L’impact de l’ombrage sur les performances du photovoltaïque intégré aux véhicules

Des chercheurs de l’Université de Miyazaki ont étudié les performances réelles et le potentiel d’économie de carburant du photovoltaïque intégré aux véhicules (VIPV) sur des poids lourds dans le cadre d’une vaste étude menée au Japon. Ils ont constaté que l’ombrage constitue un facteur déterminant influençant la production photovoltaïque et l’efficacité globale du système.

Le projet a impliqué 200 camions commerciaux équipés de moteurs diesel et de modules photovoltaïques de 300 à 500 W basés sur la technologie CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium). Les chercheurs ont collecté des données sur la production photovoltaïque, les performances de l’alternateur, les flux d’énergie de la batterie et les conditions d’exploitation des véhicules. Les panneaux solaires étaient utilisés uniquement pour alimenter les systèmes auxiliaires et recharger la batterie principale, et non pour propulser directement le véhicule.

Ombrage dynamique

« Nous avons évalué l’efficacité de l’utilisation de l’énergie photovoltaïque en surveillant simultanément les sorties du système photovoltaïque et de l’alternateur, explique Kenji Araki, auteur correspondant de l’étude. Cela nous a permis de déterminer dans quelle mesure la production solaire réduisait la charge de l’alternateur ». Les chercheurs ont publié l’étude « Intégration du photovoltaïque sur les poids lourds : analyse et suivi de 200 camions équipés de systèmes photovoltaïques » dans la revue scientifique Energy Conversion and Management: X.

Les scientifiques expliquent que la probabilité d’ombrage dans les systèmes VIPV dépend de la géométrie des objets environnants et de l’angle d’incidence des rayons solaires. Elle peut être estimée statistiquement à l’aide de la méthode de moyennage de l’irradiation à l’aide d’une matrice d’ouverture. Elle consiste à découper l’espace visible autour d’une surface photovoltaïque en une multitude de directions (une « matrice ») et à calculer, pour chacune d’elles, quelle part du ciel est réellement visible ou masquée par des obstacles (bâtiments, arbres, autres parties du véhicule, etc.). Selon les chercheurs, cette approche permet de calculer de manière cohérente et pratique l’irradiation solaire reçue par les différentes surfaces du véhicule.

Modalités du test

L’équipe a surveillé les flux d’énergie entre le système photovoltaïque et l’alternateur dans les configurations VIPV installées sur les camions. L’accent a été mis sur l’utilisation de l’énergie au sein du véhicule plutôt que sur le rendement intrinsèque des modules photovoltaïques. Les chercheurs n’ont pas utilisé de pyranomètres en raison de contraintes d’installation et ont supposé que la puissance produite par les panneaux reflétait directement l’irradiation solaire locale.

Des boîtiers de contrôle spécialement développés, intégrant des régulateurs de charge et des enregistreurs de données, ont été utilisés. Des capteurs de courant ont permis de suivre la production photovoltaïque, la génération d’énergie du véhicule ainsi que les cycles de charge et de décharge de la batterie. Le système a été renforcé avec un câblage robuste et des fusibles, puis soumis à des essais de résistance aux vibrations et aux intempéries afin de garantir sa fiabilité en conditions réelles.

Le système photovoltaïque a été considéré comme un ensemble complet comprenant les fonctions de régulation de charge, de suivi du point de puissance maximale (MPPT), de conversion DC-DC et de protection contre les courants de retour. De même, l’alternateur intègre des fonctions de redressement et de régulation de tension via une conversion DC-DC. Les deux systèmes fonctionnent indépendamment l’un de l’autre, la source présentant la tension la plus élevée étant prioritaire.

Sur un total de 17 901 journées-véhicules observées, les chercheurs ont enregistré les distances parcourues, les heures de fonctionnement, la consommation d’énergie, la production photovoltaïque et la réduction de charge de l’alternateur, tout en tenant compte des limites de synchronisation des données du système de mesure. Les résultats montrent que les systèmes photovoltaïques apportent une contribution énergétique mesurable et réduisent significativement la charge de l’alternateur dans des conditions de conduite réelles.

Économie d’énergie et de carburant

Globalement, les résultats démontrent des bénéfices tangibles en matière d’économie d’énergie et de carburant, tout en soulignant que les performances du VIPV doivent être évaluées à l’aide de modèles détaillés dépendant des conditions réelles d’utilisation, plutôt qu’au moyen de simples moyennes.

« L’analyse des données mesurées montre que l’irradiation solaire reçue par les surfaces montées sur les véhicules représente environ 70 % de celle reçue sur un plan horizontal », a précisé Araki. « Cette réduction s’explique par l’ombrage urbain, les conditions de circulation et les changements d’orientation du véhicule. Il s’agit d’un paramètre essentiel pour estimer la production annuelle d’énergie des systèmes VIPV. »

Par ailleurs, les mesures simultanées du système photovoltaïque et de l’alternateur ont révélé qu’environ 85 % de l’électricité produite par les panneaux solaires compense directement la charge de l’alternateur, améliorant ainsi l’utilisation de l’énergie en conditions réelles. Les chercheurs ont également confirmé, à l’aide de plusieurs méthodes de validation, une réduction de la consommation de carburant comprise entre 5,5 et 7 %, même si les gains varient selon le type de véhicule et le style de conduite.

« Les conclusions de cette étude constitueront une base essentielle pour la normalisation internationale du VIPV (IEC PT600) et faciliteront le développement de futures méthodologies d’évaluation énergétique. En outre, la mise à disposition d’un outil pratique permettant aux opérateurs logistiques d’évaluer facilement les impacts de la production d’électricité et des économies de carburant à partir de leurs propres données favorisera l’adoption à grande échelle du VIPV », concluent les chercheurs.

L’année dernière, une autre équipe de l’Université de Miyazaki avait également présenté une méthode non destructive permettant d’étudier les vibrations des cellules solaires indépendamment des autres composants du module. Cette étude proposait notamment des solutions de conception pour des modules photovoltaïques intégrés aux véhicules résistants aux phénomènes de résonance, avec une fréquence propre supérieure à 2 000 Hz.