Bien que les modèles géométriques simplifiés suffisent pour de nombreux systèmes photovoltaïques, ils atteignent leurs limites lorsque la variabilité spatiale et les effets liés à la géométrie jouent un rôle prédominant. Les applications impliquant des terrains complexes, des structures environnantes, des modules bifaciaux ou des configurations agrivoltaïques nécessitent une représentation tridimensionnelle explicite pour évaluer le rayonnement de manière fiable.
LuSim aborde ces cas grâce à une approche de modélisation 3D basée sur le GPU, conçue pour capturer les interactions géométriques et l'hétérogénéité spatiale sans avoir recours à des hypothèses trop simplifiées.
LuSim repose sur une représentation tridimensionnelle explicite des systèmes photovoltaïques et de leur environnement. Le terrain, les structures de support, les modules et les objets voisins sont modélisés directement dans l'espace, plutôt que d'être réduits à des hypothèses bidimensionnelles simplifiées.
Cette approche est conçue pour les cas où les effets liés à la géométrie et la variabilité spatiale ont un impact direct sur la distribution du rayonnement et les performances du système. L'ombrage, les interactions mutuelles entre les surfaces et les effets environnementaux locaux sont donc traités comme des éléments de modélisation de premier ordre plutôt que comme des corrections secondaires.
L'évaluation de ces effets à haute résolution spatiale introduit une complexité de calcul significative. Dans LuSim, cette complexité est gérée par un framework de simulation basé sur GPU qui permet d'évaluer efficacement les interactions géométriques tout en restant compatible avec les flux de travail d'ingénierie.
L'approche basée sur GPU adoptée dans LuSim s'appuie sur des techniques de calcul initialement développées pour les graphiques 3D en temps réel et les jeux vidéo, où des scènes complexes doivent être rendues efficacement tout en préservant la précision géométrique.
En infographie, ces techniques sont conçues pour évaluer la visibilité, les occlusions et les interactions de surface dans des environnements tridimensionnels vastes et détaillés. Le problème de calcul sous-jacent est structurellement similaire à la modélisation du rayonnement dans les systèmes PV complexes, où l'échange de rayonnement dépend de la géométrie, de l'orientation et de la visibilité mutuelle entre les surfaces.
En adaptant ces techniques matures et hautement optimisées basées sur GPU à la modélisation de l'énergie solaire, LuSim exploite un paradigme de calcul bien adapté au traitement des géométries complexes à haute résolution spatiale. Cela permet d'effectuer des évaluations détaillées du rayonnement tout en maintenant des temps de calcul compatibles avec les études paramétriques, les simulations par lots et les analyses d'incertitude.
Au cœur de LuSim se trouve une formulation de l'échange d'irradiance entre les surfaces, basée sur le facteur de vue. Chaque élément de surface interagit avec le ciel, le sol et les objets environnants en fonction de leur orientation relative, de leur visibilité et de leurs propriétés optiques.
Cette formulation est appliquée de manière cohérente en trois dimensions et à haute résolution spatiale. Elle est utilisée pour les composantes de rayonnement direct, diffus et réfléchi, permettant d'évaluer le rayonnement localement sur les modules photovoltaïques, les surfaces au sol, les cultures ou d'autres cibles, plutôt que d'être limitée à des valeurs agrégées ou groupées.
En travaillant avec des quantités de rayonnement spatialement résolues, LuSim permet d'analyser les effets d'hétérogénéité qui sont souvent moyennés dans les modèles simplifiés, tels que l'ombrage partiel, l'albédo non uniforme, les gains bifaciaux localisés ou les interactions complexes entre les structures et le terrain.
LuSim évalue l'irradiance avec une résolution spatiale et temporelle explicite. Les cibles peuvent être définies à différentes échelles, depuis les régions de modules individuels jusqu'aux zones agrégées représentant des composants de systèmes plus importants.
Plutôt que de s'appuyer sur des hypothèses uniformes ou des facteurs de correction fixes, les matériaux sont représentés explicitement dans l'espace. Cela permet d'analyser l'impact de la couverture partielle, des traitements locaux, des conditions de sol hétérogènes ou des caractéristiques des cultures de manière cohérente au sein du modèle de rayonnement.
Les choix de résolution sont faits pour équilibrer la pertinence physique et l'efficacité de calcul, en fonction de l'objectif de l'analyse.
Le niveau de détail des matériaux peut être adapté aux objectifs de l'étude, assurant la cohérence entre l'effort de modélisation, la pertinence physique et la précision attendue.
Cela permet l'analyse d'effets dépendants du temps tels que l'évolution de l'ombrage, le comportement du suivi et la variabilité saisonnière, ainsi que des motifs spatiaux qui influencent les performances du système, les pertes par désadaptation, les mécanismes de dégradation et l'incertitude.
LuSim prend en charge des évaluations complètes du rendement énergétique photovoltaïque au sein d'un seul cadre de modélisation, et est particulièrement adapté aux systèmes où les effets liés à la géométrie et la variabilité spatiale jouent un rôle prédominant.
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