Lampe pilote pour le placement de panneaux solaires en milieu urbain

Lampe pilote pour le placement de panneaux solaires en milieu urbain

Des chercheurs du College of Engineering de l’Université Carnegie Mellon étudient la modélisation des ombres pour le placement des panneaux solaires et au-delà. Crédit : Andrés Arias-Rosales

L’installation de panneaux solaires dans les villes nécessite des configurations adaptées à la géométrie complexe des espaces urbains qui fournissent la lumière la plus directe du soleil à chaque panneau. Parmi les processus de conception de la configuration la plus efficace figure la modélisation des ombres.

Le coût des systèmes solaires photovoltaïques (plus communément, des panneaux solaires) a considérablement chuté au cours de la dernière décennie. Grâce à une combinaison de considérations environnementales et de faisabilité économique, des panneaux solaires sont installés dans plus d’endroits et utilisés dans des projets plus importants. La demande de panneaux solaires dans l’usage quotidien signifie qu’ils sont installés dans le cadre de la construction urbaine moderne.

Traditionnellement, les panneaux solaires sont installés dans de grands ensembles dans de grands espaces où ils peuvent absorber autant de lumière solaire que possible pendant la plus grande partie de la journée. Au fur et à mesure que les villes grandissent et s’étendent, elles auront besoin de plus d’électricité, et il sera utile de placer des panneaux solaires à proximité des populations qui ont besoin d’électricité. Placer des panneaux solaires dans des environnements urbains les éloigne également des champs ouverts où ils rivalisent avec les fermes pour l’espace.

L’installation dans les villes nécessite des configurations de panneaux solaires adaptées à la géométrie complexe des espaces urbains pour fournir la lumière du soleil la plus directe à chaque panneau. Parmi les processus de conception de la configuration la plus efficace pour les panneaux solaires figure la modélisation des ombres, qui a la capacité de créer des millions de scénarios⁠—qu’il ne serait pas possible de tester physiquement⁠—pour maximiser la collecte d’énergie des panneaux solaires. Cette technologie a un potentiel au-delà du placement des panneaux solaires, comme la mesure des niveaux de lumière pour l’agriculture urbaine et la mesure des niveaux de chaleur pour la conception des bâtiments.

La modélisation des ombres urbaines est le processus de simulation d’un paysage urbain dans un moteur de modélisation 3D et de calcul des ombres projetées par le soleil. Cela permet aux ingénieurs de trouver les zones avec le moins d’ombres et d’adapter le placement et l’angle de chaque panneau solaire pour leur permettre de capter le plus de lumière du soleil. La recherche à l’Université Carnegie Mellon, dirigée par Andrés Arias-Rosales et Philip LeDuc, professeur de génie mécanique, a étudié plusieurs approches de la modélisation des faisceaux. Les conclusions ont été publiées dans Examens énergétiques renouvelables et durables.

L’article fait partie d’une série de recherches visant à combiner le concept biologique de la théorie de l’essaim (comment des organismes individuels tels que les fourmis peuvent fonctionner comme un essaim pour produire des comportements beaucoup plus complexes que les parties individuelles) avec la demande et l’efficacité croissantes de panneaux solaires par la population générale. « Il existe des marchés émergents très excitants dans le domaine du photovoltaïque intégré au bâtiment et du photovoltaïque intégré au véhicule », a déclaré Arias-Rosales, titulaire d’un doctorat. étudiant en génie mécanique travaillant avec LeDuc, et l’esprit derrière ce projet. Andrés mentionne également des applications potentielles pour les panneaux solaires sur les routes ou sur les gros drones.

Pour concrétiser cette vision, Arias-Rosales a commencé à créer un nouveau cadre de modélisation capable de suivre efficacement les ombres projetées par le soleil lorsqu’il se déplace dans le ciel et lorsque des véhicules, des personnes et des drones se déplacent dans une ville densément peuplée. Ils ont étudié quatre méthodes différentes pour tracer les ombres dures projetées par le soleil dans différents contextes, allant d’environnements urbains peu denses comme La Crescenta-Montrose, en Californie, à des villes densément peuplées telles que New York.

Les quatre méthodes testées dans la recherche étaient les suivantes :

  • Tramage et comptage de pixels dans une photographie virtuelle pour mesurer la zone touchée par le soleil ; c’est la méthode la plus précise mais la plus intense en termes de calcul.
  • Deux types de lancer de rayons, qui utilisent l’analyse vectorielle pour déterminer la surface touchée. Le lancer de rayons vers l’avant mesure les rayons de la source lumineuse et calcule combien d’entre eux frappent les panneaux solaires. Il est extrêmement gourmand en calculs, mais en tant que méthode la plus simple, il a été utilisé comme référence. Le traçage de rayons focalisé mesure les rayons du panneau solaire et voit combien frappent le soleil ; c’est beaucoup plus rapide que la rastérisation et toujours assez précis.
  • Une approche entièrement analytique, qui a utilisé la modélisation géométrique et l’algèbre linéaire pour calculer la quantité de soleil bloquée par les bâtiments entre le panneau solaire et le soleil.

Cette dernière méthode était la plus rapide par ordre de grandeur mais ne fonctionne pas aussi bien dans des environnements plus complexes ou des environnements avec beaucoup de choses en mouvement.

Quelle est la meilleure méthode pour mesurer les ombres portées ?

“Cela dépend en partie de l’application exacte à laquelle vous avez affaire”, a déclaré Arias-Rosales. L’approche analytique était de loin l’approche la plus rapide et la plus précise. Cependant, la mise en œuvre de cette approche est extrêmement complexe et nécessite une modélisation préalable et exacte de tous les objets de l’environnement. L’approche de lancer de rayons focalisé est un très bon équilibre, car elle est beaucoup plus efficace que l’approche de rastérisation et n’est qu’un peu moins précise. La méthode de rastérisation n’est pas très utile jusqu’à ce que l’environnement devienne très complexe, car même si la méthode est très lente, contrairement aux autres méthodes, la méthode de rastérisation ne ralentit pas plus il y a d’objets dans l’environnement.

Ces nouvelles techniques de modélisation ne sont pas seulement applicables aux panneaux solaires. Il existe un potentiel pour cette technologie dans de nombreuses applications modernes, comme la modélisation de la température pour une conception respectueuse de l’environnement, comme la conception de bâtiments pour qu’ils ne soient pas aussi affectés par la lumière directe du soleil et donc réduisent les coûts de climatisation ou déterminent l’emplacement des arbres dans les espaces publics pour les rendre plus frais. ou utiliser des panneaux solaires pour capter la lumière du soleil et générer de l’ombre. Une autre application consiste à utiliser cette modélisation d’ombres pour concevoir des jardins publics alors que l’agriculture urbaine devient de plus en plus populaire à mesure que les gens deviennent plus autonomes et soucieux de l’environnement.


Des satellites à énergie solaire pour collecter une lumière solaire plus forte


Plus d’information:
Andrés Arias-Rosales et al, Modélisation des ombres dans les environnements urbains pour les dispositifs de récupération solaire avec des positions et des orientations librement définies, Examens énergétiques renouvelables et durables (2022). DOI: 10.1016/j.rser.2022.112522

Fourni par Carnegie Mellon University Mechanical Engineering

Citation: Modeling light for solar panel placement in urban settings (2022, 21 juin) récupéré le 21 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-solar-panel-placement-urban.html

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