Analysis of Solar Energy Power Generation in Urban Environments
Analyse de la production d'énergie solaire en milieu urbain
Résumé
In today's global energy and climate context, there's an urgent need to shift towardsrenewable energy sources. This need is underscored by the increasing urbanization, coupled with the heightened frequency and severity of extreme weather events due to climate change. These factors have placed high pressure on our energy infrastructure, environment, economy, and society. Addressing this pressure requires a decisive shift from fossil fuel-based to renewable energy resources.Central to this transition are urban systems. High population density and increasing energy demand in cities position them at the center of the energy issue. Recent concepts such as Nearly Zero Energy Buildings (nZEB) and Districts (nZED) have brought forth discussions on energy efficiency, introducing the idea of on-site or nearby renewable energy production.In this context, solar energy is the most direct means of integration. Yet, a comprehensive understanding of the urban solar potential demands careful planning, design, and optimization for effective integration. This entails a comprehensive, interdisciplinary scientific approach that accounts for the complex interplay of geometric, physical, morphological, and climatic attributes within the urban environment. Challenges such as shading, inter-reflections, and microclimatic effects like the Urban Heat Island (UHI) reduce the effectiveness of solar systems and increase building energy needs.This thesis investigates this intricate subject, spanning solar engineering, building design, urban planning, and climatology. It presents a series of interconnected scientific publications, each addressing a distinct yet interconnected aspect. Initially, it focuses on the physical characterization of urban systems, with specific attention to the Urban Heat Island, emphasizing its pivotal role in urban planning and its impact on building energy simulation and performance. The research then shifts to studying solar radiation distribution in relation to urban morphological attributes. Following this, the performance of photovoltaic installations in urban settings is analysed, with a particular focus on local climatic conditions and mounting configurations. Finally, it addresses the application of concentrated solar systems, specifically Linear Fresnel Collectors (LFCs), offering a promising alternative for solar integration for industrial applications in peripheral urban areas.The key goal is to assess the challenges in implementing city-wide solar energy integration. This is mainly achieved through real-world case studies, proposing integrated workflows with diverse and coupled simulation tools. One of the key issues is to minimize the computational resources required for such large-scale analyses. Notably, these investigations encompass not only the city-scale but also extend to district-level and individual production system scales.Methodologically, a wide range of tools is employed, including analytical models and numerical simulations, tailored to each study's specific scope and scale. These encompass simulations of urban microclimate, building energy performance, photovoltaic energy production, and ray-tracing techniques. Statistical methods also play a key role, particularly in Geographic Information System (GIS) data analyses. Data-driven techniques aid in aggregating and analyzing spatial data, enhancing understanding of urban morphologies and solar radiation distribution. Unsupervised machine learning techniques, like clustering, are deployed to unveil patterns within extensive datasets.The results of this thesis aim to prioritize the integration of solar systems in urban environments, highlighting the significance of climate mitigation strategies. Moreover, the research endeavors to provide practical urban planning guidelines for effectively addressing the requirements of energy-efficient urban development.
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.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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