Résumé
- Rayonnement solaire
- Mouvement du Soleil observé depuis la Terre
- Mouvement apparent du Soleil
- Irradiation solaire et obstacles imprévus
- Facteurs limitant la lumière du soleil
- Soleil en Belgique
- Réaliser un diagramme solaire
Rayonnement solaire
La lumière du soleil, largement convoitée pour ses atouts énergétiques, se laisse dompter autant qu’elle exige d’être maîtrisée. Fenêtres, panneaux solaires, protections estivales : pour tirer parti de cet atout naturel sans subir la surchauffe, il faut comprendre précisément où et comment le soleil frappe.
Tout commence par la nécessité de situer le Soleil : hauteur, azimut, intensité du rayonnement à chaque instant. Maîtriser l’énergie solaire, ce n’est pas une formule magique, c’est de la géométrie et de la physique appliquées, à tout moment de la journée.
Une énergie renouvelable intarissable à notre échelle
Le Soleil, ce gigantesque réacteur à fusion, brûle de l’hydrogène pour le transformer en hélium depuis 5 milliards d’années. Sa puissance, évaluée à 63 500 kW par mètre carré, rayonne dans toutes les directions, à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Après 150 millions de kilomètres, l’énergie parvient à l’extérieur de notre atmosphère avec une intensité d’environ 1 367 W/m² : c’est ce que l’on nomme la constante solaire.
La Terre, minuscule face à l’astre, n’en capte qu’une fraction infinitésimale. Le Soleil envoie ses rayons en faisceaux presque parfaitement parallèles sur notre planète. Cette énergie solaire, la plus abondante de toutes, alimente le cycle de l’eau, le vent, la photosynthèse, et indirectement, tous les combustibles fossiles. Notre existence, tout simplement, dépend de cette manne. Et selon les astronomes, notre étoile n’est pas près de s’essouffler.
Une énergie diffuse, intermittente, jamais uniforme
Le rayonnement solaire, selon les modèles actuels, s’apparente à un flux de photons. Chaque photon transporte une énergie précise, définie par la formule :
E = hv = h.c/λ
Où :
- λ correspond à la longueur d’onde,
- v à la fréquence,
- c à la vitesse de la lumière.
Le spectre solaire, la distribution des énergies selon les longueurs d’onde, découle directement de ces paramètres.
À 5 500 °C, la surface du Soleil émet l’essentiel de sa puissance dans le domaine des courtes longueurs d’onde, c’est-à-dire dans le visible (46% du total), mais aussi dans l’infrarouge (49%), une chaleur que l’on ressent sans la voir. Les ultraviolets, bien que minoritaires, n’en restent pas moins redoutables.
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Environ 35% du rayonnement intercepté par la Terre repart vers l’espace, réfléchi par l’atmosphère ou la surface. Une part du rayonnement, dispersée par les molécules, aérosols et poussières, donne ce bleu limpide au ciel. La vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et l’ozone absorbent aussi une portion du flux. Au final, seule une fraction de l’énergie atteint directement le sol.
Au-delà de la composition de l’air, c’est l’épaisseur d’atmosphère traversée qui compte. Plus le soleil est haut, plus la traversée est courte, moins il y a de pertes. À l’inverse, quand le soleil rase l’horizon, l’épaisseur d’air et la diffusion augmentent, l’éclat s’estompe, d’où cette possibilité de regarder l’astre couchant sans être ébloui. En montagne, où l’atmosphère est amincie, les rayons frappent avec plus de vigueur.
L’épaisseur d’atmosphère traversée module également le spectre lumineux reçu. Les normes internationales ont ainsi défini plusieurs spectres de référence : AM1 pour une atmosphère traversée à la verticale, AM0 pour l’espace, AM1.5 pour des tests de panneaux solaires, correspondant à une traversée de l’atmosphère selon un angle moyen.
Le rayonnement reçu par une surface fluctue ainsi selon la course du Soleil et la présence de nuages. Au zénith, l’intensité maximale frôle les 1 000 W/m² sur une zone bien orientée.
L’énergie solaire sous différents cieux : un tableau changeant, minute après minute.
La dynamique Terre-Soleil
La Terre tourne autour du Soleil en suivant une ellipse à peine aplatie et effectue en parallèle une rotation quotidienne sur son axe, incliné de 23°27′. Cette inclinaison reste constante et explique la distribution inégale du soleil au fil des saisons.
