Estimation de l’Irradiation Solaire sur le Plateau des Guyanes

Méthodes Physiques

   Les méthodes dites « physiques » sont basées sur la modélisation des constituants de l’atmosphère pour décrire l’atténuation du rayonnement. En grande majorité, les méthodes physiques utilisent des modèles de transfert radiatif (MTR) pour modéliser ces atténuations. L’un des premiers modèles physiques est celui de Gautier et al., (1980). Ce modèle exploite des données image issues du satellite météorologique géostationnaire GOES, couplées à des modélisations des atténuations des constituants de l’atmosphère. Deux modèles sont proposés pour calculer l’irradiation solaire : l’un par temps clair, l’autre par temps couvert. Le bon fonctionnement de ce modèle, comme pour la plupart des modèles physiques, dépend d’une série d’images correctement étalonnées (Gautier et al., 1980a). La dernière version de la méthode, datant de 1997 (Gautier and Landsfeld, 1997) prend en compte également l’atténuation de l’irradiation dans la portion ultraviolette du spectre solaire. D’autres modèles physiques exploitent l’imagerie satellite, comme l’algorithme du projet GEWEX SRB (Global Energy and Water Exchange – Surface Radiation Budget) développé par Pinker and Laszlo (1992) . Cet algorithme exploite le MTR de DeltaEddington (Joseph et al., 1976), dans lequel une bibliothèque de valeurs de transmissivité et de réflectivité du rayonnement à égard d’une surface est mise en place. Lorsqu’une valeur de luminance est mesurée par le capteur satellite à un instant donné, elle est convertie en réflectance bande étroite (narrowband) puis en réflectance large bande (broadband). Et l’irradiation globale au sol est estimée par itérations successives, grâce à la lecture de la bibliothèque contenant les valeurs de réflectance et de transmissivité générées par le MTR (table de lecture ou Look Up Table -LUT) L’INPE (Instituto de Pesquisas Espaciais – Institut National de Recherches Spatiales, Brésil) et le laboratoire LABSOLAR de l’UFSC (Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil) ont mis en place la méthode Brazil-SR (Pereira et al., 2000), une méthode physique qui utilise le canal du visible du satellite GOES pour estimer le rayonnement solaire en surface, pour obtenir des estimations d’irradiation au niveau de l’Amérique du Sud. La méthode Brazil-SR s’inspire du modèle IGMK (Institut für Geophysik Meteorologie, Universitat zü Köln – Institut de Météorologie Geophysique, Université de Cologne, Allemagne) de Moser & Raschke (1983), amélioré par la suite par Stuhlmann et al., (1990), qui permit la prise en compte de l’élévation de la surface, et des réflexions multiples du rayonnement entre la surface et les couches de l’atmosphère. L’hypothèse de départ stipule que les nuages sont le facteur le plus influent dans l’atténuation du rayonnement solaire. Le principal objectif est donc de paramétrer l’influence des nuages (couvert nuageux, épaisseur optique) le plus précisément possible. Les autres contributions (aérosols, vapeur d’eau, ozone, albédo de surface) sont considérées comme secondaires et peuvent être décrites par leur climatologie mensuelle (Stuhlmann et al., 1990). La méthode Brazil-SR utilise une approche ”double flux” (Schmetz, 1984) pour estimer la transmittance du ciel. À partir de cette  transmittance et d’un indice de couvert nuageux (n), une estimation de l’irradiation solaire au sol en est déduite. Janjai et al., (2005) ont mis en place un modèle physique particulièrement adapté pour les zones tropicales afin de cartographier le rayonnement global reçu au sol. L’accent a été mis sur la modélisation des processus d’absorption et de diffusion par les constituants de l’atmosphère (ozone, aérosols, vapeur d’eau). Les données images sont issues des capteurs satellites GMS-4, GMS-5, GOES-9 et MTSAT-1R ont été extraites et converties en une valeur d’albédo « Terre-Atmosphère ». Les coefficients d’absorption et cet albédo « Terre-Atmosphère » sont liés à un coefficient total de transmission. En multipliant ce coefficient total de transmission par le rayonnement solaire extraterrestre, il est possible d’obtenir le rayonnement global au sol. Enfin, Oumbe (2009) et Lefèvre et al., (2013) ont développé la méthode Heliosat4 qui exploite deux modèles atmosphériques : McClear, pour estimer le rayonnement au sol par ciel clair, et McCloud (Qu, 2013) pour estimer le rayonnement au sol par ciel couvert. Un abaque de valeurs issues de chaque modèle est crée au préalable, afin de permettre une exploitation opérationnelle de ces modèles. En effet, l’exploitation d’un MTR en mode opérationnel est quasiment impossible, compte tenu de la durée des temps de calcul.

