ou quatre
pans, très rarement plus.
Pour les bâtiments à deux pans, si l’un des pans se retrouve bien exposé (Sud ± 45°),
l’autre pan sera inévitablement mal exposé.
Illustration à venir
Pour les bâtiments à quatre pans, au moins un – si ce n’est deux – pans sont forcément
bien exposés (Sud ±45°).
La surface des toits inclinés peut être alors divisée par 2 au minimum, soit un coefficient
de constructibilité inférieur à 0,5.
y = 2,9965e6,8271x R² = 0,7133 1
10
100
1000
10000
100000
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
surface totale en fonction du coefficient de constructibilité des toits plat
surface en fonction ducoefficient
Expon. (surface en fonctiondu coefficient)
28
Par ailleurs, les cheminés, antennes, chiens assis, Velux® et autres ornements,
installations, encombrements, sont autant d’éléments qui réduisent la surface de toiture
et provoquent des ombres à l’échelle mésoscopique. La dégradation du coefficient de
constructibilité engendrée par ces éléments est extrêmement difficile à quantifier. En
effet, les bases de données disponibles ne recensent pas ces éléments, et corréler leurs
présences et influences est impossible au les paramètres étant bien trop nombreux.
Afin de ne pas écarter de bâtiments qui seraient susceptibles de produire un maximum
d’énergie électrique, ces éléments perturbateurs ne seront pas considérer. Dans un
premier temps.
Voici l’influence des différents coefficients sur la surface des toits :
Figure 12 : dégradation de la surface avec le coefficient de constructibilité
C) VERIFIER QUE LA PRODUCTION D’ENERGIE AIDE SENSIBLEMENT DANS LES OBJECTIFS DU
PCET :
Pour quantifier la production d’énergie grâce à un programme écrit sur MATlab les
résultats de l’estimation du rayonnement solaire, des données géographiques ainsi que
la température et l’angle incident sont combinés.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
plates inclinées total
Mill
ion
s d
e m
²
Surfaces éligibles en fonction du coeficient de constructibilité
inéligibles par ailleurs
pertes duent au coef
inclinées
plates
29
IV) RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS
V) CONCLUSION ET LIMITES DE L’ÉTUDE CCL :
VI) ANNEXE
Pour ce projet 3 logiciels ont principalement été utilisés :
-Excel
-Arcmap®, logiciel de SIG
-MATlab®, logiciel de calculs
A) SÉLECTION DES BÂTIMENTS
Avant de pouvoir travailler sur les logiciels, il a fallu mettre en forme les données à disposition.
30
Voici les différents géotraitements qui ont été effectués :
i) CREATION DE LA COUCHE DE BASE BATI_AGGLO :
Après avoir sélectionnés selon certains attribues les couches de bases des bâtiments de la
BD_TOPO (industriels, remarquables et indifférenciés), elles ont été fusionnées entre elles pour
donner une couche unique.
model builder 1 : couche Bâti
Parmi les attributs sélectionnés, nous les bâtiments avec des hauteurs aberrantes (0 ; -99 …), et
des surfaces trop faibles (<5m²) ont été supprimé de la base de données.
ii) CREATION DE LA ZONE PROTEGEE
Grace a la base de données de l’agence d’urbanisme de Tours concernant le patrimoine bâti, il a
été très simple de sélectionner uniquement les bâtiments classés, puis de créer un buffer de
500m conformément a la loi en vigueur.
L’intersection de la couche Bâti_agglo avec les zones classées permet de supprimer l’ensemble
des bâtiments intouchable légalement.
model builder 2 : Bâti non classé
31
iii) CREATION DE LA TYPOLOGIE DE BATIMENTS
Voici quelque illustration permettant de corroborer l’hypothèse suivant : PLU
plat/incliné
Les zones PLU ont permis de déterminer le type de toiture d’un bâtiment. Pour cela une
sélection par attribue a été effectuée sur la base de données de l’agence d’urbanisme de Tours.
L’attribut « destination » a permis de catégorisé les zones plates avec :
- Mixte ;
- Sports et loisirs ;
- Equipement ;
- Activité .
Et les zones inclinées avec :
- Habitat ;
- Espace naturel .
L’intersection de ces deux types de zones avec la couche Bâti_non_classé a permis de créer les
couche Bâti_plat et Bâti_incliné
model builder 3 : Bâti plat et Bâti incliné
iv) CORRELATION ENTRE L’ORIENTATION DES TOITURES ET DES ROUTES
Photos à venir
v) SELECTION DU BATI BIEN ORIENTE
32
Lien entre l’orientation de la route et celui des toitures a été mis en avant, voici a présent
comment le quantifié via les logiciels utilisés.
