Brevet FR3085080A1 — publié le 20200221

Procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment La présente invention est relative à un procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment qui permet de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques. Le procédé de détermination du potentiel énergétique a pour objet d'évaluer le positionnement sur tout territoire le potentiel énergétique des toits solaires et de fournir aux utilisateurs des estimations économiques et financières pour leur(s) projet(s) d'installation photovoltaïque ou thermique, ainsi qu'une évaluation de leurs impacts environnemental (réduction de CO2...), Le procédé de détermination du potentiel énergétique répond aux besoins de plusieurs types d'utilisateurs Les citoyens En estimant le potentiel énergétique solaire de tous types d'habitations, le procédé de détermination et son l'application donne la possibilité à tous les citoyens de concevoir un projet photovoltaïque responsable et écologique. Ce procédé de détermination du profil énergétique démocratise l'accès à l'information sur l'énergie solaire et favorise également les démarches entre les utilisateurs et les professionnels agréés d'installation de panneau. Les collectivités Le procédé de détermination du profil énergétique et son application encouragent le développement des énergies renouvelables sur les territoires. Il devient une pièce indispensable pour répondre aux objectifs de la transition énergétique des collectivités. Les entreprises Le procédé de détermination du profil énergétique et son application permettent aux entreprises d'accéder automatiquement à des demandes de projets photovoltaïques. Elles bénéficient ainsi de nouvelles opportunités de marchés en minimisant les coûts d'installations, Le procédé de détermination du profil énergétique et son application proposent un système automatisé d'échange avec les utilisateurs, de simulation de devis et de validation de projet. A cet effet le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques, suivant la présente invention consiste e à préparer le modèle numérique de terrain ; - à calculer l'empreinte au sol du bâtiment ; - à mesurer les pentes et orientations des toitures du bâtiment ; - à déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches des toitures du bâtiment ; à localiser les zones des toitures du bâtiment recevant le potentiel énergétique le plus élevé. Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant la présente invention consiste en outre : 2 - à calculer la surface des zones des toitures du bâtiment préalablement localisée recevant le potentiel énergétique le plus élevé ; - à mesurer !es pentes et orientations de chaque zone des toitures du bâtiment préalablement localisée ; 5 - à déterminer le nombre de panneaux photovoltaïques ou thermiques pouvant être disposé sur la surface des zones préalablement localisée. Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant la présente invention consiste de plus 10 - à déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches pour chaque zone des toitures du bâtiment préalablement localisée à partir d'une série de données d'irradiation solaires horaires sur un an ; - à calculer l'énergie électrique produite sur un an par les panneaux photovoltaïques installes sur les zones des toitures du bâtiment 15 préalablement localisée. Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant la présente invention consiste - à déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches pour chaque zone des 20 toitures du bâtiment préalablement localisée à partir d'une série de données d'irradiation solaires horaires sur un an ; - à calculer l'énergie électrique produite sur un an par les panneaux photovoltaïques installés sur les zones des toitures du bâtiment préalablement localisée ; 25 - à estimer un indicateur d'équivalent CO2 évité par l'installation des panneaux photovoltaïques installés sur les zones des toitures du bâtiment préalablement localisée. Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant 30 la présente invention consiste - à afficher les résultats des différents calculs sur une interface en ligne ou sur une application mobile permettant à l'utilisateur d'estimer le cout d'une installation et les revenus annuels. 