Estimation of clear-sky tilted irradiance components based on downwelling and upwelling solar radiances and ground reflectance

Estimation des composantes d'éclairement incliné par ciel clair à partir des luminances descendantes et montantes prenant en compte la réflectance du sol La prévision précise des éclairements solaires descendants et montants pour diverses orientations de plans est cruciale pour les applications de l'énergie solaire. Les technologies photovoltaïques bifaciaux et de suivi solaire améliorent considérablement les rendements énergétiques en capturant le rayonnement solaire sur les faces avant et arrière des modules photovoltaïques, optimisant ainsi leurs orientations au fil du temps. Ces prévisions sont également essentielles en architecture et dans les bâtiments énergétiques, améliorant l'efficacité énergétique et garantissant le confort visuel et thermique dans les bâtiments.Pour des prévisions précises sous toutes les conditions météorologiques, il est essentiel de pouvoir fournir d'abord les composantes d'éclairement solaire direct, diffus et réfléchi sous ciel clair, en tenant compte de la réflectance générale du sol. L'objectif de cette étude doctorale est d'explorer la possibilité d'étendre la capacité du modèle d'éclairement ciel clair existant McClear, fourni par les Services de Surveillance de l'Atmosphère de Copernicus (CAMS). Ce modèle, qui intègre les paramètres atmosphériques (ozone, vapeur d'eau et propriétés des aérosols) de CAMS, délivre rapidement et avec précision les éclairements globaux descendants, diffusés horizontaux et directs normaux sous ciel clair, mais n'offre pas d'éclairement descendant (diffus) et montant (réfléchi) incliné.Dans ce travail, nous proposons un nouveau modèle, McClear_Radiance, basé sur la modélisation de la distribution de la luminance descendante et montante, qui est la source pour calculer toute composante d'éclairement pour des orientations arbitraires. Le modèle McClear_Radiance, étendu à partir de McClear CAMS, utilise une méthode LUT basée sur le modèle de transfert radiatif libRadtran. Il s'appuie sur trois paramètres clés d'entrée (fraction diffuse, type d'aérosol et SZA) et intègre également la réflectance du sol grâce à la modélisation Ross-Li de la fonction de distribution bidirectionnelle de la réflectance (BRDF) pour les surfaces non lambertiennes, au-delà de l'albédo.Diverses validations et analyses de performance ont été menées en utilisant deux modèles empiriques largement utilisés comme références pour estimer les éclairements inclinés à partir des éclairements horizontaux direct et diffus : le modèle de transposition Perez proposé par Perez et al. (1987) et un modèle de luminance de type CIE par Perez et al. (1993a; 1993b). Ces études ont été d'abord réalisées dans un environnement numérique simulé en utilisant le modèle RTM libRadtran comme référence pour de nombreuses situations de ciel clair et diverses orientations de plans, démontrant une amélioration significative pour le modèle McClear_Radiance proposé par rapport aux deux méthodes de référence.La validation « en conditions réelles » du modèle McClear_Radiance a finalement été réalisée avec des éclairements globaux et diffus horizontaux, directs normaux, et trois éclairements inclinés globaux (GTI, 20° Sud, 30° Sud et 45° Sud-Ouest) de haute qualité, mesurés simultanément par des capteurs pyranomètres opérés par le DLR à la Plataforma Solar de Almería (PSA) dans le sud de l'Espagne. Les comparaisons pour les trois orientations sous ciel clair ont montré des valeurs RMSE de 20,1 W/m² (2,8 %) et des coefficients de corrélation élevés (≈ 0,998), cohérents avec le RMSE du GHI ciel clair de McClear (18,7 W/m², 2,9 %), légèrement meilleurs que le modèle de transposition Perez (23 W/m², 3,2 %) et indiscernables du modèle de luminance Perez (20,1 W/m², 2,8 %), compte tenu des incertitudes de mesure.