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Ce que vous devez savoir sur les pyranomètres !

par Alan Hinckley | Mis à jour le : 06/14/2017 | Commentaires : 2

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Si vous envisagez d'utiliser des pyranomètres dans votre application de mesure, il existe de nombreuses choses que vous devriez connaître. L'obtention de ces informations vous aidera à sélectionner le type de pyranomètre le plus adapté aux données dont vous avez besoin pour votre application.

Note : En raison de l'orientation de cet article, je ne parlerai pas de sujets tels que : comment mesurer le rayonnement solaire direct ou diffus ou discuter des différents types de rayonnement dans le détail.

Qu'est-ce que le rayonnement solaire global ?

Notre soleil produit un rayonnement sur des longueurs d'onde de 0,15 à 4,0 μm, ce qu'on appelle le spectre solaire. La mesure du rayonnement du soleil sur la terre est appelée rayonnement solaire global. Parfois appelé rayonnement à ondes courtes, le rayonnement solaire global est à la fois le rayonnement solaire direct et diffus reçu de l'hémisphère au-dessus du plan du pyranomètre.

Il est difficile de trouver un processus environnemental sur la terre qui n'est pas conduit directement ou indirectement par l'énergie solaire. Par conséquent, il est probable que le rayonnement solaire global affecte le processus que vous recherchez.

Pourquoi mesure-t-on le rayonnement solaire global ?

Les mesures du rayonnement solaire global sont utilisées dans plusieurs applications à des fins différentes :

  • L'énergie solaire pour déterminer à quel point les panneaux solaires sont efficace en transformant l'énergie solaire en électricité et lorsque les panneaux doivent être nettoyés. Les capteurs utilisés à cet effet mesurent habituellement le rayonnement dans le plan des panneaux solaires.
  • Les services publics pour prédire l'utilisation de l'énergie au gaz et à l'électricité.
  • La recherche en tant que paramètre unique pour prédire ou quantifier la croissance ou la production des plantes
  • L'agriculture, ainsi que l'entretien d'un golf et d'un parc, comme un paramètre pour prédire l'utilisation de l'eau pour les plantes et pour planifier l'irrigation
  • La météorologie comme facteur unique des modèles de prévision météorologique

Qu'est-ce qu'un pyranomètre, et qu'est-ce qu'il fait ?

Un pyranomètre est un capteur qui convertit le rayonnement solaire global qu'il reçoit en un signal électrique qui peut être mesuré. Les pyranomètres mesurent une partie du spectre solaire. À titre d'exemple, le Pyranomètre CMP21 mesure les longueurs d'onde de 0,285 à 2,8 μm. Un pyranomètre ne répond pas au rayonnement à ondes longues. Pour cela, un pyrgéomètre est utilisé pour mesurer le rayonnement à ondes longues (de 4 à 100 μm).

zenith angle

Les pyranomètres doivent également tenir compte de l'angle du rayonnement solaire, on nomme cela la réponse en cosinus. Par exemple, 1000 W/m2 reçus perpendiculairement au capteur (soit 0° par rapport au zénith) sont mesurés comme 1000 W/m2. Cependant, 1000 W/m2 reçus d'un angle de 60° par rapport au zénith est mesuré à 500 W/m2. Les pyranomètres qui ont des diffuseurs au lieu de dômes en verre nécessitent des diffuseurs précis pour fournir une réponse cosinusoïdale correcte.

Un pyranomètre avec un diffuseur

Un pyranomètre avec un diffuseur

un pyranomètre avec un dôme en verre

Un pyranomètre avec un dôme en verre

Quelle est la différence entre un pyranomètre, un rayonnement net et un pyrheliomètre ?

Il existe plusieurs types différents de capteurs de rayonnement solaire, y compris les pyranomètres, les rayonnements nets et les pyrheliomètres.

Un rayonnement net mesure les rayonnements entrants et sortants à ondes courtes à l'aide de deux pyranomètres à thermopile et mesure le rayonnement entrant et sortant à ondes longues à l'aide de deux pyrgéomètres. Ces quatre mesures font souvent partie du bilan d'énergie. Les évaluations du bilan d'énergie nous aident à comprendre si l'énergie solaire est stockée dans le sol ou perdue, reflétée, émise dans l'espace ou utilisée pour évaporer l'eau.