35 DESCRIPTION DE L'INVENTION Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques comporte une première étape qui consiste à préparer le 40 modèle numérique de terrain (MNT). Le modèle numérique de terrain (MNT) est une description à haute résolution des variations de niveau vertical sur la zone étudiée. Cela comprend le relief du terrain et les bâtiments, jusqu'aux arbres et bancs publics si la résolution est suffisante. Cette 45 connaissance des obstacles est importante pour prévoir les ombres portées sur les panneaux solaires, impactant de fait la production d'énergie. Pour les calculs « on-line du cadastre solaire, le modèle numérique de terrain (MNT) doit être stocké dans un format approprié 50 3 Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques comporte une seconde étape qui consiste â calculer l'empreinte au sol du bâtiment. Le calcul simplifié du cadastre solaire repose sur la connaissance de la délimitation au sol des bâtiments sur la zone. Ce cadastre numérique est fourni soit par le client, soit préalablement établi et récupéré 10 d'une base de données qui permet la reprojection et le découpage des informations transmises. Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux 15 photovoltaïques ou thermiques comporte une troisième étape qui consiste à mesurer les pentes et orientations des toitures du bâtiment Pour estimer la quantité d'irradiation solaire reçue sur une toiture, il faut connaitre la pente (inclinaison du toit en degrés ou "slope") et l'orientation (en degrés depuis le Nord 20 ou « aspect ») de chaque pan de toiture. Ces deux paramètres sont déduits du modèle numérique de terrain (MNT). Extraction de l'orientation et de l'inclinaison 25 L'orientation (angle par rapport au sud) et l'inclinaison du pan de toiture sont présentes dans la base de données : « slope » pour l'inclinaison et « aspect » pour l'orientation. L'orientation (angle par rapport au sud) et l'inclinaison du pan de toiture sont déterminées à partir des informations présentes dans une base de données. Celles-ci 30 sont précalculées grâce au modèle numérique de terrain (ONT, L'algorithme utilisé pour déterminer la pente et l'aspect utilise un voisinage x3 autour de chaque cellule du fichier d'altitude. Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques comporte une quatrième étape qui consiste â déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches des toitures du bâtiment 40 A celle étape, la carte des irradiations solaires est générée à haute résolution en prenant en compte la pente et l'orientation des toits ainsi que les ombres portées par les obstacles (collines, bâtiments, cheminées, arbres, etc...) environnant qui peuvent se trouver entre le soleil et la toiture. 45 Calcul du masque d'ombrage Le masque d'ombrage proche pouvant altérer la rentabilité d'une toiture est généré à partir des données numériques d'élévation du modèle numérique de terrain (MNT) à 20 cm de résolution sur un rayon de 500 m autour du centre du pan de toiture. 50 La démarche de ce calcul est de détecter tous les obstacles (bâtiments, arbres, mobiliers urbains,..) présents autour de la zone sélectionnée qui génèrent une potentielle ombre portée sur la toiture lors de la trajectoire quotidienne du soleil. 4 La méthode de calcul des ombres est effectuée pour chaque degré d'azimut (entre 0 et 3590). L'algorithme scrute la ligne de mire et calcule l'angle qui permet à la ligne de vue de passer juste au-dessus de l'obstacle le plus haut. La méthode prend en compte la courbure de la Terre. Extraction de l'irradiation Les données d'irradiation sont issues d'un an complet de données fourni par le service européen « Copernicus Atmospheric Service » (CAMS). 10 Ce service fournit des séries temporelles d'irradiations globales, directes et diffuses sur une surface horizontale, ainsi qu'une irradiation directe sur un plan normal (DNI) pour des conditions météorologiques réelles mais également dans le cas de conditions de ciel clair sans nuages. La couverture géographique provient du sateilite Météosat et couvre 15 l'Europe, l'Afrique, l'océan Atlantique et le Moyen-Orient, Extraction de la météo Le procédé de détermination suivant la présente invention utilise des mesures météorologiques issues des réseaux d'observations du WMO (World Meteorological 20 Organizalion) network et du NCEP ADP Global Surface Observational Weather Data et se conforme