Déterminer l'orientation et l'inclinaison du toit

1Ce que l'orientation et l'inclinaison changent vraiment

Une installation solaire produit de l'électricité à partir du rayonnement qui atteint réellement la surface des modules. Si la surface est inclinée par rapport au soleil, le même rayonnement se répartit sur une plus grande surface et chaque mètre carré en reçoit moins. C'est exactement ce que décrivent l'orientation et l'inclinaison : à quel point la surface est bien tournée vers le soleil au fil de la journée et de l'année.

En règle générale, on peut l'exprimer par un facteur d'orientation ; c'est aussi ainsi que fonctionne l'estimation immédiate de SolarFinder, avant que les valeurs horaires PVGIS de votre emplacement soient chargées. Une surface orientée exactement au sud reçoit le facteur 1,00 et sert de référence. Le sud-est et le sud-ouest sont à 0,96, l'est ou l'ouest purs à 0,85. Vers le nord, le facteur tombe à 0,55 ; une installation n'y est rentable qu'exceptionnellement, par exemple sur un toit plat existant avec une faible inclinaison.

Traduit en argent : construire au sud-ouest plutôt qu'au sud coûte environ 50 à 60 euros par an pour une installation de 4 kWc avec un prix de l'électricité de 35 centimes. C'est sensible, mais ce n'est pas une raison d'écarter un toit. Passer du sud à l'est, en revanche, coûte environ 15 %, soit près de 200 euros par an pour la même installation.

L'inclinaison agit dans le même ordre de grandeur, avec une particularité importante : sa courbe est très plate au sommet. Entre 25 et 55 degrés, toutes les valeurs dépassent 97 % de l'optimum. Inutile donc de connaître l'inclinaison au degré près, contrairement à l'orientation, où un écart de 30 degrés se fait déjà sentir de façon mesurable.

2L'azimut : le langage de l'orientation

Les calculateurs et les professionnels n'indiquent pas l'orientation par « sud » mais par l'azimut, un angle en degrés mesuré dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du nord. Le nord est à 0 degré, l'est à 90, le sud à 180 et l'ouest à 270. Un toit orienté sud-ouest a donc un azimut de 225 degrés.

Il existe malheureusement une seconde convention dans laquelle le sud vaut zéro, les écarts vers l'est étant négatifs et vers l'ouest positifs. Un toit sud-ouest y serait à +45 degrés. Les deux conventions sont répandues ; celle qui s'applique est généralement indiquée en petits caractères à côté de la saisie. SolarFinder utilise la première, avec le nord à zéro, celle qu'affiche aussi la boussole de votre téléphone.

Le point de référence compte : il s'agit toujours de la direction vers laquelle regarde la surface des modules, c'est-à-dire le sens de la pente du toit. Ni la direction du faîtage, ni le côté rue. Sur un toit à deux pans avec un faîtage est-ouest, un pan a l'azimut 90 et l'autre 270.

Un second piège est la différence entre le nord géographique et le nord magnétique. Une boussole indique le pôle magnétique, qui ne se trouve pas là où la carte place son nord. En Europe centrale, cette déclinaison est actuellement d'environ 3 à 5 degrés : négligeable pour le calcul du rendement, mais bon à savoir quand deux outils affichent des chiffres légèrement différents.

3Trouver l'orientation du toit sans outil

Le plus rapide est une image satellite. Ouvrez un service de cartographie, trouvez votre maison et tournez la carte pour que le nord soit en haut, ce qui est le réglage par défaut. Vous voyez alors le faîtage comme une ligne. Les surfaces des modules lui sont perpendiculaires.

Tracez mentalement une ligne partant du faîtage vers le bas, à angle droit, en direction du pan de toit qui vous intéresse. L'angle de cette ligne par rapport à la verticale de l'image est votre azimut : si elle pointe vers le bas de l'image, c'est 180 degrés, donc le sud ; si elle pointe vers la droite, c'est 90 degrés, donc l'est.

