Ce qu'est un horizon d'ombre, et pourquoi il décide de votre rendement solaire

Le ciel est un dôme, et vos obstacles le grignotent

Tenez-vous sur l'emplacement où vous voulez poser des panneaux solaires et regardez en haut. Le ciel est un dôme. Le soleil traverse ce dôme sur un trajet courbe qui se décale avec les saisons. Chaque arbre, faîte de toit, cheminée et bâtiment voisin s'élève du sol et couvre une partie du dôme inférieur. Ce contour, la hauteur de tout ce qui bloque votre vue du ciel mesurée tout autour de vous, est l'horizon d'ombre. Les ingénieurs l'appellent aussi profil d'horizon.

Pour le décrire précisément, vous avez besoin de deux angles. Le premier est le cap de boussole, appelé azimut. Par convention, 0 degré est le nord, 90 degrés l'est, 180 degrés le sud et 270 degrés l'ouest. Le second est la hauteur à laquelle un objet s'élève au-dessus de l'horizon plat, appelée angle d'élévation ou d'altitude, de 0 degré (plat, au niveau des yeux) jusqu'à 90 degrés (droit au-dessus).

Un horizon d'ombre n'est qu'un tableau de ces deux nombres ensemble. Pour chaque cap de boussole, quel est l'angle d'élévation de la chose la plus haute qui bloque le ciel ? Une rangée de peupliers plein sud pourrait atteindre 25 degrés. Le champ ouvert à l'ouest pourrait être à 2 degrés. La maison d'un voisin au sud-est pourrait être à 18 degrés. Tracez ces points et reliez-les, et vous obtenez une ligne dentelée qui sépare le ciel ouvert au-dessus du ciel bloqué en dessous. Tout ce qui est sous la ligne est de l'ombre. Tout ce qui est au-dessus est de la lumière solaire potentielle.

Pourquoi la ligne compte le plus en hiver

Un horizon d'ombre n'aurait pas d'importance si le soleil était toujours haut au-dessus de nos têtes. Il ne l'est pas. La hauteur du soleil change énormément au fil de l'année, et c'est toute la raison pour laquelle cette mesure décide de votre rendement.

Au midi solaire, l'élévation du soleil égale 90 degrés moins la différence entre votre latitude et la déclinaison du soleil. La déclinaison oscille entre plus 23,45 degrés au solstice de juin et moins 23,45 degrés au solstice de décembre. Pour un site à 50 degrés nord, grossièrement Francfort ou Prague, cela donne un soleil de midi à environ 63 degrés de hauteur en juin et seulement à environ 16 degrés en décembre. C'est une variation de près de 47 degrés entre les saisons.

Le danger est maintenant évident. En juin, le soleil chevauche haut dans le ciel et franchit facilement la plupart des obstacles. En décembre, il s'élève à peine au-dessus de l'horizon, frôlant bas le sud pendant quelques heures avant de se coucher à nouveau. La bande exacte de ciel où vit le soleil d'hiver, basse et vers le sud, est précisément la bande que les arbres et les bâtiments sont les plus susceptibles de bloquer. Une rangée de conifères qui ne projette aucune ombre sur vos panneaux en été peut se trouver droit devant le soleil de décembre.

C'est pourquoi un toit peut paraître parfait par un après-midi ensoleillé de juillet et pourtant sous-performer. Le test d'été est réussi. Le test d'hiver, celui qui compte pour un système à l'année, échoue discrètement. Seul un horizon d'ombre mesuré vous montre les deux à la fois.

Où sur l'horizon les dégâts sont les pires

Toutes les obstructions ne se valent pas. Un obstacle plein nord d'un site dans l'hémisphère nord ne bloque presque rien, car le soleil n'est jamais dans le ciel nord pendant les heures productives. Le soleil se lève au sud-est, grimpe à travers le sud et se couche au sud-ouest. Les caps qui comptent sont donc grosso modo du sud-est (environ 135 degrés) au sud-ouest (environ 225 degrés) en passant par le sud (180 degrés).

Un arbre ou un bâtiment dans cet arc sud retire le soleil au milieu de la journée, lorsqu'il est le plus haut et le plus fort et délivre le plus d'énergie par minute. Le même objet placé plein est ne vous coûte qu'un peu de lumière matinale, qui est plus faible et plus courte. C'est pourquoi deux toits avec la même quantité totale de verdure autour d'eux peuvent avoir des rendements très différents. La position sur l'horizon est primordiale.

Il y a une règle empirique simple. Parcourez d'abord le côté sud de l'emplacement. Si quelque chose y atteint plus d'environ 20 degrés d'élévation, attendez-vous à une réelle perte hivernale. Si l'horizon sud est dégagé en dessous de 10 degrés, le site est probablement bon, et vous pouvez moins vous soucier de l'encombrement au nord et loin à l'est ou à l'ouest.

• Arc sud (135 à 225 degrés) : chaque degré d'obstruction ici coûte le plus, surtout en hiver.
• Est et ouest (90 et 270 degrés) : les obstructions coûtent la lumière du matin ou du soir, une perte plus faible et plus saisonnière.
• Nord (0 degré) : presque sans importance pour les panneaux dans l'UE, puisque le soleil n'y brille jamais pendant les heures utiles.

