Thèse soutenue

Prédiction pour la gestion intelligente territorialisée de la ressource renouvelable photovoltaïque & intégration par déploiement d’un réseau de capteurs IoT LoRaWAN

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Auteur / Autrice : Ollé Michel Kam
Direction : Camel TanougastHarry Ramenah
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Systèmes électroniques
Date : Soutenance le 30/09/2021
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Conception, Optimisation et Modélisation des Systèmes (Metz)
Jury : Président / Présidente : Manuela Sechilariu
Examinateurs / Examinatrices : Harry Ramenah, Michel Benne, Krishna Busawon
Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Benne, Krishna Busawon

Résumé

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La mise en place de micro-réseaux électriques décentralisés à sources d’énergies renouvelables (EnR) est actuellement un challenge pour l’alimentation d’infrastructures de télécommunication. La production d’électricité à partir d’installations photovoltaïque (PV) et/ou micro-éolienne est plus adaptée du point vu de la disponibilité des ressources renouvelables et leur déploiement à proximité des antennes télécoms. Cependant, l’intermittence et la variabilité des sources renouvelables, en particulier pour le PV, posent un problème d’équilibre entre la production et la consommation qui doit être assuré à tout moment. De plus, la question du dimensionnement prenant en compte cette intermittence est un véritable compromis entre la taille, le coût d’investissement, la marge de sécurité et de sureté de fonctionnement. Il est donc indispensable de développer des outils de prévision et de prédiction de la production électrique PV. L’objectif de ces travaux de thèse est d’établir un modèle pragmatique de prédiction de la ressource PV capable de caractériser la variabilité et l’intermittence de l’irradiation solaire à partir des données recueillies sur sites et sur une longue période. En s’appuyant sur des données de mesures expérimentales issues d’installations PV, nous montrons qu’une distribution adaptée de Weibull permet une prédiction fiable, caractérisant la variabilité de l’irradiation globale de sites à climat semi-continental (sites du territoire français). En particulier, ces travaux étudient et recherchent parmi les méthodes de détermination des paramètres de Weibull, celles qui sont les plus adaptées pour le domaine du PV pour prévoir la production annuelle d'énergie et la prédire dans le temps. L'originalité de la méthode proposée est l’obtention d’une production d'énergie PV annuelle fiable et d’une modélisation de la distribution pouvant contribuer à la génération de séries chronologiques synthétiques de données d'irradiation globale. Le modèle de Weibull proposé est adapté à la prédiction du gisement solaire et s’appuie sur une formulation mathématique permettant des résultats fiables pouvant être intégrée dans un outil d’environnement et d’acquisition temps réel de données de mesures. Pour valider l’approche développée de prévision pour une prédiction de sources d’alimentation PV pour des sites télécoms, nous proposons un démonstrateur d’acquisition temps réel à large couverture basé sur l'instrumentation d’une antenne télécom de la société TDF SAS par des capteurs IoT (Internet of Things) déployés en réseau. Le déploiement de capteurs IoT au protocole LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) sur une tour de télécommunication traditionnelle, dans les conditions réelles de fonctionnement d’interférences des fréquences, a permis de démontrer que le réseau de capteurs est adapté pour développer des services de mesures, de prévisions d’énergies disponibles, de suivis et de supervisions d’installations PV servant à alimenter des antennes télécoms. Les capteurs IoT communiquent sans interférer aux installations préexistantes des tours tout en conservant la qualité des données issues des capteurs. Ce réseau LoRaWAN démontre la pertinence de déployer des stations météorologiques sur des sites existants d’antennes télécoms permettant en temps réel des exécutions du modèle de prédiction PV développé. Ces travaux dégagent des perspectives d’applications et de développement d’EnR à grande échelle sur un large territoire en considérant le climat dominant. Notamment, l’implémentation du modèle de prédiction à court terme au sein d’un environnement interconnecté à un réseau de capteurs météorologiques et communiquant en temps réel permettra une gestion intelligente d’installations EnR déployées dans un territoire.