Analysis of Solar Energy Power Generation in Urban Environments

Analyse de la production d'énergie solaire en milieu urbain Dans le contexte actuel, la nécessité de se tourner vers les énergies renouvelables est urgente, compte tenu de l'urbanisation croissante et de l'aggravation des phénomènes météorologiques extrêmes liés au changement climatique. Cela met une pression considérable sur les infrastructures énergétiques, l'environnement, l'économie et la société, exigeant une transition rapide des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables.Au cœur de cette transition se trouvent les systèmes urbains. La densité de population élevée et la demande croissante d'énergie dans les villes les placent au centre de la problématique énergétique. Des concepts récents tels que Nearly Zero Energy Buildings (nZEB) and Districts (nZED) ont suscité des discussions sur l'efficacité énergétique, introduisant l'idée de production d'énergie renouvelable intégré.L'énergie solaire se distingue comme la méthode d'intégration la plus directe. Cependant, une compréhension complète du potentiel solaire urbain nécessite une planification, une conception et une optimisation minutieuses pour être efficace. Cela exige une approche scientifique globale et interdisciplinaire, tenant compte des attributs géométriques, physiques, morphologiques et climatiques dans un environnement urbain complexe. Des défis tels que l'ombrage, les réflexions entre bâtiments et les effets microclimatiques comme l'îlot de chaleur urbain (UHI) limitent l'efficacité des systèmes solaires intégrés et augmentent les besoins énergétiques des bâtiments.Cette thèse aborde l'ingénierie solaire, la conception des bâtiments, l'urbanisme et la climatologie. Elle présente une série de publications interconnectées abordant des aspects distincts mais liés. Elle débute par la caractérisation physique des systèmes urbains, mettant l'accent sur l'îlot de chaleur urbain et son influence sur la performance énergétique des bâtiments. Ensuite, elle étudie la distribution du rayonnement solaire en relation avec la morphologie urbaine. Elle analyse la performance des installations photovoltaïques, en mettant l'accent sur les conditions climatiques et les configurations de montage. Enfin, elle explore l'application de systèmes solaires concentrés, notamment les Collecteurs Linéaires Fresnel (LFC), comme alternative prometteuse pour l'intégration solaire dans les applications industrielles en périphérie urbaine.L'objectif principal est d'évaluer les défis de l'intégration de l'énergie solaire à l'échelle urbaine. Cela se fait à travers des études de cas réels, en utilisant des workflows intégrés avec divers outils de simulation couplés. Minimiser les ressources computationnelles pour les analyses à grande échelle est un enjeu clé. Les investigations couvrent non seulement l'échelle de la ville, mais s'étendent également aux échelles du quartier et des systèmes de production individuels.Sur le plan méthodologique, divers outils sont utilisés, dont des modèles analytiques et des simulations numériques, adaptés à la portée et à l'échelle de chaque étude. Cela inclut des simulations du microclimat urbain, les performances énergétiques des bâtiments, la production d'énergie photovoltaïque et les techniques de lancer de rayons. Les méthodes statistiques, en particulier dans l'analyse des données du Système d'Information Géographique (SIG), ainsi que l'apprentissage automatique non supervisé, comme le clustering, sont déployées pour extraire des motifs des ensembles de données étendus.Les résultats de cette thèse visent à donner la priorité à l'intégration des systèmes solaires dans les environnements urbains , soulignant ainsi l'importance des stratégies d'atténuation du climat. De plus, la recherche vise à fournir des directives pratiques pour la planification urbaine afin de répondre efficacement aux exigences du développement durable.