Un capteur de rayonnement net

Un capteur de rayonnement net

Un pyrheliomètre se compose d'un élément de détection de rayonnement enfermé dans un boîtier (tube de collimation) qui a une petite ouverture à travers laquelle seuls les rayons solaires directs entrent. Le rayonnement réfléchie d'un nuage ou d'une particule dans l'air ne passe pas par cette petite ouverture et via son tube de collimation au détecteur. Pour effectuer des mesures toute la journée, un pyrheliomètre doit être pointé directement vers le soleil à l'aide d'un dispositif de suivi solaire ou ''Tracker''.

A pyrheliometer

Un pyrheliomètre

Comment un pyranomètre mesure le rayonnement solaire global ?

Les types de pyranomètres les plus couraments utilisés pour mesurer le rayonnement solaire global sont les thermopiles et les photocellules au silicium (Tanner, B. “Automated weather stations,'' 73-98). Ces types de pyranomètres sont présentés ci-dessous, ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients.

Astuce : Vous devrez connecter le pyranomètre à un multimètre numérique ou à une centrale de mesure programmée pour mesurer une tension de courant continu mV.

  • Si vous utilisez un multimètre numérique, vous devrez convertir la lecture mV en W/m2 vous-même.
  • Si vous utilisez une centrale de mesure, vous devez configurer l'enregistreur de données pour effectuer la conversion.

Il existe également des pyranomètres sur le marché où le rayonnement à ondes courtes (W/m2) est renvoyé en format numérique. Cela nécessitera un ordinateur ou une centrale de mesure capable de lire la chaîne de caractères en série (avec le câble de données d'interface approprié et le logiciel de communication).

Pyranomètre à thermopile

Les pyranomètres à thermopile utilisent une série de jonctions thermoélectriques (jonctions multiples de deux métaux différents - principe du thermocouple) pour fournir un signal de plusieurs µV/W/m2 proportionnel à la différence de température entre une surface absorbante noire et une référence. La référence peut être soit une surface réfléchissante blanche, soit la partie interne de la base du capteur. La surface noire du pyranomètre à thermopile absorbe uniformément le rayonnement solaire à travers le spectre solaire.

Le spectre solaire est la gamme des longueurs d'onde de la lumière du soleil. Les étoiles bleues, blanches, jaunes et rouges ont chacune des températures différentes et donc différents spectres solaires.

Notre soleil jaune produit des rayonnements dans des longueurs d'onde de 0,15 à 4,0 μm. Le pyranomètre à thermopile capture avec précision le rayonnement solaire global du soleil, car sa surface absorbante noire spéciale répond uniformément à la plupart de l'énergie du spectre solaire. L'élément de détection est habituellement enfermé à l'intérieur d'un ou deux dômes en verre spéciale, qui passent uniformément le rayonnement à l'élément de détection.

Les avantages des pyranomètres de type thermopiles sont liés à leur large utilisation et à leur précision. La surface noire d'un pyranomètre à thermopile absorbe uniformément le rayonnement solaire dans le spectre solaire à ondes courtes de 0,285 à 2,800 μm (par exemple avec le pyranomètre CMP6). La réponse spectrale uniforme permet aux pyranomètres à thermopile de mesurer les points suivants : rayonnement solaire réfléchi, le rayonnement sous les auvents ou dans les serres et l'albédo (réfléchie : incident) lorsque deux pyranomètres sont déployés en couple orienté vers le haut et vers le bas.

Bien que les pyranomètres à thermopile puissent être le type le plus précis des capteurs de rayonnement solaire à ondes courtes, ils sont typiquement nettement plus chers que les pyranomètres photocellulaires en silicium.

Les pyranomètres photocellulaires en silicium

Les pyranomètres photocellulaires au silicium produisent un courant de sortie μA similaire à un panneau solaire qui convertit l'énergie solaire en électricité. Lorsque le courant traverse une résistance de dérivation (par exemple, 100 ohm), il est converti en un signal de tension avec une sensibilité de plusieurs µV/W/m2. Un diffuseur en plastique est utilisé pour fournir une réponse cosinus uniforme à différents angles du soleil.