avec les normes du WMO concernant la validation des modèles atmosphériques. Calcul des angles solaires 25 Pour chaque pas de temps horaire, la position du soleil par rapport au centre du pan de toiture est calculée. Deux angles sont extraits : le zénith (l'angle vertical donnant la hauteur du soleil) et l'azimut (l'angle horizontal par rapport au Nord) comme sur la figure 1, 30 Le procédé suivant la présente invention mesure l'irradiation totale accumulée sur une journée à partir d'un traitement réalisé sur plusieurs journées (e,g. 21 mars, 21 juin, 21 septembre et 21 décembre) pour prendre en compte les différences saisonnières de la hauteur du soleil afin d'obtenir une valeur annuelle en kWh/m2 par an. 35 Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorable à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques comporte une cinquième étape qui consiste à iocaliser les zones des toitures du bâtiment recevant le potentiel énergétique le plus élevée. 40 Cette localisation des zones de toiture du bâtiment recevant le potentiel énergétique le plus élevé est obtenue par le calcul de la surface utile ou exploitable la plus propice de la toiture. Pour cela, il est nécessaire d'extraire le polygone décrivant l'empreinte au sol du 45 bâtiment aux coordonnées souhaitées, Puis, on récupère chaque pixel du polygone dont l'irradiation est sup fixé à 1500 kWh/ne/an, afin d'éliminer les surfaces non propices panneaux photovoltaïque ou thermique. à un seuil, lallation de Cette surface est calculée en prenant le nombre de pixel et en multipliant par la taille du pixel (0,8 x 0,8 metres2). Le procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorable à l'installation de panneaux 5 photovoltaïques ou thermiques permet également d'établir et de donner des informations techniques à l'utilisateur sur un interface en ligne ou sur une application mobile à telles que : > Calcul de la puissance exploitable La puissance est calculée par la formule : Puissance exploitable (kW) = Surface exploitable (m2) x Puissance moyenne installées (Wc/m2) /1000, avec l'hypothèse d'une Puissance moyenne installés par mètre carré égale à 145 Wc/m2. D Calcul de la production électrique annuelle La production annuelle est déterminée par : Production annuelle (kWh) = Irradiation moyenne de la surface exploitable (kWh/m2/an) x 20 Surface exploitable (m2) x Rendement moyen d'un panneau photovoltaïque, avec l'hypothèse d'un Rendement moyen d'un panneau photovoltaïque égale à 18%. - Coût de l'installation 25 Le coût de l'installation est estimé en appliquant la formule : Coûts de l'installation (E) = Puissance (kW) x Coût moyen d'un watt photovoltaïque (CM) avec l'hypothèse d'un Coût moyen d'un watt photovoltaïque égale 2.5 E/W > Revenus annuels Les revenus sont estimés en appliquant la formule : Revenus annuels (C) = Production annuelle (kWh) x Tarif de rachat EDF (E/kWh) avec l'hypothèse d'unTarif de rachat actuel d'un kWh par le gestionnaire de réseau français (EDF) - Calcul du nombre de panneaux solaires par surface dessinée Le calcul du nombre de panneaux est réalisé en comptant le nombre de pixels présents â l'intérieur de chacun des polygones dessinés. Ce nombre de pixels est ensuite 40 multiplié par leur taille en m2 afin de déterminer la surface et le nombre de panneaux photovoltaïques ou thermiques à disposer dans les zones les plus favorables. D Calculs techniques (puissance et production) 45 Pour les panneaux photovoltaïques Les calculs du potentiel solaire d'une toiture modélisent la simulation de la réponse d'un panneau au rayonnement solaire pour chaque heure sur une année complète en prenant en compte les angles solaires, l'irradiation directe et diffuse, la température, la vitesse du vent et les effets d'ombrage. 10 15 30 35 $ La puissance DC est calculée par panneau par le module, elle est ensuite convertie en AC en utilisant les propriétés d'un onduleur. Les caractéristiques techniques du panneau et de l'onduleur feront l'objet d'une mise à jour tous les ans pour suivre les évolutions technologiques des systèmes. Pour les panneaux thermiques Comme pour le photovoltaïque les calculs sont effectués à chaque pas de temps horaire en prenant en compte l'irradiation solaire et de la température extérieure comme sur la 10 Figure 2, Outre la surface, l'orientation, l'inclinaison et le masque d'ombrage, les calculs prennent en compte les éristiques techniques des capteurs thermiques qui permettent de déterminer le rendement du panneau en fonction des conditions météorologiques. 