En hiver, dans l’hémisphère nord, le soleil monte peu, les jours raccourcissent, tandis que le sud profite d’un été éclatant. L’été chez nous, c’est l’inverse : jours allongés, soleil haut, rayonnement presque vertical.
Lors des équinoxes (21 mars, 21 septembre), à midi, le rayonnement frappe l’équateur à angle droit et la durée du jour égale celle de la nuit sur toute la planète. La hauteur du Soleil à midi s’obtient alors simplement : H = 90°, latitude.
H = 90°, L
Au solstice d’été (21 juin), la Terre incline le nord vers le Soleil et, à midi, les rayons sont perpendiculaires au tropique du Cancer. Au-delà du cercle arctique, le soleil ne se couche jamais. À la latitude de 66°33′ N, le spectacle du Soleil de minuit devient réalité. À midi, la hauteur atteint 23°27′ de plus qu’à l’équinoxe.
H = 90°, L + 23°27′
Au solstice d’hiver (22 décembre), l’inclinaison s’inverse : c’est le tropique du Capricorne qui reçoit la lumière à la verticale. La hauteur du soleil à midi baisse d’autant.
H = 90°, L, 23°27′
Le mouvement apparent du Soleil
Pour exploiter la lumière solaire dans l’architecture, l’aménagement ou la production d’énergie, il faut connaître la position du Soleil à tout moment. Cette donnée pilote l’orientation d’un bâtiment, l’installation de panneaux solaires, le choix des baies vitrées ou encore la gestion des espaces extérieurs.
La hauteur et l’azimut du Soleil forment le duo clé. Une fois ces deux valeurs connues, la direction du rayonnement se calcule, permettant de prévoir les apports solaires, en tenant compte de l’ombre portée par le relief, la végétation ou les constructions.
- La hauteur du Soleil, notée
, est l’angle entre la direction du Soleil et le plan horizontal. Elle varie de 0° (horizon) à 90° (zénith).
, est l’angle entre la direction du Soleil et le plan horizontal. Elle varie de 0° (horizon) à 90° (zénith).- L’azimut du Soleil, noté
, désigne l’angle entre le plan vertical passant par le Soleil et le plan nord-sud. Il s’exprime en degrés, positif à l’ouest, négatif à l’est.
, désigne l’angle entre le plan vertical passant par le Soleil et le plan nord-sud. Il s’exprime en degrés, positif à l’ouest, négatif à l’est.Pour aider à visualiser la trajectoire, on a recours à des diagrammes solaires en coordonnées rectangulaires ou cylindriques.
Un coup d’œil aux valeurs d’azimut selon la saison prouve combien la formule « le soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest » est trompeuse. En décembre, il apparaît au sud-est et disparaît au sud-ouest, limitant la durée d’ensoleillement à environ 7 heures. En juin, il se lève presque au nord-est et se couche au nord-ouest, offrant plus de 16 heures d’éclairement. Seuls les équinoxes équilibrent jour et nuit.
Du côté de la hauteur, à Uccle, elle grimpe jusqu’à 62° le 21 juin à midi, mais plafonne à 16° le 21 décembre.
Les tableaux suivants détaillent, pour Uccle, la hauteur et l’azimut du Soleil selon le mois et l’heure :
| Météo universel | Hauteur (°) | Azimut (°) |
|---|---|---|
| 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | 8.7 17.5 25.3 31.6 35.5 36.7 34.7 30.1 23.4 15.2 6.2 | ,75.1,62.7,48.9,33.4,16.0 2.5 20.8 37.7 52.8 66.1 78.3 |
| Tempo universel | Hauteur (°) | Azimut (°) |
|---|---|---|
| 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | 3.1 11.4 20.4 29.9 39.3 48.3 56.0 61.2 62.3 58.7 51.8 43.2 33.9 24.4 15.2 6.5 | ,124.0,112.9,102.1,90.9,78.7,64.1,45.5,20.7 8.6 35.8 56.9 72.9 85.9 97.4 108.3 119.2 |
| Tempo universel | Hauteur (°) | Azimut (°) |
|---|---|---|
| 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | 6.0 15.4 24.3 32.1 38.3 41.9 42.3 39.6 34.0 26.6 17.9 8.6 | ,87.9,76.0,63.2,48.7,31.9,12.9 7.4 26.9 44.3 59.4 72.6 84.7 |
| Météo universel | Hauteur (°) | Azimut (°) |
|---|---|---|
| 8 9 10 11 12 13 14 15 | 1.9 8.3 12.9 15.5 15.8 13.8 9.6 3.6 | ,48.3,36.1,22.9,8.9 5.4 19.5 32.9 45.4 |
Irradiation solaire reçue par une surface
L’angle entre les rayons du soleil et une surface détermine directement la densité d’énergie reçue. Pour une surface perpendiculaire aux rayons solaires, l’énergie interceptée est maximale. Dès que l’on incline la surface, la quantité reçue diminue.