SSE (Surface meteorology and Solar Energy)

   La base de données SSE est un service Web qui exploite l’algorithme de Pinker et Laszlo (1992) et fournit des séries de données d’irradiation journalières. Elle se distingue par son ouverture au monde de l’industrie du secteur énergétique. La base de données SSE a une couverture mondiale, avec des résolutions temporelles et spatiale réduites : les données d’irradiation solaire sont fournies toutes les 3 h et à une résolution spatiale de 1° x 1° (soit environ un pixel de 100 km x 100 km). Les images utilisées proviennent de divers satellites géostationnaires (GOES, Meteosat) et à orbite polaire (NOAA AVHRR) utilisés dans le cadre du projet ISCCP. Les données climatologiques proviennent des projets ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) et CERES (Cloud and the Earth’s Radiant Energy System).

NREL

   Cette base de données fournit des cartes de moyennes annuelles d’irradiation journalières en utilisant la méthode de Perez et al., (2002). Les cartes proposent des données d’irradiation globale et de d’irradiation directe à une résolution spatiale de 10 km via l’utilisation d’un SIG (Système d’Information Géographique), mais uniquement pour les États-Unis. Des archives constituées de données recueillies entre 1985 et 1991 sont disponibles pour l’Amérique du Sud, l’Amérique Centrale, l’Afrique, le MoyenOrient, le Sud de l’Europe et le Sud de l’Asie, mais à une résolution spatiale de 40km.

Absorption

   L’absorption décrit comment l’énergie d’une onde électromagnétique incidente entrant en collision avec une particule est absorbée par cette particule et convertie dans une autre forme. L’absorption entraîne un phénomène d’émission d’énergie, l’émission étant liée à l’agitation moléculaire interne de la matière. La nature de la transition de niveaux d’énergie dépend de la longueur d’onde du rayonnement incident (Oumbe, 2010) :
– pour les rayons ultraviolets, il y a dissociation des molécules
– pour les longueurs d’onde du visible, il y a transition entre niveaux d’énergie correspondant aux configurations électriques
– pour le rayonnement Infrarouge, la transition est vibrationnelle
– pour les micros ondes, la transition est rotationnelle.
Contrairement à la diffusion, l’absorption des ondes électromagnétiques qui composent le rayonnement solaire par les gaz atmosphériques est sélective : elle concerne des bandes de longueurs d’onde réparties de façon discrète dans le spectre solaire. Le rayonnement ultraviolet, dont la longueur d’onde est inférieure à 0,3 µm, est absorbé par l’ozone.Le rayonnement dont les longueurs d’onde est supérieur à 4 µm (ex : infrarouges) est absorbé par la vapeur d’eau.Dans le domaine des radiations visibles, moins de 1 % de l’´energie solaire totale est absorbée lorsque le Soleil se trouve au zénith. Les molécules responsables de cette faible absorption sont l’ozone et l’oxygène. Dans l’infrarouge, le rayonnement solaire est absorbé principalement par la vapeur d’eau et le gaz carbonique, créant des discontinuités sur le spectre solaire dans cette région. L’absorption propre à la vapeur d’eau représente environ 10 %.