La réponse spectrale des pyranomètres photocellulaires au silicium est limitée seulement sur une partie du spectre solaire de 0,4 à 1,1 μm. Bien que ces pyranomètres ne mesure qu'une partie du rayonnement à ondes courtes, ils sont étalonnés pour fournir une sortie similaire aux capteurs à thermopile sous un ciel clair et ensoleillé. Les pyranomètres de photocellulaires au silicium sont souvent utilisés dans toutes les conditions du ciel, mais les erreurs de mesure sont plus élevées lorsque des nuages sont présents. L'uniformité du spectre de la lumière du jour dans la plupart des conditions du ciel limite les erreurs généralement inférieures à ± 3%, avec des erreurs maximales de ± 10%. L'erreur est habituellement positive dans des conditions nuageuses.

Les pyranomètres photocellulaires au silicium sont généralement beaucoup moins chers que les pyranomètres à thermopile. Pour les chercheurs en environnement, la précision des pyranomètres photocellulaires en silicium est souvent suffisante pour leurs besoins.

L'inconvénient des pyranomètres photocellulaires au silicium est que leur réponse spectrale est limitée à une plus petite partie du spectre solaire de 0,4 à 1,1 μm. Ces pyranomètres fonctionnent de leur mieux lorsqu'ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement solaire global sous les mêmes conditions de ciel clair utilisées pour les étalonner. Ils ne doivent pas être utilisés sous la végétation ou les serres, ni pour mesurer le rayonnement réfléchi.

Une comparaison entre pyranomètres

Le graphique suivant montre une comparaison entre la sortie mesurée d'un pyranomètre photocellulaires au silicium peu coûteux et d'un capteur de référence à thermopile de type corps noir standard secondaire pendant des jours ensoleillé et couvert :

Cliquez sur le graphique pour avoir une image plus grande.

Étant donné que le capteur photocellulaires au silicium est étalonné dans des conditions ensoleillées et claires, il correspond étroitement au capteur haut de gamme dans ces conditions. Cependant, comme le capteur photocellulaires au silicium ne fait que sous-échantillonner un rayonnement solaire à ondes courtes (0,4 à 1,1 μm), des erreurs sont introduites lorsque les conditions du ciel changent. Ce capteur particulier a signalé une différence positive de 8% par rapport à la référence lors d'un jour couvert.

Quelles sont les différentes classes de pyranomètres ?

L'OMM (Organisation météorologique mondiale) a établi la référence radiométrique mondiale (World Radiometric Reference  - WRR) comme une "norme standard". "Le WRR est accepté comme représentant les unités physiques de l'irradiance totale dans 0,3% (99% d'incertitude de la valeur mesurée). "Tous les étalonnages de pyranomètre découle du WRR.

Tous les pyranomètres ne sont pas de même qualité. Trois catégories de pyranomètres ont été établies par l'OMM (Organisation météorologique mondiale) et l'Organisation internationale de normalisation (ISO) pour différentes applications. Le tableau suivant présente les catégories de pyranomètres de l'OMM (Jarraud, M. "Guide des instruments météorologiques et méthodes d'observation" - ''Guide to meteorological instruments and methods of observation'', 233). Les catégories ISO nommées "norme secondaire", "première classe" et "deuxième classe" correspondent respectivement aux catégories de l'OMM nommées "Haute qualité", "Bonne qualité" et "Qualité modérée".

Table 7.4 of ISO 9060 specifications

Cliquez sur le graphique pour avoir une image plus grande.

Il existe quelques différences dans les spécifications de l'OMM et de l'ISO. Par exemple, la norme ISO pour l'énergie solaire (ISO 9060) spécifie une plage spectrale de 0,35 à 1,5 μm, alors que la gamme spectrale de la norme OMM est de 0,30 à 3,0 μm. En outre, la norme secondaire ISO spécifie une sensibilité spectrale de 3%, alors que la haute qualité de l'OMM spécifie une sensibilité spectrale de 2%. Dans l'image du tableau ci-dessus, l'OMM spécifie "Résolution" et "Incidence réalisable", qui ne sont pas mentionnés dans la norme ISO.

Conclusion

J'espère que cet article, vous a aidé à vous familiariser avec les pyranomètres et ce qu'ils font. J'espère également que vous avez une meilleure compréhension du type de pyranomètre qui convient le mieux pour les besoins de votre application. Si vous avez des questions ou des commentaires sur les pyranomètres, veuillez les publier ci-dessous.