Pour visualiser ce phénomène, imaginez tenir une poignée de crayons bien parallèles au-dessus d’une feuille blanche. Les marques laissées par les pointes représentent l’énergie. Si les crayons sont verticaux, les points sont rapprochés : la densité d’énergie est forte. En inclinant les crayons, les points s’étirent, la densité chute.
Pourtant, même avec une inclinaison de 25% par rapport à la perpendiculaire, une surface intercepte encore plus de 90% du rayonnement direct maximal. C’est l’angle d’incidence qui définit la part de lumière captée. Le tableau suivant détaille pour chaque angle le pourcentage de lumière interceptée.
L’irradiation totale, dite globale, reçue par une surface est la somme de trois composantes :
- L’irradiation directe, émise sans obstacle par le Soleil (elle disparaît en cas de nuages ou d’obstacles physiques).
- L’irradiation diffuse, qui provient de la voûte céleste et de l’atmosphère, et peut représenter jusqu’à la moitié du total, voire la totalité sous un ciel gris.
- L’irradiation réfléchie, issue du sol ou de l’environnement, dépendant du coefficient de réflexion (albédo) de la surface environnante.
L’irradiation hémisphérique, c’est-à-dire la puissance reçue sur une surface horizontale, est mesurée avec un solarimètre. Pour isoler la composante diffuse, on utilise un bandeau d’ombre qui masque le soleil direct.
La quantité d’énergie reçue dépend autant de la puissance instantanée que de la durée d’ensoleillement.
L’énergie annuelle reçue est vertigineuse : la fraction exploitable dépasse de trois fois la consommation mondiale, et cette ressource, propre et sans déchets, reste l’un des plus grands défis techniques à relever.
Barrières à la lumière solaire
| Les obstacles au soleil proviennent du relief, de la végétation, des constructions voisines ou d’éléments architecturaux du bâtiment lui-même. |
Les bâtiments jouent le rôle d’écrans fixes. Parfois, cette ombre est recherchée : dans les villes méditerranéennes, ruelles étroites et bâtiments élevés protègent des ardeurs du soleil. Mais dans d’autres cas, la proximité de grands immeubles ou d’arbres prive d’un précieux rayonnement, surtout l’hiver entre 9h et 15h, quand la majorité des apports solaires se font sentir.
Dans une démarche bioclimatique, il faut évaluer précisément cet effet de masquage. Pour cela, on reporte sur un diagramme solaire la silhouette des obstacles, ce qui permet d’identifier en un coup d’œil les périodes d’ensoleillement et d’ajuster le projet en conséquence.
L’utilisation de matériaux réfléchissants, comme certains vitrages, peut modifier considérablement l’exposition réelle d’un bâtiment. Par exemple, une façade nord largement vitrée peut se retrouver suréclairée si en face, un bâtiment équipé de vitrages réfléchissants lui renvoie la lumière du sud, un effet parfois inattendu, qui rebat les cartes du confort intérieur.
L’ensoleillement en Belgique
Dans nos latitudes, le Soleil fournit près de 1 000 kWh/m² au sol chaque année, soit l’équivalent de 100 litres de fioul par mètre carré.
Mais cette énergie n’est pas distribuée équitablement : elle varie selon la saison, l’heure, la météo, et même la pollution atmosphérique. On estime à 250 kWh la part reçue entre mi-octobre et mi-avril, contre 750 kWh d’avril à octobre.
Le rayonnement solaire varie aussi selon la part de composantes directe et diffuse, en fonction des conditions climatiques.
À noter : sur une surface horizontale, on considère que la composante réfléchie est négligeable.