15 - a0 ou B: rendement optique (sans unité) = 0,816 - al ou K: Coefficient pertes thermiques (en W/K/m2 ou Wirn2.°C) = 4,24 W/m2,QC Les calculs sont effectués pour un capteur standard dont les caractéristiques seront remises à jour une fois par an pour suivre les évolutions technologiques des systèmes. 20 - Calculs CO2 Le facteur CO2 (exprimé en kg par kWh produit) indique la quantité d'équivalent en CO2 émise par les gaz à effet de serre produit pour chaque kilowattheure d'électricité. 25 Le facteur CO2 varie selon la technologie utilisée et le rendement des installations. La quantité de CO2 produite est estimée en appliquant la formule Électricité produite en kWh x facteur CO2 en kg/kWh e quantité de CO2 produite en kg 30 Le facteur d'émission relatif à l'électricité photovoltaïque pour la France est de 56 g de CO2 par kWh. Cette valeur a été calculée à partir de données de marché international de 2011 des matériaux et composants photovoltaïques (lieu et capacité de fabrication des composants PV). Pour le calcul du facteur d'émission moyen de la France, I'ADEME et RTE réalisent un mix des diverses centrales de production d'électricité au prorata de leur contribution. Chaque année un facteur d'émission pour le mix est établi, Les valeurs de 90 g CO2 par 40 kWh (pour la France) et de 460 g CO2 par kWh (pour la France) ont été prises par valeur par défaut. L'équivalent CO2 évité est donc la différence entre ces deux quantités de CO2 produites. 45 Le calcul est réalisé sur une période de 10 ans. On note également que le procédé suivant la présente invention permet de réaliser des simulations en dehors des délimitations des bâtiments, permettant ainsi aux collectivités, bailleurs sociaux et entreprises d'effectuer REVENDICATIONS1. Procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment permettant de localiser les zones les plus favorables à l'installation de panneaux photovoltaïques ou thermiques, caractérisé en ce qu'il consiste : - à préparer le modèle numérique de terrain (MNT) ; - à calculer l'empreinte au sol du bâtiment ; - à mesurer les pentes et orientations des toitures du bâtiment ; - à déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches des toitures du bâtiment ; - à localiser les zones des toitures du bâtiment recevant le potentiel énergétique le plus élevé. 2. Procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste : - à calculer la surface des zones des toitures du bâtiment préalablement localisée recevant le potentiel énergétique le plus élevé ; - à mesurer les pentes et orientations de chaque zone des toitures du bâtiment préalablement localisée ; - à déterminer le nombre de panneaux photovoltaïques ou thermiques pouvant être disposé sur la surface des zones préalablement localisée. 3. Procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste : - à déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches pour chaque zone des toitures du bâtiment préalablement localisée à partir d'une série de données d'irradiation solaires horaires sur un an ; - à calculer l'énergie électrique produite sur un an par les panneaux photovoltaïques installés sur les zones des toitures du bâtiment préalablement localisée. 4. Procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste : - à déterminer l'irradiation solaire et les ombres proches pour chaque zone des toitures du bâtiment préalablement localisée à partir d'une série de données d'irradiation solaires horaires sur un an ; - à calculer l'énergie électrique produite sur un an par les panneaux photovoltaïques installés sur les zones des toitures du bâtiment préalablement localisée ; - à estimer un indicateur d'équivalent CO2 évité par l'installation des panneaux photovoltaïques installés sur les zones des toitures du bâtiment préalablement localisée. 5. Procédé de détermination du potentiel énergétique d'une toiture d'un bâtiment suivant l'une quelconque des revendications, caractérisé en ce qu'il consiste : - à afficher les résultats des différents calculs sur une interface en ligne ou sur une application mobile permettant à l'utilisateur d'estimer le cout d'une installation et les revenus annuels.