De la modélisation du rayonnement solaire à la production d'énergie : recherches sur l'optimisation de la production photovoltaïque en contexte amazonien

Abstract

L’objectif des recherches décrites dans ce mémoire est de répondre aux problématiques de la filière photovoltaïque en contexte amazonien afin d’assurer le développement de cette dernière. Les actions de recherche initiées ont pour but de contribuer à l’amélioration du fonctionnement des installations photovoltaïques et à la diminution des risques associés aux projets et technologies photovoltaïques implantés dans cette région. Nous abordons dans un premier temps la question de la formalisation de modèles capables d'assurer le suivi de l'éclairement solaire en vue de réaliser le contrôle et la gestion de l'énergie produite, et pour cela nous utilisons le formalisme de la modélisation par espace d’état. Le filtre Bayésien récursif est utilisé comme méthode de résolution d'un problème à espace d'état dont les observations sont issues d'images satellites. Nous veillons au caractère générique de la méthode proposée afin qu’elle soit transposable à d’autres ressources naturelles. En vue d'améliorer le caractère prédictif du filtre bayésien nous nous intéresserons à la définition des propriétés statistiques des termes d’erreur intervenant dans des modèles mathématiques simulant l'évolution de l'état de l'éclairement solaire. Nous définissons une nouvelle méthode de sélection des densités de probabilité des termes d’erreur qui interviennent dans de nombreux modèles d'évolution, puis nous appliquons cette méthode de sélection à deux modèles d'évolution de l'éclairement solaire, ce qui nous amène à remettre en cause des aspects, pourtant réputés solides, de principes communément admis. Nous proposons la définition d'une nouvelle méthode de construction de fonctions/modèles d'observation afin d’extraire des images satellites une information pertinente sur l'état de l'éclairement solaire, en particulier nous analysons la possibilité d’utiliser une loi de probabilité jointe non-paramétrique pour formaliser un concept générique qui serait applicable à d’autres variables représentatives d’une ressource renouvelable. L’évaluation de l’efficacité et de la précision du filtre bayésien conçu avec les modèles d’évolution et d’observation que nous avons développés est assurée avec des critères statistiques tels que le Biais, le RMSE et le coefficient de corrélation.Dans un second chapitre, nous abordons la question de l’estimation du potentiel de l’éclairement solaire au sol sur la zone du continent Sud-américain qui entoure la Guyane. Compte tenu de l’étendue de la zone étudiée et de la parcimonie des stations de mesures présentes dans cette zone, nous choisissons d’utiliser un algorithme permettant d'estimer l’éclairement solaire en utilisant des images satellites. Ces travaux aboutissent à la réalisation de plusieurs cartographies du potentiel de l’éclairement solaire sur un plan horizontal (Global Horizontal Irradiance - GHI) mais aussi du potentiel d’éclairement direct (Direct Normal Irradiance - DNI) ainsi que des cartographies d’indicateurs liés à l’exploitabilité du potentiel solaire, comme la variabilité journalière ou le pourcentage d’énergie reçue au sol avant et après le midi solaire par rapport à la quantité d’énergie journalière.Dans le troisième chapitre, nous abordons le thème de la production d’énergie photovoltaïque en sites isolés en contexte amazonien, nous présentons les études menées et les résultats obtenus qui visent à l'amélioration de la productivité des systèmes photovoltaïques dans un tel contexte. Le but de ces travaux n’est pas simplement de décrire les analyses faites sur la productivité des systèmes solaires mais d’établir des recommandations à partir de cas concrets, et proposer quelques pistes claires et opérationnelles pour exploiter au mieux la ressource solaire afin de satisfaire les besoins énergétiques des populations non raccordées au réseau électrique. Enfin, en guise de conclusion, nous proposerons un état synthétique des principales avancées issues de ce parcours et nous présenterons les perspectives scientifiques et techniques qu’elles ont permis d’ouvrir