Bibliographie : Les références utilisées pour rédiger cet article sont les suivantes :

  • Jarraud, M. “Guide to meteorological instruments and methods of observation (WMO-No. 8).” World Meteorological Organisation: Geneva, Switzerland (2014): 233.
  • ISO 9060:1990 Solar energy — Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
  • Tanner, Bertrand D. “Automated weather stations.” Remote Sensing Reviews 5, no. 1 (1990): 73-98. 

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A propos de l'auteur

alan hinckley Alan Hinckley est ingénieur commercial senior au sein du groupe Environnement chez Campbell Scientific, Inc. Il possède une maîtrise en biologie de l'Université d'Utah et un baccalauréat en chimie de l'état de l'université du Nouveau Mexique.

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Commentaires

GAG | 06/20/2017 at 03:34 AM

Hi, Alan

In this article, you write " Pyranometers that have diffusors instead of glass domes require precise diffusors to provide the correct cosine response.", I did not fully understand your meaning. In Apogee Instruments website, they explain it like this:

Directional, or cosine, response is defined as the measurement error at a specific angle of
radiation incidence. Error for Apogee siliconcell pyranometers is approximately ± 2 % and
± 5 % at solar zenith angles of 45° and 75°, respectively.

So Apogee have done the correction using the shape of the diffusor, but silicon photocell pyranometers still have a small error. We users don't have to do a math consine caculation, which is not see in CS300 manual. Am I right?

PS: Your article is very useful!

Thanks.

AlanHinckley | 06/26/2017 at 02:20 PM

Thank you for your comment.

Your final statement is correct. You do not have to, and should not, mathematically apply a cosine correction to pyranometer data. The sensors have already done it for you.

First, it is important to separate directional response, cosine response or cosine correction--all different names for the correction needed due to the angle of the radiation--from errors in that correction. Cosine correction is done by the manufacturer of the pyranometer so the pyranometer follows Lambert’s cosine law which states that radiant intensity is directly proportional to the cosine of the zenith angle. The directional response error or cosine correction error indicates how far off from a true cosine correction the sensor is. 

A common directional response specification for pyranometers is a deviation of less than 10 W/m2 from a direct beam of 1000 W/m2 up to a zenith angle of 80°. The cosine of 80° is 0.174, so irradiance from a 1000 W/m2 direct beam is 174 W/m2 at 80°. Thus, a pyranometer with this specification should measure within the range 164 to 184 W/m2 at a zenith angle of 80°. This specification can be interpreted in terms of relative error by dividing 10 W/m2 by 174 W/m2. Thus, an absolute error of 10 W/m2 at an 80° zenith angle is a relative error of 5.7%. If the directional error specification is 20 W/m2 up to 80°, then relative error at 80° is double that for 10 W/m2 (11.4 %). For a directional error specification of 5 W/m2, relative error is half that at 80° (2.9 %).

Second, hoping to be interesting without going too deep, I would like to expand a bit more on similarities and differences between thermopile pyranometers and silicon-cell pyranometers and their effect on the cosine correction error. 

Thermopile pyranometer cosine correction is impacted by the spatial uniformity of the domes and blackbody absorber and the alignment of the domes and the absorber. Similarly, silicon-cell pyranometer diffusors must be uniform and properly aligned with the silicon absorber. All pyranometer-leveling devices must be on the same plane as the absorber and the sensor must be exactly level.

The cosine response of silicon-cell pyranometers is different from thermopile pyranometers in that it also includes a spectral component due to the unique spectral response of silicon photocells mentioned in the article. For silicon-cell pyranometers, the cosine response in the field is a combination of the angular cosine response as measured in the laboratory and the spectral response of the sensor. At high solar zenith angles the angular response error is negative but the spectral response error is larger and positive. Consequently, silicon-cell pyranometers diffusors are shaped to increase the negative angular error to offset the positive spectral response error. Doing this, they can keep the total cosine response error under 5% at angles less than 75°.

The essential point is that both glass domed thermopile pyranometers and silicon-cell pyranometers with diffusors output cosine corrected solar radiation measurements. It is just a bit more work for the manufacturer of the silicon-cell pyranometers due to silicon’s unique spectral response characteristics.

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