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Enregistrement W4383341964 · doi:10.5194/ems2023-417

Assessing the Potential and Limitations of Deep Learning for Solar Irradiance Nowcasting across Large Geographical Areas

2023· preprint· en· W4383341964 sur OpenAlexaff
Hadrien Verbois, Yves‐Marie Saint‐Drenan, Philippe Blanc

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typepreprint
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueSolar Radiation and Photovoltaics
Établissements canadiensImpact
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésNowcastingComputer scienceDeep learningSolar irradianceIrradianceArtificial intelligenceConsistency (knowledge bases)Optical flowMachine learningMeteorologyGeography

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

In energy systems with a high share of renewable energy supply (RES), accurate forecasting methods are very important for a secure and economical energy supply. For applications such as demand-supply balancing, short-term forecast (nowcasting) of spatial RES power generation is particularly important. In the literature, most models addressing this need use satellite-derived SSI estimations as input and optical flow or block-matching algorithms to predict their motion. Recently, new families of algorithms based on deep learning have appeared with great potential for improving the performance of nowcasting systems. It is thus of relevance to assess and understand the potential and limitations of deep learning approaches. Furthermore, when maps of solar irradiance are predicted, the metrics used to evaluate the forecasts are usually computed pixel-wise and thus ignore important spatial features, such as the consistency of spatial variability and spatial resolution. In this work, we investigate the potential of deep-learning algorithms for the forecasting of maps of 15-min solar surface irradiance (SSI) over short-term horizons, from nowcasts of SSI provided by CAMS radiation. We focus on a state-of-the-art deep learning model, designed for spatio-temporal processes: the convolutional long-term short-term network (ConvLSTM). We compare it to a “classic” forecasting model, based on an optical-flow algorithm (TVL1). We first perform a pixel-wise analysis of the models’ accuracy for forecasting horizons between 15 minutes and 3 hours. We then use Fourier spectral analysis to quantify the impact of each forecasting model on the spatial features of the SSI. Finally, we investigate the impact of the loss function used to train the convLSTM. Our results show that convLSTM and TVL1 have similar pixel-wise performances for short time horizons (15 and 30 minutes ahead), whereas, for larger horizons, convLSTM has a significantly lower RMSE and higher correlation. Fourier analysis, however, reveals that this improvement in pixel-wise accuracy comes with a degradation of the spatial features of SSI. TVL1 forecasts indeed have realistic spatial variability for all tested horizons, but convLSTM produces increasingly smooth predictions: for horizons beyond 2 hours, and despite its higher accuracy, convLSTM acts as a low-pass filter and fully ignores high spatial frequencies. This shows that the gains in accuracy are obtained at the expense of the fine spatial structure, which is a well-known phenomenon in forecasting. However, highlighting and quantifying this effect is important because smoothing can be problematic in some applications such as variability or ramp forecasting. Using hybrid loss functions penalizing the lack of variability in the forecasts indeed improves the spatial behavior of the deep-learning model without significantly reducing its pixel-wise performance. At large forecast horizons, however, such hybrid loss functions cannot prevent a substantial loss of spatial variability and convLSTM predictions remain overly smooth.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,905
Score d'incertitude au seuil0,925

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0010,000
Communication savante0,0010,000
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0000,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,076
Tête enseignante GPT0,333
Écart entre enseignants0,257 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2023
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