Réduire l’éblouissement dû aux installations PV

La grandeur pertinente pour évaluer l’éblouissement est la luminance. Exprimée en candelas par mètre carré, elle indique la luminosité apparente d’une surface depuis un point d’observation donné. La plage des luminances est large: le seuil de perception visuelle se situe à environ 10^-6 cd/m², et la luminosité apparente du soleil est de l’ordre de 1,6•10⁹ cd/m². Un mur blanc éclairé par le soleil atteint, par exemple, 30'000 cd/m² [1].

Quand y a-t-il éblouissement?

Un éblouissement se produit lorsqu’un module photovoltaïque (PV) réfléchit comme un miroir les rayons du soleil vers un point d’observation en suivant la loi de la réflexion spéculaire «angle d’incidence = angle de réflexion». Pour calculer l’éblouissement, il est nécessaire de connaître la position du soleil, l’orientation et l’inclinaison de l’installation photovoltaïque, ainsi que son emplacement et celui du point d’observation. Pour déterminer l’éblouissement géométrique, Meteotest exploite un outil en ligne créé à la demande du canton de Berne, de l’Office fédéral de l’énergie et de Swissolar, disponible sur www.blendtool.ch.

Plus les modules photovoltaïques sont orientés vers le soleil (c’est-à-dire vers le sud), moins il y a de risque d’éblouissement. Ce sont donc généralement les toits orientés au nord qui causent des éblouissements gênants. Mais il existe aussi un risque d’éblouissement si des riverains ont une vue qui surplombe un toit doté d’une installation PV, en particulier si les bâtiments sont situés sur un versant sud. Grâce à l’outil convivial blendtool.ch, il est aujourd’hui possible de vérifier avant la construction d’une installation si un éblouissement du voisinage est susceptible de se produire. Quelques minutes d’éblouissement peu avant le coucher du soleil ne sont pas vraiment considérées comme critiques, contrairement à plusieurs heures d’éblouissement aux alentours de midi en été.

Élargissement du faisceau

Du fait de l’extrême luminosité du soleil, presque toutes les surfaces suffisamment lisses éblouissent. Même si seulement 1% de la lumière solaire était réfléchi, la luminance serait encore de l’ordre de 10⁷ cd/m². La luminance ne peut donc être réellement réduite que si la lumière est diffusée à la surface de l’élément réfléchissant. Cette diffusion, appelée «élargissement du faisceau», fait partie des propriétés de presque tous les verres de panneaux solaires. Il est généralement possible de le constater à la forme légèrement elliptique du point de réflexion.

La taille de ce point d’éblouissement elliptique dépend de l’angle d’incidence: lorsque le point d’observation est situé perpendiculairement à la surface (angle d’incidence = angle de réflexion = 0°), il s’agit, pour un module photovoltaïque type, d’un cône circulaire avec un angle d’ouverture d’environ 5°. Plus la surface est observée à plat, plus l’ellipse s’allonge. Avec un angle de réflexion très plat d’environ 80°, on observe une ellipse allongée et étroite avec un axe principal d’environ 10° et un axe secondaire d’environ 3° [2].

L’éblouissement dépend de l’angle

Si la forme du point éblouissant dépend de l’angle, c’est aussi le cas de sa luminance. Cette dépendance angulaire est à l’origine de quelques défis dans la pratique. En particulier, apporter une réponse à la question de savoir si un module PV est «à suffisamment faible éblouissement» n’est possible que dans le contexte de la situation d’installation, et notamment de l’angle de vue entre le module photovoltaïque et le point d’observation (c’est-à-dire l’«angle de réflexion»). Alors qu’un module PV standard présente des luminances proches ou supérieures au million de cd/m² quel que soit l’angle d’observation, les verres «Deflect» sont clairement peu éblouissants à des angles aigus ([lt] 45°), mais pas à des angles plats ([gt] 60°). Les verres satinés ou les films de bonne qualité peuvent en revanche être peu éblouissants sous tous les angles d’observation. La prudence est toutefois de mise avec les films, car il n’existe pas encore d’expériences à long terme. Les fabricants offrent actuellement des garanties de 10 à 15 ans sur les propriétés anti-éblouissement.

Les surfaces peu éblouissantes, telles que le verre satiné, sont en outre sujettes à un autre phénomène: la loi optique «angle d’incidence = angle de réflexion» ne s’applique plus à la surface du module. Pour une lumière incidente donnée, le point le plus clair du module ne se trouve pas à l’endroit où l’éblouissement se produirait avec un miroir, mais à un angle de réflexion plus plat. Cela peut mener à une situation paradoxale dans laquelle, à certains points d’observation, le verre satiné produit des réflexions gênantes, alors qu’un verre solaire standard n’éblouit pas. L’intensité de ce nouveau type d’éblouissement est toutefois beaucoup plus faible que celle d’un module solaire standard, et cet éblouissement n’apparaît qu’à un angle d’observation plat.

Valeur limite en fonction de l’angle

Plus le reflet du soleil sur une surface est observé à plat, plus la surface paraît claire. Cela vaut pour presque tous les matériaux de construction. Il est impressionnant de constater que si l’on tient une tuile en terre cuite à plat face au soleil et que l’on cherche un reflet, la tuile commence à éblouir. Pourtant, personne ne demanderait une expertise en matière d’éblouissement pour un tel matériau.

