A future sustainable society need to rely more on renewable energy sources. One of the most promising alternatives is solar power. However, there are inherent fluctuations accompanied with solar power, for example if the shadow of a cloud blocks the sun light on a whole solar cell it will not produce any power. This will cause problems with connecting the solar panels to the power grid. Clear sky index (CSI) is a measurement of how much of the sky that is covered by clouds, and is a key parameter for planning of large scale solar panels. This report describes the manufacturing and programming of a cheap device for calculating the so called clear sky index (CSI) over a large portion of the sky. The device contains a Raspberry PI computer with a camera module, and utilize a program that through the computer-vision library OpenCV can calculate the CSI of the images provided by the camera. The resulting prototype costs about 800 SEK, and has possibility to be improved by adding a fish-eye lens to cover a bigger area, or to be water resistant by improving the casing, without exceeding a 1000 SEK price tag.

Clear-sky top-of-atmosphere (TOA) fluxes are important in estimating the impact of clouds on our climate. In this study, we quantitatively compare the clear-sky fluxes measurements of the Clouds and the Earths Radiant Energy System (CERES) instrument to clear-sky fluxes from two reanalysis, NASA's Modern Era Retrospective-analysis for Research and Application (MERRA), and the European Center for Medium Range Weather Forecast Interim reanalysis (ERA-Interim). In the first comparison, we compare observed fluxes from individual cloud-free field-of- views to the reanalyses. In the second comparison, we compare monthly averaged observed clear-sky fluxes to those from the reanalyses. Monthly clear-sky fluxes are calculated by averaging fluxes from cloud-free regions. In both comparisons, the fluxes generally agree within +/- 10 W/m^2. Finally, we show that, while the differences between the fluxes of observations and the reanalyses are several W/m2, the inter-annual anomalies agree much better, with zonal and global average inter-annual anomalies typically agreeing within 1 W/m^2. The longwave clear-sky anomalies show excellent agreement even when comparing individual grid points, whereas the shortwave clear-sky anomalies are generally smaller at individual grid points.

Nowadays, electricity production from photovoltaics power plants is becoming important increasingly. In order to set production to other power plants, it is necessary to predict the generation of electricity from these sources. The thesis is mainly devoted to models for short-term prediction, which is based on weather forecast. The models were designated by beta regression and linear regression with transformed explanatory variable. One part of thesis is devoted to Clear sky model, which is used to estimated the maximum possible production at given hour. 1

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet européen visant à améliorer la compétitivité des centrales solaires à concentration. Parmi les différents défis soulevés par ce projet, l’évaluation en temps réel de la disponibilité et de la variabilité de la ressource solaire est un point clé puisqu’elle permettrait une gestion optimisée du champ solaire et, par conséquent, une hausse de la productivité de la centrale. L’objectif de ce travail est donc de développer un outil d’évaluation de la ressource solaire destiné à la gestion de centrales CSP. Pour y parvenir, une étude approfondie des interactions entre le rayonnement solaire et l’atmosphère est tout d’abord menée. Cette étude révèle entre autres que l’éclairement normal direct (DNI) peut se scinder en deux composantes : le DNI par ciel clair et l’indice ciel clair. Le premier représente l’éclairement normal direct reçu au niveau du sol, lorsqu’aucun nuage ne vient occulter le Soleil. Le second traduit l’influence des nuages sur ce rayonnement par ciel clair. Évaluer ces deux composantes est essentiel pour l’opérateur de la centrale car elles lui permettent de connaître les marges de manoeuvre dont il dispose. D’une part, un modèle ciel clair permettant d’estimer et prévoir le DNI par ciel clair en temps réel est donc développé. Il permet de maintenir l’erreur quadratique moyenne sur l’estimation du DNI par ciel clair aux alentours de 30W/m². D’autre part, une caméra hémisphérique a été installée sur le site du laboratoire PROMES-CNRS afin de détecter les nuages et leur mouvement dans le but d’appréhender la variabilité de l’indice ciel clair. Ce système est notamment capable de fournir des images à haute dynamique, permettant de mesurer simultanément des informations dans la zone circumsolaire et dans les zones les plus sombres du ciel. Sur la base du modèle ciel clair et des images fournies par la caméra, un modèle de prévision du DNI pour tout type de conditions a été mis au point. Il permet de maintenir l’erreur quadratique moyenne sur la prévision du DNI aux alentours de 180 W/m², pour des horizons inférieurs à 30 min. En partenariat avec Acciona, l’outil développé est d’ores et déjà opérationnel sur la centrale solaire Palma del Rio II, en Espagne. / This thesis is part of a European research project which aims at improving the solar power plant efficiency. Among the different challenges pointed out by this project, the solar resource assessment and forecasting are essential tasks since they would allow a better real-time management of the solar field, and thus reduce the maintenance activities, while improving the expected benefits. Therefore, the purpose of this work is to develop a solar resource forecasting tool in order to improve the CSP plants management. An extensive review of the interactions between solar radiation and the atmosphere is firstly conducted. It reveals, among other things, that the direct normal irradiance (DNI) can be divided into two components : the clear sky DNI and the clear sky index. The former represents the direct normal irradiance received at ground level, when no clouds are occulting the sun. The latter reflects the influence of clouds on the clear sky DNI. Estimating these two quantities is essential for the plant operator, since it allows a better management of the solar field. As a consequence, a clear sky model able to estimate and forecast the clear sky DNI has been developed. The root mean squared error of the forecast is around 30 W/m². On the other hand, a sky imager has been installed at the PROMES-CNRS laboratory in order to detect clouds and their motion. The system is able to provide high dynamic range images, allowing the measurement of information both into the circumsolar area and into the darkest parts of the sky. Based on the clear sky model and the images provided by the sky imager, a DNI forecasting model is proposed. The root mean square error on the forecast is around 30 W/m², for 30 min forecasting horizon. One system is now operational at a solar power plant located in Palma del Rio II, Spain.

