Analyse de la variabilité du rayonnement solaire reçu au sol dans l'espace et le temps. Application à la prévision.

par Marc Bengulescu

Projet de thèse en Energétique et Procédés

Sous la direction de Lucien Wald.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) , OIE - Centre Observation, Impacts, Energie (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Contexte et enjeux ------------------ La production d'électricité par voie solaire (photovoltaïque, technologies de concentration du rayonnement) est par nature fluctuante. Cette caractéristique soulève des difficultés de gestion chez les opérateurs des systèmes et de réseaux électriques, qui peuvent être résolues notamment par une prévision du rayonnement solaire suivant différents horizons de temps. Plusieurs solutions techniques sont actuellement proposées. Cependant, peu de travaux ont été publiés sur la variabilité des échelles caractéristiques du rayonnement dans l'espace et le temps. L'analyse de ces échelles est un préalable au développement de méthodes de prévision ; elle indiquera les différents domaines dans lesquels la prévision peut potentiellement être faite et avec quelle qualité. Objectifs scientifiques ----------------------- Les objectifs de la thèse sont : 1) de proposer une méthode d'analyse de la variabilité des échelles spatio-temporelles du rayonnement solaire, 2) de proposer un modèle décrivant cette variabilité, et 3) d'évaluer l'application de ce modèle à la prévision du rayonnement solaire. Approche - Méthodes ------------------- L'analyse de la bibliographie produira des pistes pour définir, développer et valider une méthode d'analyse des échelles spatiales et temporelles. La méthode sera appliquée à des données de rayonnement issues d'images de satellites, possédant une couverture spatiale et temporelle significative, comme HelioClim-3v4. Afin de découpler des sources de variabilités dans le temps et l'espace, les analyses seront également menées sur l'estimation du rayonnement solaire par ciel clair établie sur le monde entier, sur la même période de temps, par le modèle McClear. Compte-tenu de la nature faiblement stationnaire du rayonnement, les moyens mathématiques seront de la famille des analyses temps-fréquence ou multi-résolution comme ceux basés sur les transformées en ondelettes ou la transformée de Gabor. Le principe est de caractériser, par seuillage et/ou détection de maxima locaux dans ces espaces transformés, pour chaque pixel et pour un instant donné, les échelles caractéristiques du rayonnement. Les descripteurs de ces échelles feront alors l'objet d'une classification spatio-temporelle afin d'établir un catalogue d'un nombre limité de variabilités typiques, indexé dans les échelles espace- temps. Les incertitudes des données HelioClim-3 devront être prises en compte. On évaluera les incertitudes commises dans des situations particulières en exploitant cette classification. Ces résultats seront exploités pour proposer une méthode de prévision du rayonnement solaire, en fonction du domaine d'échelles caractéristiques choisi. Ses entrées seront des prédicteurs tirés du catalogue des variabilités typiques. Des variables météorologiques, comme le champ du géo-potentiel (isohypses) à 500 hPa, pourraient également fournir des prédicteurs à la méthode. Différentes méthodes de prévisions statistiques pourraient être envisagées (telles que l'utilisation d'approximateurs stochastiques linéaires, de réseau bayesien dynamique, de réseau de neurones récurrents,...) et leur performances pourraient être comparées (complexité de la méthode vs score des prévisions). Pour l'ensemble de l'étude, on pourra tout d'abord se concentrer sur une région comme le Bassin Méditerranéen, où la variabilité du climat est assez simple, puis étendre la région d'analyse sans perdre le bénéfice de l'analyse précédente. Résultats attendus ------------------ 1. une méthode d'analyse de la variabilité des échelles spatio-temporelles du rayonnement solaire, 2. une caractérisation de ces échelles, et une mise en relation avec celles des champs météorologiques, 3. un catalogue de situations type fonction des échelles caractéristiques, 4. un modèle de description de ces situations, avec un nombre d'entrées limité et les incertitudes des estimations faites par ce modèle, 5. une méthode de prévision du rayonnement solaire et sa validation en fonction des différents domaines où la prévision peut être faite.

  • Titre traduit

    Analysis of the variability of the surface solar radiation in space and time. Application to forecast.


  • Résumé

    Context and challenges ---------------------- Electricity production by photovoltaic or concentrated solar technologies is intermittent by nature. Intermittency needs to be handled by electricity distribution system operators (DSO). One solution lies on accurate forecasts of solar radiation at different horizons. Several methods have been published. However, only a limited number of works have dealt with the characteristic scales of the radiation field in space and time. Analysis of these scales is a prerequisite in forecast; it will indicate the various domains where forecast can be done with a given quality. Scientific objectives --------------------- The objectives are to i) propose a method for analysing the characteristic scales of the radiation field in space and time, ii) to model the variability of the field, and iii) to apply this model to the forecasts of the solar radiation. Methodology ----------- Analysis of the existing literature will provide pathways to designing, developing and validating a method for analysing the characteristic scales. The method will apply to radiation data derived from satellite images having a significant coverage in space and time, such as HelioClim-3v4. This database offers coverage of 1/3 of the Earth, from 2004 to 2014. To better understand the sources in variability, the analysis will also apply to the estimates of the radiation under clear-sky made by the McClear model for the same period over the whole world. The signal is weakly stationary and the preferred analysis tools will be in the time-frequency family such as wavelet transforms and Gabor transforms. The concept is to determine for each pixel and each instant the characteristics scales by thresholding / detecting local maxima in the transform spaces. Scale descriptors will be classified to yield a catalog of a limited number of typical fields, with an index in space-time domain. The associated uncertainties will be computed. The results will be exploited in order to propose a method for forecasting solar radiation depending on the selected scales. Inputs will be predictors extracted from the catalog and possibly, meteorological variables such as the geopotential (isohypses) at 500 hPa. The study will focus initially on a region of limited coverage such as the Mediterranean Basin, where the variability is limited, and may then extend to larger areas without losing the benefit of the previous analysis. Expected results ---------------- 1. a method for analysing the characteristic scales of the radiation field in space and time, 2. a description of these scales in relation with those of meteorological fields, 3. a catalogue of typical fields function of characteristic scales, 4. a model describing these fields with a limited number of inputs and associated uncertainties, 5. a method for forecasting solar radiation and its validation depending on the various domains.