Modelling solar radiation for PV optimisation

Modélisation du rayonnement solaire pour l’optimisation photovoltaïque (PV) Un fort développement de la filière énergie solaire est prévu pour les prochaines années en France et dans le monde. Une modélisation précise du rayonnement solaire est nécessaire pour minimiser les incertitudes sur l’estimation du productible de futures fermes et optimiser leur conception. Cependant, le rayonnement solaire au sol est fortement influencé par plusieurs paramètres géographiques, météorologiques et atmosphériques, dont notamment les caractéristiques des nuages, et celles des aérosols. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la modélisation du rayonnement solaire, en mettant l’accent sur celles dues à la présence de nuages et d’aérosols. Des améliorations ont d’abord été apportées au modèle de rayonnement 1D du logiciel CFD code_saturne. Ce modèle estime dorénavant le rayonnement global, direct et diffus, en prenant en compte l’impact des gaz atmosphériques, des aérosols et des nuages. Les simulations sont effectuées au SIRTA, observatoire atmosphérique en Ile-de-France, et comparées aux mesures de rayonnement effectuées dans cet observatoire. Une bonne estimation du rayonnement en ciel clair est obtenue en prenant en compte la présence d’aérosols dont les propriétés optiques sont estimées grâce à un chaînage avec la plateforme Polyphemus. Les nuages conduisent notamment à une forte atténuation du rayonnement et ils sont très complexes à modéliser en raison notamment de leur forte variabilité spatio-temporelle. Afin d’améliorer la modélisation en ciel nuageux, le modèle est couplé aux mesures sur site pour déterminer les propriétés optiques des nuages (épaisseur optique, fraction nuageuse). Différents tests de sensibilité sont conduits afin de mieux comprendre l’impact de ces propriétés et les instruments utilisables pour les mesurer. L’analyse de la comparaison entre rayonnement mesuré et calculé (réalisée pour le rayonnement global et sa composante directe) est basée à la fois sur des scores statistiques globaux et sur une étude détaillée des causes possibles des erreurs les plus importantes. Un second axe de la thèse a consisté à appliquer et valider ce modèle de rayonnement sur à un cas bien documenté de brouillard radiatif au SIRTA (campagne Paris-Fog) évoluant en stratus bas après sa dissipation. L’accent est porté sur la prise en compte des aérosols et notamment du carbone suie dans la composition des gouttelettes lors de la phase de dissipation, ainsi que sur l’hypothèse considérée pour la fraction nuageuse. Dans un troisième axe, des améliorations sont apportées au modèle de rayonnement 3D de code_saturne pour la prise en compte des aérosols et nuages et en vue de son application à la modélisation d’une ferme PV. Une vérification du comportement du modèle est faite sur un cas d’interaction avec un obstacle, avec des comparaisons entre les résultats des modèles 1D et 3D.