Evaluation of the impact of the broadband optical properties of an urban environment on the producible energy
Evaluation de l’impact des propriétés optiques large-bande de l’environnement sur le productible (énergie incidente) en milieu urbain
Résumé
The performance of a photovoltaic module is conditioned by the environment in which it is installed. Indeed, the amount of solar energy converted into electricity depends on the incident irradiance on the module. Progress in the integration of photovoltaic modules on buildings and the reduction of their costs leads us to consider the solar potential in urban environments, both on roofs and facades. In an urban environment, the density of buildings limits solar gain on the facade by the presence of masks. Public institutes encourages an increase in the local production of renewable energies. It is therefore necessary to acquire digital tools to accurately assess the solar potential in cities, and thus evaluate the profitability of photovoltaic installations. In particular, it is necessary to evaluate the solar contributions resulting from reflections on the various surfaces that make up the urban scene. Visual integration issues, raising the question of colours and incident spectra on surfaces in different wavelength ranges must also be considered. Finally, these tools must also make it possible to assess the impact of photovoltaic integration in an urban environment in order to avoid reinforcing heat island phenomena. The PhD work is therefore focused on methods for simulating sunshine in an urban environment, through the development of two modelling strategies (radiosity and ray throwing). The simulation models are compared under the hypotheses of equivalent optical reflections, allowing a validation of the hypotheses used in each of the methods. At the same time, a qualification of the optical properties of typical materials from the urban environment allows the construction of optical reflection models based on Bidirectional Reflectivity Distributions Functions (BRDF). These models are integrated into the irradiance models. Therefore, it possible to evaluate the ratio of energy resulting from the different reflection modes. In addition, irradiance measurements are carried out in an external environment. A test bench is designed to measure the irradiances perceived on the facade and on the ground. Different configurations are tested using this mock-up. The measurements obtained are then compared with the numerical results under real conditions, enabling the models to be validated.
La performance d’un module photovoltaïque est conditionnée par l’environnement dans lequel il est installé. En effet, la quantité d’énergie solaire convertie en électricité dépend de l’irradiance incidente sur le module. Les progrès dans l’intégration des modules photovoltaïques sur bâtiment et la diminution de leurs coûts amènent à considérer le potentiel solaire en milieu urbain, en toiture mais aussi en façade. En milieu urbain, la densité des bâtiments limite les apports solaires en façade par la présence de masques. La volonté publique encourage une augmentation de la production locale d’énergies renouvelables. Il est alors nécessaire de se doter d’outils numériques permettant d’évaluer avec précision le potentiel solaire en ville, et ainsi évaluer la rentabilité d’installations photovoltaïques. Il s’agit en particulier d’évaluer les apports solaires issus des réflexions sur les différentes surfaces composant la scène urbaine. Les problématiques d’intégration visuelle, soulevant la question des couleurs et des spectres incidents sur les surfaces dans différentes gammes de longueurs d’ondes doivent également être considérées Enfin, ces outils doivent également permettre d’évaluer l’impact d’une intégration photovoltaïque en milieu urbain afin d’éviter de renforcer les phénomènes d’îlot de chaleur. Les travaux de thèse se sont donc focalisés sur les méthodes de simulation d’ensoleillement en milieu urbain, au travers du développement de deux stratégies de modélisation (radiosité et lancer de rayons). Les modèles de simulation sont comparés sous des hypothèses de réflexions optiques équivalentes, permettant une validation des hypothèses utilisées dans chacune des méthodes. Parallèlement, une qualification des propriétés optiques de matériaux typiques de l’environnement urbain permet la construction de modèles de réflexion optiques basés sur les distributions de réflectivité bidirectionnelles (BRDF en anglais). Ces modèles, injectés dans les modèles d’irradiance, permettent d’évaluer la part d’énergie issue des différents modes de réflexion. Par ailleurs, des mesures d’irradiances sont réalisées en milieu extérieur. Un banc de test est conçu de sorte à mesurer les irradiances perçues en façade et au sol. Différentes configurations sont testées dans via cette maquette. Les mesures obtenues sont alors confrontées aux résultats numériques sous conditions réelles, permettant une validation des modèles.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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