Brevet FR2461246A1 — publié le 19810130

La presente invention concerne les ensembles de mesure du rayonnement solai e que l'on nomme des pyranomètres intégrateurs. Ces appareils sont aptes à estimer la quantité d'énergie en éclairement naturel reçue par une surface donnée durant un temps donné et on peut en déduire une estimation de la puissance moyenne du rayonnement global incident, durant le temps donné. Les appareils connus utilisent tous une ou plusieurs cellules sensibles à la lumière. Cette cellule convertit lténergie lumineuse visible et invisible soit en chaleur mesurable par l'effet thermovoltaique, soit en variation de résistance électrique, soit en éléctricité par un phénomène photovoltaique. Jusqutà ces derniers temps seul l'effet d'absorption du corps noir suivi d'un ensemble de thermocouples ét ait utilisé pour les pyranomètres-intégrateurs-à- rayonnement global, étant donné que leurs cellules doivent respecter la loi du cosinus, ce que les systèmes photovoltaiques font assez mal. La loi du cosinus est relative à la corrélation entre la hauteur du rayonnement constant sur le plan sensible et la production électrique enregistrable en sortie de cellule. D'autre part, la distribution spectrale de la lumière qui s'étend de 0,28r à 2,5r de longueur d'onde avec une pointe autour de 0,5/4, varie suivant la composition du ciel, mais ceci sans trop affecter la réponse générale du corps noir. Dans les faits les pyranomètres à thermocouples et corps noirs présentent certaines incertitudes dues aux grandes longueurs d'onde qui sont génératrices de calories et aux calories parasites (absorption) autres que celles de lténergie à mesurer. De plus il y a souvent de la buée sous les coupoles ce qui gêne notoirement la sensibilité. Enfin la loi du cosinus et la linéarité sont médiocrement suivies lorsque les énergies radiantes sont faibles. L'énergie électrique produite est en général soit intégrée vers un traceur de courbe, soit transformée en impulsions comptabilisées par un intégrateurgénérateur. Ces dispositifs sont le plus souvent encombrants, coûteux, peu précis et peu maniables. L'invention concerne un pyranomètre-intEgrateur à affichage numérique simple et bon marché, qui est assez stable dans le temps vis-à-vis de la température et de l'humidité pour donner une précision et une lisibilité convenable. L'invention considérée est caractérisée par le fait qu'elle comporte en combinaison une cellule sensible orientable à photodiode silicium avec diffuseur spécial, un intégrateur couple à la cellule et une calculette-comptabiliseur reliée par cable, le tout facile à utiliser et peu encombrants. La cellule sensible selon l'invention est composée d'une photodiode au silicium montée dans un diffuseur-conteneur spécial qui assure un bon suivi de la loi du cosinus d'une part, et qui définit par un siège vissé sur un plan, quelle est l'orientation du plan sensible de cette cellule r,ziniature, d'autre part. Ce plan de base 5, parallèle au plan sensible peut recevoir un niveau à bulle 5bis qui permet d'assurer la mise à niveau horizontal du plan sensible. Cette photodiode 1 débite un courant proportionnel à l'intensité de l'eclairement, avec une excellente linéarité. Le diffuseur qui l'encadre et la coiffe se constitue de trois matériaux diffuseurs différents qui sont : a) un carré taillé en stratifié-fibre-de verre-spéeial-solaire 2 avec garantie de 7 ans au défibrage, b) de la colle transparente, c) un bloc conteneur 3 translucide taillé de manière spéciale, avec au centre un cylindre creux porteur du-fut de la cellule, surmonté d'un cône, et surmonté d'un carré central siège du matériau 2. Le diffuseur reçoit aussi une rondelle et un écrou 4, ainsi qu'un tube intérieur 6 pour guider la photodiode et la caler. L'intégrateur couplé à la cellule est un modèle électronique ultra-simple puisqu'il utilise un circuit intégré 7 très courant et un condensateur d'inté- gration 8 (dans sa version la plus ordinaire) La tension aux bornes du condensateur croît régulièrement suivant le courant de charge entre un niveau inférieur et un niveau supérieur. Quand le niveau est haut, le condensateur se décharge très vite à travers la photodiode dans le sens passant, et un signal d'impulsion carré (à flancs droits) est lancé vers le comptabiliseur, à travers un cible de liaison 9 à trois brins de qualité extérieur-souple non blindé. Il est connecté par fiche à verrouillage 11 ou connecteur à une calculatrice comptabiliseur 12. L'ensemble cellule-intégrateur est monté dans un boitier en plastique étanche 10. Le comptabiliseur 13 que l'on conserve dans les locaux ou sous-abri en général est constitué d'une calculatrice de poche modifiée en lui ajoutant un interrupteur 14 commandant une alimentation régulée 15 pour l'intégrateur- cellule sensible, ainsi qu'un dispositif d'interrupteur électronique 16 reproduisant l'effet similaire à appuyer sur les touches ( + , = , 1 ) qui seraient nécessaires à comptabiliser les unités. Dans le cas le plus simple cet interrupteur est constitué d'un simple transistor qui reçoit les impulsions sur sa base à travers une résistance ou une diode tandis que son émetteur et son collecteur sont reliés au circuit de la calculatrice, de manière à permettre l'addition des impulsions, sans nuire d'ailleurs aux fonctions de la machine qui sont conservées.La modification consiste aussi à installer un connecteur à trois brins (+régulé, masse, signal). Certains modèles sont munis de piles au cadmium nickel (ou autres batteries rechargeables), d'une pile solaire, faite d'éléments photovoltalques soudés en série avec une diode de sécurité, entre deux tranches de stratifié-fibre-de-verre-résine-spéeial solaire, et d'un connecteur alimentation slil n'y en a pas déjà un. Certaines calculatrices disposant d'une imprimante en sus de l'affichage à diode led ou à cristaux, il est possible en introduisant une base de temps de commander l'impression automatique de l'énergie d'éclairement ayant frappé le plan sensible,4ehaque intervalle de temps successif. Ceci facilite grandement le travail de relevé des donnéglocales en énergie d'éclairement. Le courant i qui passe dans le sens résistant de la photodiode est proportionnel à l'intensité de la lumière incidente I. Ce courant i eharze le condensateur C qui prend une charge q telle que on conçoit des lors que chaque impulsion représente le produit d'une intensité lumineuse I par un laps de temps, c'est-à-dire une énergie d'eclairement constante. La valeur de l'impulsion e s'exprime commodément, après étalonnage en Joules par mètre-carré. De la sorte si pendant le temps T mesuré à l'aide d'une montre (ou de la base de temps intégrée) on a comptacilise n impulsions, on peut écrire que l'Energie E reçue par le plan sensible est E = n.e , en Joules n e par m2, tandis que la puissance moyenne en éclairement est P moy = T en T Watt/m2 (avec le temps T en secondes). Pour passer des joules par mètre carré aux kilowatt.heures par mètre carré, il faut diviser la valeur de l'énergie E par 3,6 x 106. Ces operations se font très aisément avec la partie calculatrice de l'ensemble de ce pyranomètreintégrateur à affichage numérique. .PEvENDICATIONS 1. Pyranomètre intégrateur à affichage numérique pour la mesure énergétique du rayonnement solaire global earactérise en ce qu'il comporte en combinaison - une cellule sensible orientable à photodiode au silicium avec diffuseur spécial, - un intégrateur couplé à la cellule, lié par câble à - une calculette-comptabiliseur, faciles à utiliser et peu encombrants. 2. Pyranomètre selon la revendiation 1 caractérisé par le fait que la cellule sensible à photodiode au silicium afin de définir son orientation spatiale, de respecter la loi du cosinus et de se protéger du vieillissement, utilise un diffuseur conteneur formé de trois matériaux (l'un en stratifie fibre de verrerésine spécial solaire, de la colle transparente et un élément translucide porteur). 3. Pyranomètre selon la revendication 1 et 2 caractérisé par le fait que l'inté- grateur est un modèle très simplifié utilisant un circuit intégré CMOS très banal et un simple condensateur, remettant des impulsions carrées ne risquant pas ae parasitage dans le cable de liaison. 4. Pyranomètre selon les revendications 1,2,3 caractérisé en ce qu'il utilise une calculette (calculatrice de poche) à affichage numérique, modifiée afin de comptabiliser des impulsions, en lui ajoutant une aLimentation, une interface, un connecteur, et un interrupteur.