Pour caractériser le climat, on utilise l’ensoleillement direct relatif : c’est le rapport entre l’ensoleillement observé (S) et l’ensoleillement maximal théorique (So). Selon ce ratio, on distingue :
- Un ciel serein si S/So est compris entre 80 et 100 %,
- Un ciel moyen si S/So se situe entre 20 et 80 %,
- Un ciel couvert si S/So reste entre 0 et 20 %.
| Ciel | Mois | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| J | F | M | A | M | J | J | A | S | O | N | D | |
| Couvert | 65 | 54 | 45 | 40 | 30 | 28 | 32 | 29 | 29 | 43 | 61 | 70 |
| Moyen | 23 | 33 | 39 | 44 | 47 | 53 | 52 | 55 | 47 | 37 | 28 | 20 |
| Serein | 12 | 13 | 16 | 16 | 13 | 19 | 16 | 16 | 24 | 20 | 11 | 10 |
À Uccle, les moyennes mensuelles d’ensoleillement direct relatif sont :
| Mois | J | F | M | A | M | J | J | A | S | O | N | D |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S/So (%) | 23 | 28 | 34 | 39 | 46 | 40 | 41 | 45 | 43 | 35 | 24 | 17 |
Par exemple, une insolation directe relative de 34 % en mars à Uccle indique qu’en moyenne, seulement un tiers de la journée est vraiment ensoleillé.
L’énergie moyenne quotidienne reçue sur une surface horizontale se répartit ainsi : environ 60 % sous forme de rayonnement diffus, 40 % en direct.
| Global | Direct | Diffus | |
|---|---|---|---|
| Normal | 980 | 40 | 60 |
| 2002 | 990 | 44 | 56 |
| 2003 | 1 151 | 52 | 48 |
| 2004 | 1 034 | 44 | 56 |
| 2005 | 1 056 | 47 | 53 |
| 2006 | 1 040 | 47 | 53 |
| 2007 | 998 | 45 | 55 |
En Belgique, le ciel souvent nuageux fait que plus de la moitié de l’énergie solaire reçue arrive sous forme diffuse.
Éclairage solaire disponible
Pour Uccle, aux dates-clés de l’année et sous un ciel clair, voici les niveaux d’éclairement solaire direct et global :
- Le 15 mars à 10h TU (11h locale) : 291 W/m² (direct), 424 W/m² (global) sur surface horizontale,
- Le 15 juin à 13h TU (15h locale) : 124 W/m² (direct), 323 W/m² (global) sur une façade ouest verticale,
- Le 15 septembre à 13h TU (15h locale) : 467 W/m² (direct), 687 W/m² (global) sur façade sud verticale.
À noter : les surfaces verticales captent plus d’énergie en hiver si elles sont orientées au sud, mais ce ne sont jamais les configurations les plus efficaces pour récolter le maximum d’énergie annuelle.
En considérant les conditions météo, les valeurs chutent : pour un ciel moyen ou nuageux à Uccle, le 15 mars à 9h TU (10h locale), on mesure 197 W/m² (global) et 89 W/m² (verticale horizontale) ; le 15 juin à 9h TU (11h locale), 419 W/m² (global) et 130 W/m² (verticale est).
Face à un ciel couvert, la baisse peut atteindre 70 % sur une surface horizontale. Cette différence est particulièrement visible lorsque les surfaces sont bien orientées face au soleil.
Impact de la géographie sur l’ensoleillement
Les stations météo belges enregistrent les expositions moyennes mensuelles et annuelles (en Wh/m²) suivantes :
| Wh/m² | Middelkerke | Uccle | Chievres | Kleine-Brogel | Florennes | Spa | Saint-Hubert |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Janvier | 23 324,1 | 19 934,9 | 18 946 | 21 429,49 | 20 193,282 | 21 701,74 | 22 207,33 |
| Février | 38 408,6 | 35 366,7 | 34 130,7 | 37 347,43 | 36 886,284 | 39 867,08 | 42 403,39 |
| Mars | 82 762,2 | 70 736,2 | 70 311,2 | 73 494,77 | 74 980,998 | 75 783,84 | 77 881,23 |
| Avril | 120 012 | 106 964 | 104 289 | 110 814,4 | 108 247,55 | 111 258,9 | 112 953,5 |
| Mai | 155 199 | 142 253 | 133 433 | 142 964,2 | 139 408,37 | 144 247,7 | 147 089,5 |
| Juin | 161 996 | 148 892 | 139 511 | 149 189,7 | 149 189,71 | 152 095,5 | 154 251,2 |
| Juillet | 156 251 | 140 136 | 131 869 | 141 958,6 | 144 339,32 | 144 247,7 | 148 684,1 |
| Août | 133 588 | 120 135 | 113 045 | 122 898,7 | 120 976,34 | 127 024,1 | 124 579,4 |
| Septembre | 97 249,4 | 89 548,8 | 85 518 | 89 726,62 | 90 176,658 | 93 757,5 | 95 727,1 |
| Octobre | 60 666 | 54 359,9 | 54 087,7 | 57 785,18 | 58 599,132 | 61 316,02 | 59 199,18 |
| Novembre | 28 828,4 | 24 577 | 24 771,4 | 21 132,73 | 26 249,322 | 27 085,5 | 25 560,38 |
| Décembre | 18 576,5 | 15 690,1 | 15 940,2 | 18 120,89 | 16 820,78 | 17 654,19 | 18 279,24 |
| Année | 1 076 322 | 968 591 | 925 849 | 992 862,8 | 986 067,77 | 1 016 040 | 1 028 816 |
La Belgique affiche des variations géographiques limitées : moins de 5 % d’écart sur la majeure partie du territoire, sauf sur la côte et en Gaume, où on approche les 10 %, voire 18 % au Luxembourg.