Cette méthode est étonnamment précise, à environ 5 degrés près, si l'image satellite est nette et que le toit a des bords bien visibles. Elle échoue sur les toits complexes, avec des lucarnes ou lorsque des arbres masquent les bords du toit.

La seconde méthode sans technique utilise le soleil. Au midi solaire vrai, le soleil est exactement au sud. En Europe centrale, cela se situe entre 12 h 10 et 13 h 40 selon la longitude et la saison ; l'heure d'été le décale d'une heure. À ce moment, placez-vous de sorte que votre ombre tombe droit derrière vous : vous regardez alors vers le sud. Comparez cette direction avec celle de votre pan de toit.

Les deux méthodes donnent une bonne approximation. Pour plus de précision ou avec un toit complexe, mesurez directement sur le bâtiment : c'est l'étape suivante.

4Mesurer avec le téléphone : boussole et étalonnage

Tout smartphone moderne possède un magnétomètre qui alimente la boussole. Il permet de relever l'orientation directement sur le toit ou depuis le bas, au niveau de la gouttière : tenez l'appareil à plat, pointez son bord supérieur perpendiculairement au faîtage dans la direction du pan de toit et lisez l'azimut.

Le problème, c'est la précision. Les magnétomètres réagissent à tout ce qui crée ou déforme un champ magnétique : gouttières métalliques, bandes de zinc, supports de modules, voitures, et même les haut-parleurs de l'appareil. Deux mètres de distance à de grandes pièces métalliques peuvent changer la mesure de dix degrés.

C'est pourquoi chaque mesure doit être précédée d'un étalonnage. Sur la plupart des appareils, on décrit un huit dans l'air pendant quelques secondes jusqu'à ce que la valeur se stabilise. Répétez ensuite la mesure au moins une fois à un autre endroit. Si les deux valeurs diffèrent de plus de cinq degrés, du métal perturbe la mesure.

Certains appareils ne fournissent pas du tout de direction absolue du nord, seulement une rotation relative. Un point de référence aide alors : pointez l'appareil vers une direction que vous connaissez avec certitude, par exemple le sud trouvé avec la méthode de midi ou une rue dont vous avez relevé le tracé sur la carte, et définissez cette valeur comme référence. SolarFinder propose pour cela les quatre points cardinaux, pour que vous choisissiez celui qui est le plus facile à déterminer sur place.

5Mesurer l'angle d'inclinaison

L'inclinaison est l'angle du pan de toit par rapport à l'horizontale. Un toit plat a 0 degré, une façade verticale 90 degrés, un toit à deux pans typique d'Europe centrale entre 35 et 45 degrés.

Avec le téléphone, c'est le plus simple : le capteur d'inclinaison de chaque smartphone mesure la pente par rapport à la pesanteur. Posez l'appareil à plat sur le pan de toit ou, si vous ne pouvez pas monter sur le toit, sur une surface parallèle, par exemple une planche appuyée contre le bord du toit. L'angle affiché est la pente du toit.

Sans capteur, les mathématiques du collège suffisent. Mesurez sur un chevron ou sur le pignon une distance horizontale d'un mètre et la différence de hauteur correspondante. L'angle d'inclinaison est l'arc tangente de la hauteur divisée par la longueur. 100 centimètres à l'horizontale et 84 centimètres à la verticale donnent environ 40 degrés. Pour un usage domestique, une règle simple suffit : 50 centimètres de montée par mètre font environ 27 degrés, 80 centimètres environ 39, un mètre exactement 45.

Et si rien d'autre ne marche : la plupart des dossiers de construction indiquent directement la pente du toit. Couvreurs et charpentiers peuvent aussi vous renseigner, car elle dépend de la couverture : les tuiles plates exigent au moins 30 degrés, les tuiles béton environ 22, la tôle se contente de 10.