Le cas de la zone intertropicale

   La zone intertropicale (située entre 20°N et 20°S de latitude) étant proche de l’équateur, les rayons solaires qui atteignent la Terre traversent une couche atmosphérique d’épaisseur plus faible qu’ailleurs ce qui permet à la ressource solaire d’y être plus abondante. Dans cette zone le principal phénomène météorologique à l’origine de la présence de nuages est la Zone Intertropicale de Convergence (ZIC). La ZIC est une « ceinture » où convergent les vents d’est (alizés), sous l’effet de l’anticyclone (zone de haute pression atmosphérique) des Açores et de l’anticyclone de Sainte Hélène. Les alizés sont des flux d’air chaud, réguliers, généralement secs sur les secteurs orientaux des océans et humides sur les secteurs occidentaux des continents. Au cours de l’année, la ZIC se déplace en latitude et provoque l’apparition de masses nuageuses chargées en humidité, entraînant des périodes de précipitation prolongées à égard des zones continentales bien que la ZIC soit un phénomène principalement océanique (Vasquez, 2009). Le déplacement de la ZIC soumet la zone intertropicale à deux saisons : une saison des pluies et une saison sèche.

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Table des matières

Chapitre 1 : Introduction générale
1.1 Caractérisation du rayonnement solaire
1.2 Méthodes d’estimation de l’irradiation globale solaire par satellite
1.2.1 Méthodes statistiques
1.2.2 Méthodes Physiques
1.2.3 Méthodes Hybrides
1.3 Bases de données d’irradiation solaire
1.3.1 BSRN (réseau in-situ)
1.3.2 SSE (Surface meteorology and Solar Energy)
1.3.3 NREL
1.3.4 HelioClim
1.4 Rayonnement solaire et atmosphère
1.4.1 Composition et structure de l’atmosphère
1.4.2 Diffusion
1.4.3 Absorption
1.4.4 Causes d’atténuation du rayonnement solaire
1.5 Technologies d’exploitation du rayonnement solaire
1.5.1 Technologie d’exploitation de la composante globale
1.5.2 Technologie d’exploitation de la composante directe
1.5.3 Situation de la l’exploitation de l’énergie solaire en zone intertropicale
1.6 Objectif de la thèse
1.7 Méthodologie et plan
Chapitre 2 : Estimation de l’irradiation solaire à haute résolution spatiotemporelle avec des images GOES
Optimizing the Heliosat-2 method for Surface Solar Irradiation estimation with GOES images
2.1 Abstract
2.2 Introduction
2.3 Context and data
2.3.1 Context
2.3.2 In-situ data
2.3.3 Satellite data
2.3.4 Climate
2.4 The Heliosat-2 method
2.4.1 Changes in the calibration process
2.4.2 Choice of an optimal cloud albedo calculation
2.4.3 Determination of the Linke turbidity factor value
2.5 Results and analysis
2.5.1 Results obtained depending on cloud albedo strategy
2.5.2 Results obtained depending on the Linke turbidity factor value
2.5.3 Results obtained depending on the type of sky
2.5.4 Comparison with Helioclim3 estimates
2.6 Conclusion
Chapitre 3 : Amélioration des estimations de l’irradiation solaire par ciel couvert 
Optimizing the Heliosat-2 method for Surface Solar Irradiation estimation under cloudy sky conditions
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Data
3.3.1 Ground measurements
3.3.2 Satellite Data
3.3.3 Climate
3.4 Method
3.4.1 Presentation of the Heliosat method
3.4.2 Cloudy sky correction of the Heliosat II method
3.5 Results and discussion
3.5.1 SSI estimates with original method
3.5.2 SSI estimates with modified method (under cloudy sky)
3.5.3 SSI estimates with modified method (under cloudy sky)- cloud absorption dependency
3.5.4 Original and modified model SSI estimates comparison (under clear sky)
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Exploitabilité de l’irradiation solaire sur le Plateau des Guyanes 
Spatiotemporal indicators of solar energy potential in the Guiana Shield using GOES images
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Data
4.3.1 Satellite data
4.3.2 In situ data
4.4 Methods
4.4.1 Optimized Heliosat-2 method
4.5 Results and discussion
4.5.1 Validation
4.5.2 Global and direct irradiation potential
4.5.3 Spatiotemporal indicators
4.6 Conclusions
Chapitre 5 : Discussion générale
5.1 Estimation de l’irradiation solaire à haute résolution spatiale et temporelle sur le Plateau des Guyanes
5.2 Amélioration de la qualité des données d’irradiation en tenant compte des phénomènes climatiques
5.3 Amélioration de la connaissance du potentiel en énergie solaire sur le Plateau des Guyanes
5.4 Limites
Chapitre 6 : Conclusion et perspectives

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