À la demande de l’Office fédéral de l’énergie, une équipe de projet, composée de Swissolar, Basler & Hofmann ainsi que des hautes écoles spécialisées bernoise (BFH) et de la Suisse orientale (OST), a tiré parti de cet état de fait et a élaboré une définition des surfaces à faible éblouissement [3]. Pour ce faire, l’OST a mesuré la luminance de différentes surfaces. La définition stipule qu’une surface dont la luminance est inférieure à celle de matériaux de référence tels que le crépi, les tuiles en terre cuite, le bois ou le béton peut être considérée comme peu éblouissante.

Cette définition doit naturellement dépendre de l’angle. Plus une surface est vue à plat, plus la luminance acceptable est élevée. Cela se reflète également dans la réalité: plus une surface est observée à plat, plus le regard est dirigé vers le soleil. À un angle d’observation de 80°, on regarde déjà presque directement vers le soleil. Il faut donc protéger ses yeux de l’éblouissement solaire et la tolérance aux surfaces claires dans le champ de vision à proximité immédiate du soleil est d’autant plus élevée. La valeur limite correspondante est indiquée dans la figure 1.

Double éblouissement

Si l’on observe ce phénomène dans un cas limite, on regarde directement vers le soleil. On parle alors aussi de «double éblouissement», ou de «sun masking» en anglais, car l’éblouissement dû à la surface réfléchissante est éclipsé par l’éblouissement solaire. Tant le guide relatif à la procédure d’annonce et d’autorisation [4] des installations solaires que blendtool.ch parlent de double éblouissement à un angle d’observation de 80°, c’est-à-dire à une différence angulaire entre le rayon solaire et le rayon réfléchi de 2 x 10° = 20° (figure 2). Les doubles éblouissements ne doivent donc pas être considérés dans les expertises en matière d’éblouissement.

Il y a éblouissement: que faire?

Jusqu’à récemment, si l’on constatait qu’une installation éblouissait une fois construite, il n’existait guère de solutions satisfaisantes pour y remédier. Planter un arbre, restreindre le champ de vision ou démonter l’installation ne convenait que rarement aux personnes concernées. Depuis quelques années, il existe des produits pourvus de verre satiné qui garantissent l’absence d’éblouissement. En raison de l’utilisation d’acide fluorhydrique – loin d’être idéale d’un point de vue écologique – pour la fabrication de ces verres et de leur coût plus élevé, ceux-ci ne devraient toutefois être utilisés que s’il n’existe pas d’autre solution. De plus, il est rare de pouvoir acheter des modules standard équipés de verres satinés. La rénovation en matière d’éblouissement d’une installation PV en utilisant des modules intégrés au toit équipés de verres satinés a été présentée dans [1].

Depuis plus d’un an, il existe des films qui peuvent être collés a posteriori sur les modules photovoltaïques. Dans le cadre d’un projet pilote soutenu par l’Office des déchets, de l’eau, de l’énergie et de l’air (Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft, Awel) du canton de Zurich, ces films sont testés sur le toit nord d’un bâtiment situé sur un versant sud de la rive nord du lac de Zurich (figure de titre et figure 3).

Les résultats sont prometteurs: grâce à ces films, la luminance de la zone éblouissante des modules standard est réduite d’un facteur 100 et se situe dès lors entre 15'000 et 40'000 cd/m². Pour les modules Deflect, l’angle de vision dans cet exemple est toutefois trop plat: avec une luminance d’environ 200'000 cd/m², leur luminosité apparente est déjà dérangeante (figure 4). Les films sont néanmoins encore assez chers et difficiles à poser. Ils ne devraient aussi idéalement pas être ajoutés sur le chantier, mais dans un atelier spécialement équipé.

Conseils pratiques pour l’utilisation des films

Si les films offrent une solution au problème de l’éblouissement dans le cas d’installations photovoltaïques critiques, leur utilisation est cependant liée à certaines difficultés:

• Pour poser les films, le module et l’environnement de travail doivent être très propres.
• Afin d’éviter la formation de bulles d’air entre le module et le film, ceux-ci doivent être humidifiés avec beaucoup d’eau savonneuse avant la pose. Une fois que le film est en contact direct avec le verre, il ne peut plus être déplacé ou retiré sans être endommagé.
• La pose sur site est possible, mais délicate. Il est beaucoup plus facile d’appliquer le film dans un environnement protégé.
• Le film ne peut être appliqué que sur du verre lisse. Le verre solaire standard légèrement modelé convient bien. Les films n’adhèrent toutefois pas ou mal aux verres présentant une structure de surface marquée.
• Les fabricants et les fournisseurs proposent généralement un service de pose des films.
• Les films entraînent une légère perte de rendement. Le laboratoire PV de la BFH a mesuré des pertes de transmission comprises entre 1 et 5%, selon le type de verre du module PV.

Si ces conseils sont suivis, les films peuvent contribuer de manière significative à atténuer le problème de l’éblouissement dû aux installations PV sur les toits orientés au nord.

Conclusion

Pendant de nombreuses années, les installations PV n’ont été réalisées que sur des toits orientés au sud. L’éblouissement causé par les modules photovoltaïques ne constituait donc que rarement un problème. Cependant, la forte demande en énergie solaire et la baisse des prix des modules PV ont désormais mené à en poser même sur les toits orientés au nord. Les effets indésirables liés à l’éblouissement sont donc de plus en plus pris en compte. Avant la construction d’une installation, il convient donc d’évaluer le potentiel d’éblouissement des toits orientés au nord, par exemple à l’aide de l’outil blendtool.ch. Outre les modules peu éblouissants, il existe aujourd’hui des films qui peuvent être collés a posteriori sur les modules afin de réduire l’éblouissement.