Les écarts d’Uccle selon la saison sont :
| Hiver | Printemps | Été | Automne | Période végétative | Année | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Middelkerke | 13% | 12% | 10% | 10% | 9% | 11% |
| Chièvres | −3% | −4% | −6% | −2% | −6% | −4% |
| Kleine-Brogel | 9% | 2% | 1% | 3% | 1% | 2% |
| Florennes | 4% | 1% | 1% | 4% | 0% | 2% |
| Spa | 12% | 4% | 3% | 8% | 2% | 5% |
| Saint-Hubert | 17% | 6% | 4% | 7% | 4% | 6% |
L’Institut Royal de Météorologie propose une cartographie du rayonnement solaire selon les régions climatiques :
| Côte | +10% |
| Polders et Waes | de +5% à +2% selon la distance à la mer |
| Kempen et Flandre | +2% |
| Hesbaye | −2% |
| Terre de Herve | −5% |
| Gileppe, Warche | −7% |
| Plateau ardennais | de +2% à +5% |
| Pays Gaumais | +5% |
| Grand-Duché du Luxembourg | +10% |
La carte suivante illustre cette distribution :
Orientation et inclinaison : des leviers déterminants
La quantité d’énergie solaire reçue varie fortement selon l’orientation et l’inclinaison de la surface. Le graphique ci-dessous en donne une représentation claire : l’azimut (orientation) se lit sur la circonférence, la hauteur du Soleil sur les cercles intérieurs.
Avec une inclinaison de 38° au sud, une surface capte un maximum d’énergie. À l’est, une façade verticale ne dépasse pas 50 % de ce potentiel maximal.
Réaliser un diagramme solaire
La voûte céleste, c’est cette portion du ciel visible dans toutes les directions au-dessus de l’horizon. Sur un diagramme solaire, on représente les angles horizontaux (azimut) et verticaux (hauteur) de chaque point du ciel. L’observateur imagine le Soleil projeté sur un hémisphère transparent, puis cette sphère se déroule en un cylindre vertical pour faciliter la lecture.
Avec l’azimut et la hauteur connus, il devient aisé de situer le Soleil à tout moment.
En reliant les positions du Soleil à divers instants, on trace la trajectoire solaire du jour, pour n’importe quelle date de l’année. Les courbes des diagrammes correspondent souvent au 20ème jour de chaque mois. Le solstice d’été marque la courbe la plus longue, le solstice d’hiver la plus courte.
En reliant aussi les points de mêmes heures à différentes périodes de l’année, on fait apparaître sur la carte des lignes horaires, très utiles pour anticiper l’ensoleillement à un instant donné.
Pour représenter les obstacles, il suffit de reporter leur azimut et leur hauteur sur le diagramme. Le tracé met alors en évidence les plages horaires privées de lumière et les zones d’apport solaire, outil précieux pour tout projet d’architecture ou d’aménagement urbain.
L’ensoleillement, loin d’être une fatalité, se décrypte, s’anticipe et se transforme en ressource, à condition de savoir où regarder, et comment traduire le mouvement céleste en choix concrets sur Terre. La lumière, si familière, garde sa part d’inattendu : à chacun d’en saisir les opportunités.
