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Rayonnement solaire

Capteur solaire

Au sein du réseau Pameseb, les capteurs utilisés sont des capteurs de type photovoltaïque. Des capteurs à détecteur quantique (cellules photovoltaïques au silicium) ont été développés pour mesurer le rayonnement solaire global incident. La réponse de ces capteurs dépend de la longueur d'onde du rayonnement dans une gamme (généralement 400-1100 nm) qui ne couvre pas complètement celle du rayonnement total (300 - 3000 nm).

Ces instruments sont étalonnés par comparaison avec un pyranomètre thermoélectrique pour un rayonnement solaire global moyen pour lequel les variations de composition spectrale peuvent être considérées comme faibles. Aussi ces capteurs ne doivent pas être utilisés pour les situations où la quantité de la lumière peut être différente de celle de l'étalonnage et notamment à l'intérieur d'un couvert végétal ou avec des sources artificielles.

Caractéristiques :

Pyranomètre : mesure l'énergie solaire totale (watts/m2)
Marque Skye
Spectre : 400 à 1100 nm
Sensibilité : 1mV par 100W/m2

Généralités

1. Rayonnement solaire extraterrestre

Le rayonnement est de l'énergie transportée par des ondes électromagnétiques. La surface du soleil qui nous envoie le rayonnement est appelée la photosphère et se trouve à une température de 5777 K. L'énorme quantité d'énergie émise par le soleil trouve sa source dans les réactions nucléaires qui y ont lieu. Le rayonnement émis par le soleil se rapproche fort de celui d'un corps noir à la température de 5777 K. Au sommet de l'atmosphère, le spectre solaire s'étend de 200 nm à 3000 nm. L'énergie reçue se répartit comme suit :

Répartition (%) Longueurs d'onde Lumière
9 inférieures à 400 nm Ultraviolet
43 comprises entre 400 nm et 700 nm Visible
48 comprises entre 700 nm et 3000 nm Infrarouge proche

L'intensité du rayonnement croit à partir des longueurs d'onde proches de 250 nm pour atteindre son maximum vers 500 nm et décroît plus ou moins régulièrement pour les longueurs d'onde plus grandes.

98.8 % de l'énergie du spectre est contenu dans la bande des longueurs d'onde inférieures à 2500 nm.

A la distance moyenne de la terre au soleil qui est de 150 106 Km, la puissance radiative reçue du soleil sur une surface perpendiculaire aux rayons et située hors de l'atmosphère terrestre est une constante et vaut 1353 W/m2. Cette quantité est connue sous le nom de constante solaire Cs.

2. Transformation du rayonnement solaire

Le flux de rayonnement solaire reçu sur une surface horizontale au sommet de l'atmosphère est lié à la constante solaire par la relation : Rs = Cs.cosZ où Z est la distance zénithale du soleil.

Traversant l'atmosphère, le rayonnement solaire subit des modifications quantitatives et qualitatives. Le spectre du rayonnement au niveau du sol n'est donc pas identique à celui du rayonnement extraterrestre. Abordant l'atmosphère, le rayonnement incident s'affaiblit suite à deux causes :

  • l'absorption partielle par les gaz atmosphériques, la vapeur d'eau et les aérosols; c'est le rayonnement solaire absorbé (Ra). L'ozone de la haute atmosphère absorbe complètement les rayons ultraviolet de longueur d'onde inférieure à 290 nm.
  • la diffusion moléculaire: les molécules d'air dont les dimensions sont bien supérieures aux longueurs d'onde diffusent le rayonnement dans toutes les directions; c'est le rayonnement solaire diffus (Rf). Une fraction de ce rayonnement diffus gagne la surface terrestre (Rfi), l'autre fraction gagne l'espace (Rfs). Les courtes longueurs d'onde (bleu) sont plus diffusées que les grandes longueurs d'onde, ce qui explique la couleur bleue du ciel.

Le rayonnement résultant au niveau du sol est appelé rayonnement solaire direct (Rd). Les radiations parvenant au niveau du sol constituent le rayonnement solaire global (Rg) dont les composantes sont le rayonnement direct (Rd) et diffus vers le sol (Rfi).

Transformation du rayonnement solaire dans l'atmosphère avec :

  • Cs : Constante solaire
  • Rs : Flux de rayonnement solaire reçu au sommet de l'atmosphère
  • Z : Distance zénithale du soleil (Z = 90° si soleil est à l'horizon)
  • Rd : Rayonnement solaire direct
  • Rfi : Rayonnement solaire diffus vers le sol
  • Rfs : Rayonnement solaire diffus vers l'espace
  • Ra : Rayonnement solaire absorbé
  • Rr : Rayonnement solaire réfléchi

Le nuage intervient en tant que milieu diffusant supplémentaire. Une partie du rayonnement diffusé est renvoyée vers l'espace, c'est la réflexion diffuse, le reste est transmis jusqu'au sol, c'est la transmission diffuse. Évidemment, en cas de couverture totale du ciel par des nuages, le rayonnement direct Rd est nul.

