Long-Term Solar Irradiance Forecasting

Abstract

The past decade has been characterized by considerable increase of the penetration level of solar photovoltaic systems in energy systems throughout the world. At the same time, solar irradiance has an intermittent nature. Thus, the efficient management of existing and new solar photovoltaic sys-tems requires an accurate forecasting system of solar irradiance. The purpose of the paper is to develop and validate a long-term forecasting model for solar irradiance. This purpose is achieved by applying of clustering method and standard mathematical statistics. The modeling includes pre-processing of his-torical data used for forecasting and post-processing of the types of days resulted from the clustering analysis. Historical data include solar irradiance and sky coverage by clouds. Pre-processing supposes bi-normalization of the solar irradiance in time and amplitude, as well as clustering, and post-processing supposes denormalization to get the actual values. Error metrics and confusion matrix indices have been used to assess the accuracy of the proposed forecasting method. Four different model variants have been considered, which differ by pre-processing approach of initial data. The comparison of these model variants shows that for better accuracy it is required to use seasonality aspects of solar irradiance. The main result of paper is the created model, which can be used for the solar irradiance forecast with ac-ceptable accuracy for this type of forecasting and for generating of the types of days for different annual scenarios. The importance of paper results consists in the possibility of using of these scenarios for feasibility assessment of the solar photovoltaic system and identifying of the best solutions for their integration in the energy system.

Pe parcursul ultimului deceniu, în întreaga lume, s-a înregistrat o creștere considerabilă a numărului de sisteme solare fotoelectrice conectate la sistemul electroenergetic. În același timp, iradianța solară este caracterizată de un grad înalt de intermitență. Astfel, pentru un management eficient al sistemelor solare fotoelectrice existente și viitoare este necesară existența unui model de prognozare precisă a iradianței solare. Scopul lucrării constituie elaborarea și verificarea unui model pentru efectuarea prognozei iradianței solare pe termen lung. Scopul înaintat este realizat prin utilizarea metodei clusterelor și statistica matematică. Elaborarea modelului include etape de pregătire a datelor istorice necesare pentru realizarea prognozei și prelucrarea datelor, obținute în procesul de clusterizare și analiză. Datele istorice utilizate includ iradianța solară și nebulozitatea. Procesul de pregătire a datelor inițiale include procedeul de bi-normalizare și clusterizare a iradianței solare și al perioadei de strălucire a soarelui, iar prelucrarea rezultatului – procedeul de denormalizare pentru obținerea valorilor reale ale iradianței solare. Acuratețea modelului propus este verificată cu ajutorul indicatorilor de eroare și a matricei de confuzie. Sunt analizate patru variante ale modelului, care diferă prin abordarea pregătirii datelor inițiale pentru modelare. Compararea acestor variante de modele pentru prognoza iradianței solare au arătat că, pentru obținerea unei precizii mai mari este necesar să se țină cont particularitățile sezoniere ale iradianței solare. Cel mai semnificativ rezultat al lucrării constă în crearea modelului care poate fi utilizat pentru prognoza iradianței solare cu o precizie acceptabilă pentru acest tip de prognoză și generarea succesiunii tipului zilelor pentru diferite scenarii anuale. Valoarea rezultatului obținute în lucrare constă în posibilitatea utilizării scenariilor anuale generate pentru evaluarea fezabilității funcționării sistemelor solare fotoelectrice și identificarea celor mai bune soluții de integrare a acestora în sistemul energetic.

В последнее десятилетие значительно увеличилось число солнечных фотоэлектрических установок, подключённых к электроэнергетическим системам по всему миру. В то же время, солнечная иррадиация представляет собой непостоянную величину. Поэтому, для эффективного управления существующими и нововведёнными в эксплуатацию мощностями фотоэлектрических солнечных систем и эксплуатации электроэнергетических систем в нормальном режиме требуется точная модель для прогноза солнечной иррадиации. Главной целью данной работы является разработка и проверка модели для выполнения долгосрочного прогноза солнечной иррадиации. Предложенная цель в данной работе достигается с помощью метода кластеров и математической статистики. Разработка модели предусматривает этап подготовки исторических данных для прогнозирования и этап обработки и анализа результатов, полученных в процессе кластеризации. Использующиеся исторические данные включают солнечную иррадиацию и степень покрытия небесного свода облаками. Процесс подготовки исходных данных включает процесс би-нормализации и кластеризации солнечной иррадиации и периода солнечного свечения, а обработка результата – процесс денормализации. Точность предложенной модели проверяется с помощью стандартных индикаторов ошибок и матрицы путаницы. Для сравнения были проанализированы четыре варианта модели, которые отличаются подходом и подготовки исходных данных для моделирования. Сравнение этих вариантов моделей показало, что для получения более высокой точности необходимо учитывать сезонные особенности солнечной иррадиации. Главным результатом работы является полученная модель, которая может быть использована для прогнозирования солнечной иррадиации с приемлемой точностью для этого типа прогнозирования и получения последовательности типа дней для различных годовых сценариев. Ценность модели состоит в том, что эти сценарии могут быть использованы для оценки эффективности работы фотоэлектрических солнечных систем и нахождения наилучших решений для их интеграции в электроэнергетическую систему.