6L'inclinaison optimale à votre emplacement

Il n'existe pas d'angle d'inclinaison optimal universel : il dépend de la latitude. Plus on va vers le nord, plus le soleil est bas en moyenne sur l'année et plus la surface doit être inclinée.

SolarFinder utilise pour cela une approximation simple et bien documentée : la valeur absolue de la latitude multipliée par 0,76, plus 3 degrés, limitée à une plage de 10 à 45 degrés. Pour Berlin, à 52,5 degrés nord, on obtient environ 43 degrés, pour Munich, à 48,1 degrés, environ 40, pour Hambourg, à 53,6 degrés, environ 44. En Allemagne, en Autriche ou en Suisse, 40 degrés ne sont jamais loin du compte.

Ce qui compte, c'est la platitude de cette courbe. À 42 degrés, le facteur vaut 1,00. À 30 degrés, il vaut 0,99, à 60 degrés 0,96. Même un toit plat parfaitement horizontal atteint encore 0,86 ; seule la façade verticale décroche nettement, à 0,70.

En pratique, cela signifie : sur un toit en pente, l'inclinaison est imposée, et elle est presque toujours suffisante. La question de l'angle optimal ne se pose vraiment que sur les toits plats et les installations au sol, où l'angle de montage se choisit librement. Et là, ce n'est souvent pas l'optimum calculé qui l'emporte mais un angle plus faible : moins d'inclinaison signifie moins d'ombre entre les rangées de modules, donc plus de modules sur la même surface.

Une seconde raison de préférer des angles plus faibles est la courbe annuelle. Une surface raide décale la production vers l'hiver, car elle capte mieux le soleil bas. C'est séduisant, mais cela aide peu quand décembre ne représente de toute façon que 2,2 % du rendement annuel, contre 13,5 % en juin.

7Quand le sud n'est pas possible : est-ouest et courbe journalière

Un toit est-ouest ressemble à la moins bonne affaire : 85 au lieu de 100 %. Pour le total annuel, c'est vrai. Pour ce qui se retrouve sur la facture d'électricité, souvent pas.

La raison est la courbe journalière. Une installation orientée sud produit beaucoup d'électricité dans un pic étroit autour de midi, justement quand personne n'est à la maison dans un foyer typique. Le surplus part sur le réseau et est rémunéré au tarif de rachat, bien inférieur au prix d'achat. Une installation est-ouest répartit la même énergie sur deux pics plus plats : un le matin, un en fin d'après-midi. Cela correspond bien mieux à la consommation de personnes qui prennent le petit-déjeuner le matin et cuisinent le soir.

Mathématiquement, la part d'autoconsommation se décale. Une installation sud sans batterie atteint 25 à 30 % d'autoconsommation selon le foyer, une installation est-ouest 30 à 40 %. Avec un écart d'environ 27 centimes entre prix d'achat et tarif de rachat, cet effet peut compenser tout ou partie des 15 % de rendement en moins.

Il y a aussi un avantage pratique : sur un toit est-ouest, les deux pans sont utilisables. Là où un toit sud porte 20 modules, l'est et l'ouest ensemble en portent 40. Le rendement plus faible par module est compensé par un plus grand nombre de modules, à condition que l'onduleur soit dimensionné en conséquence et que le budget le permette.

La décision dépend donc de votre objectif. Un rendement annuel maximal par module plaide pour le sud. Le plus possible d'électricité autoconsommée et une production plus régulière plaident pour l'est-ouest.

8L'ombrage l'emporte sur toute optimisation d'angle

Tout ce qui précède vaut pour une surface dégagée. Dès qu'une ombre entre en jeu, les ordres de grandeur changent radicalement, et vers le bas.

La raison tient au câblage. Les modules sont reliés en série dans des chaînes, et une chaîne ne fournit que le courant que laisse passer son maillon le plus faible. Un seul module ombragé peut donc brider toute la chaîne. Les modules modernes limitent ce phénomène à des sous-zones grâce aux diodes de dérivation, et les optimiseurs de puissance ou les micro-onduleurs le résolvent en grande partie, mais aucune de ces solutions n'est gratuite.