3. Albédo

La surface du sol renvoie vers l'espace une fraction du rayonnement solaire global (Rg) appelée albédo (a), qui dépend de sa nature et de son état. Le rayonnement réfléchi (Rr) est égal à a.R. Le flux absorbé par le sol est : (1-a) * R

4. Énergie radiative incidente

Sur une journée la quantité totale d'énergie radiative incidente (G) s'obtient par intégration de R depuis le lever jusqu'au coucher du soleil.

C'est au moyen de relations empiriques comme celle d'Angström que l'on exprime l'insolation totale reçue sur une journée

avec :

  • b et c, des constantes voisines de 0.2 et 0.65 respectivement et qui dépendent du lieu et n/N représente le rapport de l'insolation réelle (n : nombre réel d'heures d'ensoleillement) à l'insolation maximum possible (N : nombre maximum possible d'ensoleillement, s'il n'y a pas de nuages),
  • Gs, la quantité totale d'énergie radiative reçue sur une journée hors de l'atmosphère.

5. Rayonnement utile à la photosynthèse

Le couvert végétal n'absorbe pas tout le rayonnement solaire qu'il reçoit : une partie est réfléchie vers l'atmosphère et une autre est transmise au sol qui à son tour en renvoie une part vers la végétation. Toutes les radiations du spectre solaire ne peuvent être utilisées par les organes chlorophylliens. La conversion de l'énergie des photons incidents en énergie chimique par l'appareil photosynthétique d'une feuille n'est réalisée que pour les rayonnements ayant une longueur d'onde comprise entre 400-700 nm environ.

Cette gamme est communément admise pour définir le rayonnement utile à la photosynthèse, même si les spectres d'action peuvent présenter quelques divergences entre espèces (notamment entre plantes ligneuses et herbacées). Le sigle PAR (Photosynthetically Active Radiation) est actuellement le plus répandu pour désigner le rayonnement utile à la photosynthèse.

Le PAR peut être caractérisé par :

  • le flux d'énergie (W/m2), ou encore Photosynthetic irradiance (Pl), éclairement énergétique utile à la photosynthèse (EPAR)
  • le flux de photons (moles/m2s), ou encore Photosynthetic photon flux density (PPFD), nombre de photons incidents utiles à la photosynthèse reçus par unité de temps sur une unité de surface horizontale, ou encore éclairement quantique utile à la photosynthèse (QPAR).

La grande quantité de rayonnement absorbé par les feuilles se situe dans les longueurs d'onde inférieures à 700 nm. Cependant, les longueurs d'onde inférieures à 400 nm (ultraviolet) seraient dommageables pour les feuilles si elles n'étaient absorbées par l'eau présente dans les cellules. Dans la partie visible du spectre, le taux d'absorption est très élevé par la présence de chlorophylle, carotènes et xanthophylle. Aux alentours de 500 nm (vert), l'absorption est un peu moins forte due à la chlorophylle qui reflète la lumière verte.

Instruments de mesure

Les capteurs des appareils de mesure du rayonnement peuvent être classés comme :

  • capteurs thermiques : ils absorbent les radiations qu'ils reçoivent et les dégradent en énergie thermique qui sera convertie sous une forme qui permet sa mesure. On distingue :

- pyrhéliomètres : destinés à la mesure du rayonnement solaire direct sous une incidence normale;
- pyranomètres : mesurent le rayonnement d'origine solaire qui provient de tout un hémisphère;
- pyrgéomètres : mesurent les rayonnements de grande longueur d'onde descendant (rayonnement atmosphérique) ou ascendant (rayonnement terrestre);
- pyrradiomètres : mesurent l'ensemble des rayonnements de courte et de grande longueur d'onde arrivant sur un plan (ascendant ou descendant);

  • capteurs quantiques : ils utilisent les quanta d'énergie radiative qu'ils absorbent, pour libérer des électrons qui produisent un courant électrique. Au niveau des détecteurs, cet effet peut se traduire par l'apparition d'une tension (détecteur photovoltaïque) une variation du taux d'émission des électrons par une surface (détecteur photoémetteur) ou par le changement de conductivité du détecteur (détecteur photoconducteur).


La durée d'insolation est mesurée à l'aide d'héliographes classiques ou automatiques. L'insolation est associé à la luminosité du disque solaire par rapport au fond de lumière diffuse du ciel. Pour permettre la comparaison des données acquises dans différentes stations, l'O.M.M. a fixé depuis 1981, le seuil énergétique de l'insolation à 120 W/m2.


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