Comment les professionnels l'ont mesuré

Les installateurs solaires mesurent l'horizon d'ombre depuis des années, car ils savent qu'il pilote le rendement. Deux outils dominent le métier.

Le Solar Pathfinder est le classique low-tech. C'est un dôme transparent poli placé au-dessus d'un diagramme imprimé de la course du soleil pour votre latitude. Les arbres et bâtiments autour de vous apparaissent en reflets sur le dôme, et là où un reflet croise un arc de course du soleil, cette heure est ombragée. Parce qu'il fonctionne par réflexion plutôt qu'en attendant des ombres réelles, il peut être utilisé à toute heure de la journée par tous les temps. Il coûte environ 300 à 350 USD, mais le lire avec précision demande de la pratique et le résultat ne vaut que ce que vaut l'opérateur.

Le Solmetric SunEye est la version numérique. Il utilise une caméra à objectif fish-eye plus une boussole électronique et un inclinomètre pour capturer un panorama à 360 degrés, puis trace automatiquement la ligne d'horizon et superpose les courses du soleil pour calculer un pourcentage d'accès solaire. Il est rapide et précis, et il exporte un profil d'horizon et un rapport PDF. C'est aussi un instrument professionnel : le SunEye 210 est affiché autour de 2 195 USD. Ce prix a du sens pour un installateur occupé et aucun sens pour un particulier vérifiant un seul balcon.

Les deux outils prouvent le point : l'horizon d'ombre vaut la peine d'être mesuré correctement. L'obstacle a toujours été le coût et le savoir-faire, pas la valeur.

Injecter l'horizon dans un calcul de rendement

Mesurer la ligne d'horizon n'est que la moitié du travail. L'autre moitié est de la transformer en un nombre de kilowattheures, et l'outil standard gratuit pour cela en Europe est PVGIS, géré par le Centre commun de recherche de la Commission européenne.

PVGIS inclut déjà un horizon par défaut. Il lit le relief à partir d'un modèle numérique d'élévation à une résolution d'environ 90 mètres (données à 3 secondes d'arc) et calcule comment les collines et montagnes lointaines ombragent chaque site. Cela capture le relief général. Ce qu'il ne peut pas voir, c'est l'arbre de votre jardin ou la maison d'à côté, car ils sont trop petits et trop locaux pour une grille de 90 mètres.

C'est là qu'intervient votre propre mesure. PVGIS vous permet de téléverser un fichier d'horizon personnalisé. Le format est simple et strict : un fichier texte ou CSV ordinaire avec une valeur d'élévation par ligne, donnée en degrés, allant dans le sens horaire en partant du nord. Les valeurs sont supposées régulièrement espacées autour du cercle complet, si bien que 48 nombres signifie une lecture tous les 7,5 degrés de cap. Téléversez votre horizon d'ombre mesuré et PVGIS recalcule le rendement avec vos obstructions réelles incluses, mois par mois, et montre l'élévation du soleil aux solstices de juin et de décembre pour que vous puissiez voir directement le problème hivernal. Soudain, l'estimation reflète votre emplacement, pas un champ ouvert idéalisé.

Solargis, PVsyst et d'autres logiciels professionnels acceptent les profils d'horizon de la même façon. La mesure est portable. Capturez-la une fois et vous pouvez l'injecter dans le calculateur de votre choix.

La capturer sur un téléphone, gratuitement

Les mathématiques et les calculateurs sont gratuits et publics depuis des années. La pièce manquante était un moyen abordable de mesurer la ligne d'horizon sur place, sans instrument à 2 000 USD ni dôme dont la lecture exige une formation.

Un téléphone moderne embarque déjà les bons capteurs : une caméra, une boussole et des capteurs de mouvement qui suivent exactement où le téléphone est pointé. La réalité augmentée les combine. Vous vous tenez sur l'emplacement précis, la tuile du toit, le garde-corps du balcon, le coin de jardin, et vous balayez le ciel avec le téléphone. L'application enregistre l'angle d'élévation de la ligne d'horizon à chaque cap au fur et à mesure, construisant le même profil d'horizon qu'un SunEye, à partir d'un matériel que vous possédez déjà.

C'est ce que fait SunMeasure. Il capture l'horizon d'ombre sur l'emplacement exact, puis le combine avec les données d'irradiation locales de sources officielles telles que PVGIS, le Global Solar Atlas, Copernicus CAMS, le DWD et NASA POWER pour estimer le rendement réaliste et suggérer la meilleure inclinaison et orientation. Le propos n'est pas l'application, cependant. Le propos est le concept. Les outils cartographiques et satellitaires comme Project Sunroof ou un Solarkataster modélisent le toit mais ne peuvent pas voir l'épicéa du voisin ou la cheminée à trois mètres. L'horizon d'ombre est la seule entrée que seule une mesure sur place capture, et c'est souvent la différence entre une bonne estimation et une mauvaise.

Apprenez à lire la ligne entre ciel ouvert et ciel bloqué, prêtez la plus grande attention au sud, et rappelez-vous que le soleil d'hiver se situe bas. Faites cela, et vous comprenez le fait géométrique unique qui décide si un emplacement vaut la peine d'être équipé.