Avant toute question d'angle, vérifiez donc : qu'y a-t-il au sud, au sud-est et au sud-ouest du toit ? Les arbres poussent, et l'arbre du voisin, inoffensif aujourd'hui, peut toucher la rangée inférieure de modules dans dix ans. Cheminées, antennes, lucarnes, paraboles et bâtiments voisins font partie de la même liste.

La saison est particulièrement trompeuse. Une ombre qui manque tout juste le toit en juin le traverse en plein en octobre, car le soleil est alors environ 20 degrés plus bas. Pour vérifier l'ombrage, faites-le pour l'hiver, pas pour le plein été.

Si une partie de la surface est inévitablement ombragée, la meilleure réponse consiste généralement à la laisser libre plutôt qu'à la sauver par la technique. Un module qui ne produit que la moitié du temps rembourse rarement son coût.

9Saisir les valeurs dans le calculateur

Vous avez maintenant deux chiffres : un azimut en degrés et une inclinaison en degrés. Dans SolarFinder, saisissez-les directement dans les curseurs « Orientation du toit » et « Angle d'inclinaison ». Si vous ne voulez pas mesurer à la main, ouvrez l'application sur votre téléphone et laissez la boussole et le capteur d'inclinaison relever les deux valeurs d'un coup.

Le calculateur affiche immédiatement une estimation : l'irradiation à votre latitude, multipliée par le facteur d'orientation, le facteur d'inclinaison et un ratio de performance de 0,82. Ce 0,82 regroupe tout ce qui se perd entre la surface des modules et le compteur : pertes dans les câbles, rendement de l'onduleur, température, encrassement, vieillissement. Une à deux secondes plus tard, il charge les valeurs horaires PVGIS pour votre emplacement et exactement cette orientation, puis simule l'année heure par heure ; à partir de là, c'est le chiffre PVGIS qui s'affiche. Sans connexion à PVGIS, l'estimation reste.

Pour situer, à chaque fois au sud avec 35 degrés d'inclinaison, en moyenne PVGIS 2005 à 2020 : Vienne atteint environ 1 121 kilowattheures par kilowatt-crête et par an, Munich 1 065, Berlin 1 007, Cologne 987, Hambourg 928. L'écart entre Hambourg et Munich est donc d'environ 15 %, plus que l'écart entre une orientation sud et sud-ouest.

Multiplié par la taille de l'installation, cela donne le rendement annuel. Une installation de 4 kWc à Berlin sur un toit orienté sud-ouest incliné à 40 degrés atteint ainsi environ 3 860 kilowattheures par an.

10Erreurs fréquentes

Confondre la direction du faîtage avec l'orientation. Il s'agit toujours de la direction vers laquelle la surface est tournée ; avec un faîtage nord-sud, les pans regardent vers l'est et l'ouest, pas vers le nord et le sud.

Mesurer sur le champ de modules terminé. Le support et l'onduleur perturbent la boussole. Mesurez avant, ou à distance.

Vouloir être trop précis sur l'inclinaison. Entre 25 et 55 degrés, la courbe est si plate que la précision de la mesure n'a pas d'importance. Le temps est mieux investi dans la vérification de l'ombrage.

Oublier l'ombre d'hiver. Vérifier en juillet, c'est vérifier la situation la plus favorable de l'année.

Rejeter l'est-ouest par principe. Un rendement annuel plus faible dit peu de choses sur la quantité d'électricité finalement autoconsommée, et seule celle-ci économise le prix d'achat complet.

Retenir l'optimum calculé sur les toits plats. Un montage raide coûte de la surface, car les rangées s'ombragent sinon mutuellement. En pratique, 15 à 25 degrés l'emportent, même si 40 seraient meilleurs sur le papier.