A partir de la couche Routes_agglo de la BD_TOPO il est possible de conserver les routes
orientées à plus ou moins un certain angle à définir. Pour le projet ce sont les valeurs entre -45°
et 45° qui ont été retenues. En effet, il est considéré qu’une toiture peut accueillir des panneaux
photovoltaïques si elle est orientée à ± 45° du sud (cf Tableau 1: Facteur de correction pour une
inclinaison et une orientation données). Pour cela l’ajout du nouveau champ orientation calculer
avec le scripte suivant :
180+math.atan2((!Shape.firstpoint.X!-!Shape.lastpoint.X!),(!Shape.firstpoint.Y!-
!Shape.lastpoint.Y!))*(180/math.pi)
Grace à une sélection par attribut sur le champ orientation seules les routes bien orientées sont
conservées pour former un nouvelle couche de linéaire.
Un buffer de 30m est créé à partir de cette couche. L’intersection entre le buffer et la couche
Bâti_incliné donne un premier résultat visuellement correct, mais mathématiquement faux car le
buffer est appliqué en réalité sur chaque tronçon (bien orienté). Donc chaque extrémité produit
un cercle de 30m qui se chevauche avec l’extrémité suivante.
Cette zone de 30m fixée arbitrairement semble le meilleur compromis pour sélectionner
les bâtiments répondant aux hypothèses sans prendre ceux trop éloignés.
Pour palier à ce défaut la couche a été fusion sur le champ ID_Bâti_incliné.
1/2
2/2
model builder 4 : Bâti incliné bien orienté
33
B) METHODE DE CALCUL DU MASQUE SOLAIRE ET DU COEFFICIENT DE
CONSTRUCTIBILITE
i) CALCUL DU MASQUE SOLAIRE
Les toits de l’agglomération Tourangelle n’ont pas tous la même altitude, elle varie de 41m à
147m. Cette variation est assez importante. Les ombres ont un impact très important sur la
productivité des panneaux photovoltaïques, donc étant donné l’incertitude qui règne, la mise en
place d’un masque solaire par bâtiment semble inévitable.
Figure 13 : distribution des bâtiments en fonction de leurs altitudes
Pour réaliser ce dernier les données des 59589 bâtiments de la couche Bâti_agglo ont été
exportées :
-La coordonnée en X de son centroïde (par calcul géométrique proposé par le logiciel
Arcgis©)
-La coordonnées en Y de son centroïde (par calcul géométrique proposé par le
logicielArcgis©)
- le Zmax (altitude maximale du bâtiment)
-L’aire de sa base (par calcul géométrique proposé par le logiciel Arcgis©)
-La coordonnée en X du début de chaque arête de chaque bâtiment (avec l’outil
Fractionner des lignes au sommet proposé par le logiciel Arcgis©)
-La coordonnée en Y du début de chaque arête de chaque bâtiment (p avec l’outil
Fractionner des lignes au sommet proposé par le logiciel Arcgis©)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
no
mb
re d
e b
âtim
en
t
altidude du toit des bâtiments
Nombre de bâtiment en fonction de leur hauteur
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Pour chaque bâtiment des couches Bâti_incliné_bien_orienté et Bâti_plat on calcul la distance a
tous les autres bâtiments de la base de donnée. Si cette distance est inférieur a 250m. Valeur
seuil au delà de laquelle très rare sont les bâtiments pouvant avoir une influence importante.
Seules les tours ont une chance de créer une ombre à cette distance, et a partir de cette même
distance leur épaisseur devient extrêmement fine.
ILUSTRATION
Parmi les bâtiments situés dans les 250m avoisinants seuls ceux pouvant potentiellement
projeter une ombre sur celui étudié, sont retenus. L’agglomération de Tours se trouve à la
latitude et à la longitude (47°23’37’’N ; 0°41’21’’E). En prenant le Nord comme référence a 0°,
lors du jours le plus long (21 juin) où la course du soleil est la plus grande, le soleil se lève à un
azimut de 55,88° et se couche à 307,12°, ce qui représente une course de 254,24°. Tous les
bâtiments se trouvant entre 0° et 55,88° ou entre 254.24° et 360° n’ont aucune chance de
projeter une ombre sur le bâtiment étudié. Ils sont donc retirés pour la suite des calculs.
Figure 14 : Sélection de bâtiments par rapport à l'opposé de l'azimut. Les bâtiments en dehors du disque
partiel jaune sont ignorés lors des calculs
Enfin Tous les bâtiments n’induisent pas d’ombres sur les toits les uns des autres. Tout
simplement si un bâtiment « A » fait la même taille qu’un autre bâtiment « B » ou est plus petit
alors B ne pourra générer d’ombre sur le toit de A.
ILLUSTRATION
La valeur du seuil sera arbitrairement fixée à 5°, valeur qui permet de limiter le nombre de
calculs sans pour autant dégrader l’exactitude de ceux-ci. Cet angle permet de tenir compte à la
fois la distance et de la hauteur d’un bâtiment par rapport à celui étudié. Ainsi les bâtiments trop
éloignés ou trop petits par rapport au bâtiment étudié ne seront pas retenu pour les calcules à
venir.
35
Figure 15 : Sélection de bâtiment par rapport à la hauteur solaire. Les bâtiments dont la hauteur angulaire est
trop faible sont retirés de l'étude car ils ne pourront jamais projeter une ombre sur le bâtiment étudié,
quelles que soient la date et l'heure.
