Simulation du productible solaire en MiliEu uRbain

par Karine Bouty

Projet de thèse en Energétique et Génie des Procédés

Sous la direction de Christophe Menezo.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry) , en partenariat avec Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement (laboratoire) depuis le 01-01-2019 .


  • Résumé

    Le projet de recherche est lié au potentiel de production d'énergie solaire dans le contexte de la transition énergétique et de la densité urbaine. Il repose sur une approche numérique / expérimentale, multi-physique et multi-échelles allant des composants BIPV (collecte de l'énergie solaire, conversion) à l'échelle de la ville (métabolisme de l'énergie urbaine) à l'échelle du district (effets inter-bâtiments) et vise à minimiser la consommation d'énergie, l'optimisation de la production d'énergie solaire et l'atténuation du phénomène climatique urbain (en particulier les îlots de chaleur urbains). Les travaux permettront de prendre en compte la géométrie du quartier et son microclimat (effets inter-bâtiments, rayonnement diffus, vent, végétation ...) pour l'optimisation de la production d'énergie à partir de l'énergie solaire, des formes et de la densification urbaine: - sur la base des données statistiques météorologiques et des données numériques d'élévation, - renseignant à l'échelle du bâtiment (unité de base) les potentiels de production d'énergie photovoltaïque liés aux besoins énergétiques estimés ou mesurés, ainsi que le potentiel d'autoconsommation électrique, - prenant en compte les conditions climatiques locales qui influencer la performance des panneaux solaires et l'efficacité énergétique des bâtiments. Approche développée : L'approche proposée est multi-échelle. Une première phase consistera à caractériser les conditions aux limites (environnement urbain) d'exploitation des bâtiments et des centrales solaires simulées et analysées dans une seconde phase. Étape 1- Modélisation géographique et climatique du paysage urbain Pour évaluer de manière détaillée le potentiel de production solaire physique, temporel et géographique afin de répondre aux besoins énergétiques des bâtiments, il est nécessaire de suivre les étapes suivantes: Collecte et constitution des données d'entrée; modélisation de phénomènes physiques (rayonnement, flux d'air, en tenant compte des effets thermiques entre bâtiments, de la végétation, etc.); interfaçage et analyse de données. Cette étape nécessite un ensemble d'informations concernant les caractéristiques pertinentes des surfaces et de leur environnement, c'est-à-dire un modèle numérique de surface (DEM). Ce type de données peut être obtenu en utilisant plusieurs techniques, telles que de simples images aériennes ou satellitaires auxquelles nous aurons accès. Cependant, d'autres techniques apporteraient un degré de précision intéressant. Étape 2- Modélisation des bâtiments et des composants solaires intégrés La phase précédente permettra de combiner dans cette étape les modélisations: - la typologie des bâtiments, leur composition, leur comportement énergétique (BES), y compris les technologies solaires intégrées - la morphologie des zones, des simulations des microclimats (CFD, rayonnement solaire, réflexions et transferts multiples), des interactions avec l'atmosphère, le sol et entre les bâtiments eux-mêmes afin d'évaluer le bilan énergétique à différentes échelles.

  • Titre traduit

    Simulation of Solar Production in Urban


  • Résumé

    The research project is related to solar power generation potential in the context of energy transition and urban density. It is grounded on a numerical/experimental, multi-physics and multi-scales approach from BIPV components (solar energy collect, conversion) to city scale (urban energy metabolism) through district scale (inter building effects) and aims at minimizing energy consumption, optimizing solar power generation and mitigating of urban climate (in particular Urban Heat Island) phenomenon. The work will allow considering the geometry of the district and its micro-climate (inter-building effects, diffuse radiation, wind, vegetation ...) for the optimization of solar energy power generation, forms and urban densification: - On the basis of meteorological statistical data and digital elevation data, - informing at the building scale (base unit) the PV energy production potentials related to the estimated or measured energy needs, and the potential for electrical self-consumption, - taking into account local climatic conditions that influence the performance of solar panels and the energy efficiency of buildings. Developed Approach: The proposed approach is multi-scale. A first phase will consist in the characterization of the boundary conditions (urban environment) of exploitation of the buildings and solar power plants simulated and analyzed in a second phase. Step 1- Geographical and climatic modeling of the urban landscape To make a detailed estimate of the physical, temporal and geographical solar production potential in order to connect with the energy needs of buildings following steps are required: Collection and constitution input data; modeling of physical phenomena (radiation, air flows, taking into account inter-building thermal effects, vegetation, etc.); Interfacing and data analysis. This step requires a set of information concerning the relevant characteristics of the surfaces and their environment, that is to say a digital surface model (DEM). This type of data can be obtained using several techniques, such as simple aerial or satellite imagery to which we will have access. However other techniques would bring an interesting degree of precision. Step 2- Modeling of buildings and integrated solar components The previous phase will allow to combine within this step the modeling: - The typology of buildings, their composition, their energy behavior (BES) including integrated solar technologies - the morphology of the zones, simulations of microclimates (CFD, solar radiation, multiple reflections and transfers), interactions with the atmosphere, the soil and between the buildings themselves in order to evaluate the energy balance at the different scales