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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS CLIMATOLOGIQUES
troisième partie (3/3) : capteurs d'ensoleillement

l'ensoleillement
spectre solaire et généralités
capteurs optoélectroniques
cellules solaires
héliographes thermiques pyranomètres
solarimètre de référence
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l'ensoleillement
La mesure de l'ensoleillement est aussi une mesure complexe et ici encore l'objectif de la mesure va conditionner les principes des capteurs. Le rayonnement solaire varie en intensité et représente une plage de longueur d'onde très vaste allant des UV aux IR. La figure ci-dessous représente la densité énergétique du flux solaire à une latitude de 50° Nord mesurée à divers niveaux et périodes de l'année ce qui globalement représente au niveau du sol une valeur moyenne de l'ordre de 0.347 kW/m2.


fig. densité énergétique du flux solaire (d'après Brinksworth)

On va donc trouver deux familles de capteurs, ceux, optroniques, qui sont sensibles à une plage de longueur d'onde et mesureront une intensité de rayonnement et ceux, thermiques, qui vont mesurer l'énergie globale reçue par une surface unitaire. L'une des difficultés rencontrée tient au fait qu'une partie de l'énergie reçue se réfléchit, c'est l'albedo, et que, selon la configuration du capteur, cet albedo sera ou ne sera pas pris en compte. En présence de neige sur le sol, ce phénomène de réflexion est maximal et il est évidemment réduit sur une surface noire et mate.

capteurs optoélectroniques

Il s'agit de cellules photovoltaïques (dont le principe est étudié par ailleurs) le plus souvent sensiblement différentes de celles utilisées pour les applications de conversion de l'énergie solaire en électricité car, bien que basées sur le même principe, leur objectif est différent. Les cellules fournissant de l'électricité pour une utilisation de puissance privilégient le rendement sur la plage de rayonnement la plus intense, c'est à dire le visible et le très proche infra rouge, tandis que les cellules vouées à la métrologie ont comme objectif la linéarité de la réponse sur une plage étendue de fréquence. Cela implique donc, d'une part, des dopages différents et, d'autre part, des revêtements superficiels différents puisque les cellules de puissance devant absorber le maximum de rayonnement possèdent un revêtement anti reflet chargé de piéger le maximum de photons sur la surface (en particulier les UV), alors que les cellules métrologiques doivent avoir un revêtement de protection le plus neutre possible.


La figure ci-dessus montre d'une part la réponse en fréquence typique d'une photodiode utilisée et sa caractéristique I=f(W) parfaitement linéaire.

Le modèle typiquement utilisable pour cette application est la cellule BPW21 (Siemens) qui débite 34mA pour un rayonnement de 1kW/m2, représentée ci-dessous ainsi que le circuit associé pour l'exploiter en mode photovoltaïque et cependant récupérer un signal en tension.

capteurs héliographiques thermiques ou pyranomètres.

Ici l'objectif est inverse, il s'agit de piéger le maximum de rayonnement afin de le transformer en élévation de température d'une surface noire et mate, comportant un capteur de température intégré. Le solarimètre qui porte alors le nom de pyranomètre est présenté sur la figure suivante.


fig. pyranomètre

Sur cette figure on remarque une coupole hémisphérique en verre, destinée à piéger la lumière. Dans le plan horizontal, on va avoir la surface noire réceptrice et le capteur de température (couche mince); l'électronique associée est évidemment intégrée dans la partie inférieure. La partie blanche possède une géométrie optimisée pour tenir compte des phénomènes de réflexion afin qu'ils ne perturbent pas la mesure.
Brinksworth, direct use of solar energy, in Lenihan and Flecher, Energy ressources and the environment, Blackie éd., 1978.

B. Levaufre, étude et réalisation d'une station micro-climatologique automatique et autonome, Mémoire CNAM, Rouen, mars 1982.

M. Diop, Station climatologique pour applications agronomiques, Thèse de Doctorat, Rouen, 1993.

M. Hubin & al., système de mesures pour l'aide à la décision en matière agronomique, Conférence MCEA95, Grenoble, sept 1995, Vol3., pp 593-599.

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A. Asli, système ambulatoire de suivi de paramètres climatiques pour l'agronomie, Thèse de Doctorat, Rouen, octobre 1997.

J. Melounou, http://www.melounou.com/~memoire/ un site présentant un large panorama des techniques de mesure météo dans le cadre d'un mémoire de maitrise en géographie.