Une fois ces bâtiments sélectionnés, il faut dessiner l’allure qu’ils ont dans le ciel par rapport au
point où on se trouve.
Pour cela chaque bâtiment est décomposé en autant d’arête qu’il a de façades, les coordonnées X
et Y des débuts de chaque arête est obtenue par calcul géométrique avec le logiciel Arcgis©.
En calculant ensuite l’azimut, et la hauteur solaire de chaque début d’arête puis en reliant tous
ces points on obtient la projection du bâtiment vu depuis notre toit.
A ces projections est ajouté end fond la trajectoire solaire au long de l’année et il devient simple
de prédire quand le bâtiment ne produira pas d’énergie solaire.
ii) CALCUL DU COEFFICIENT DE CONSTRUCTIBILITÉ
Pour calculer le coefficient de constructibilité, 715 bâtiments ont été tirés au hasard.
Avec l’outil polygone-grille, une grille est introduite. Dans l’étude cette grille a pour
dimensions 3m par 0,8m. Ces valeurs sont arbitraires et correspondent à un type de
panneaux constructeur, ces valeurs peuvent être modifiées en fonction du type de
panneaux à implanter.
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Figure 16 : Création d'une grille sur un bâtiment
Une fois ce quadrillage établie, une intersection est faites avec l’emprise réelle du bâti. A
l’issue de cette étape, le résultat doit ressembler à la figure ci-dessous, les cellules en
bordures du bâtiment ne sont plus entières.
Figure 17 : Découpage de la grille par rapport à l'emprise du bâtiment
Ensuite seules les surface ayant une superficie de 3*0.8=2.4 m² sont conservées. Puis
fusionnées.
Figure 18 : Conservation des cellules entières
37
Le rapport entre la surface de cellule entière (couleur cyan) et la surface réel du bâtiment donne
le coefficient d’implantation.
1/2
model builder 5 : coefficient de constructibilité
2/2
C) CALCUL DE LA PRODUCTION D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE
41
Figure 20 : position du soleil par rapport à une surface inclinée
Changer Theta => alpha
L’angle extérieur d’azimut γ est tout simplement l’orientation du panneau solaire, soit
l’orientation du bâtiment calculé dans Sélection du Bâti bien orienté
[1]DocumentoBásico de Ahorro de Energía (DB-HE)CódigoTécnico de la Edificación. 2013. p
20.
[2]XINYAN, Yang.The impact of building density and building height heterogeneity on average
urban albedo and street surface temperature.In Building and Environment.Sciencedirect.August
2015. p. 146–156
[3]Elisabeth Gratia,André De Herde. Thermique des immeubles de bureau. Quantitative and
qualitative description2003. L’édition universitaire en ligne. 2003. pp 312-321.
[4] Beckers Benoit. Le diagramme solaire. 2004. p 16.
[5] Duchêne C., Bard S., Barillot X., Ruas A., Trévisan J., Holzappfel F. 2003. Quantitative
and qualitative description of building orientation. 5th ICA Workshop on progress in
automated map generalisation, Paris, 2003.
liste des ameliorations :
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%des Histogrammes
Affiner le diagramme solaire : pour supprimer uniquement les heures d’ensolleillement ou il y a
vraiment de l’ombre
Prise en compte de la topographie du terrain
Coef toit plat : simuler la pose de grille selon l’orientation du bati.
Coef toit incliné : faire des simulations plus fortes.
Base de donnée météo sur plusieurs années
43
CITERES
UMR 6173
Cités, Territoires,
Environnement et
Sociétés
Equipe IPA-PE
Ingénierie du Projet
d’Aménagement,
Paysage,
Environnement
35 allée Ferdinand de Lesseps
BP 30553
37205 TOURS cedex 3
Directeurs de recherche :
Mindjid Maïzia
ESTIMATION DE LA PRODUCTION D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE PAR UNE
AGGLOMERATION
Application à l’agglomération tourangelle
Ce projet a pour but la mise en place d’une méthode rapidement calculable pour
déterminer le potentiel énergétique lié aux panneaux photovoltaïques. Objectif est de
déterminer la courbe de charge générée si tous les endroits propice étaient couverts de
panneaux. Pour y arriver trois sous-objectifs ont été identifiés :
-la sélection des zones « rentable » à l’échelle urbaine ;
- la détermination des ombres portées sur chaque toits ainsi que le coefficient de
constructibilité (quelle proportion du toit est susceptible d’être recouverte) ;
-la simulation avec les données météorologiques et géographiques pour chaque
heure de l’année.
Suite à cela nous pouvons estimer assez fidèlement la production d’énergie. Appliqué au
cas de l’agglomération Tourangelle, il est possible de prédire quel niveau de la
consommation peut être couvert par cette énergie renouvelable.
Mots Clés :
Solaire photovoltaïque énergie renouvelable urbain Tours masque solaire
Souvestre Quentin
Projet de Fin d’Etudes
DA5
2014-2015
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