Plusieurs méthodes existent pour évaluer de manière opérationnelle l'éclairement solaire au sol à partir d'images acquises par satellite. Durant sa thèse soutenue en 2009 à MINES ParisTech, Oumbe a conçu une nouvelle méthode, Heliosat-4, faisant appel à des modèles numériques du transfert radiatif et à des approximations d'exécution rapide. La présente thèse vise à consolider ces résultats et à effectuer la validation complète de la méthode Heliosat-4. Elle s'inscrit dans une collaboration scientifique internationale dans les projets européens MACC (Monitoring Atmosphere Composition and Climate) et MACC-II.Oumbe a proposé une approximation de l'équation de transfert radiatif s'écrivant alors comme un produit de l'éclairement par ciel clair par un terme d'extinction dû aux nuages. Nous avons établi que les erreurs liées à cette approximation sont très faibles dans les conditions usuelles et qu'elle peut donc être utilisée dans Heliosat-4, ce qui en facilitera l'implémentation informatique ainsi que son fonctionnement opérationnelle.La méthode Heliosat-4 est donc ainsi composé de deux modèles composés d'abaques : McClear pour l'éclairement par ciel clair et McCloud pour l'extinction cet éclairement due aux nuages. A l'aide de mesures in-situ d'éclairements direct et diffus de référence, nous avons analysé finement les performances de Heliosat-4 selon différentes conditions. La qualité de la première version pré-opérationnelle de Heliosat-4 est jugée satisfaisante car elle permet des estimations d'éclairement global avec une précision de l'ordre de celles des méthodes existantes mais des estimations des composantes directe et diffuse sensiblement de meilleure qualité. / Several methods have been developed to assess operationally the surface solar irradiance from satellite images. During his PhD thesis presented in 2009 at MINES ParisTech, Oumbe has designed a new method using numerical radiative transfer model and fast approximations. The present PhD thesis aimed at consolidating these results and validating Heliosat-4. This work is the international scientific collaboration framework of the European-funded projects MACC (Monitoring Atmosphere Composition and Climate) and MACC-II.As a foundation of Heliosat-4, Oumbe has proposed an approximation of the radiative transfer equation by a product of clear-sky irradiance and a term describing the cloud extinction. We have established that estimation errors due to this approximation are very small in usual conditions and that this approximation may be adopted. It allows a convenient modular development of Heliosat-4 and eases its future operational use.The Heliosat-4 method is then composed of two abacus-based models: McClear for the irradiance under clear-sky and McCloud for the irradiance extinction due to clouds. With in-situ reference measurements of direct and diffuse irradiance, we have carried out deep performance analysis of Heliosat-4, under different conditions. The quality of this first preoperational version of Heliosat-4 is judged satisfactory as it enables estimations of global irradiance with the same level of quality of other existing methods in literature but also estimations of direct and diffuse irradiances with a noticeable better quality.