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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Dosimètre de rayonnement solaire. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Lors de la création de structures utilisant l'énergie solaire, il est nécessaire de connaître la quantité totale de lumière solaire disponible pour la conversion photovoltaïque. Bien que l'énergie du rayonnement solaire à certains moments du temps puisse être importante, il est rarement possible d'établir à partir de ces valeurs instantanées la nature du rayonnement solaire au cours de la journée. Pour ce faire, il est nécessaire de faire la moyenne de la valeur de l'énergie solaire sur une longue période de temps.
La quantité de rayonnement solaire potentiellement utile tombant sur la surface éclairée est déterminée par un concept appelé insolation. L'insolation solaire varie considérablement d'un point à l'autre de la surface de la terre. Les déserts du Nouveau-Mexique reçoivent beaucoup plus de soleil que Chicago ou San Francisco. Lors de la détermination de la valeur d'insolation d'une zone, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Durée d'exposition solaire (en heures) Pour prendre en compte tous les facteurs qui influent sur l'évolution de l'utilisation de l'énergie solaire, il est nécessaire d'introduire une unité de mesure complètement différente de celles que nous avons utilisées jusqu'à présent. Le plus efficace est la durée d'exposition solaire, c'est-à-dire le temps d'utilisation utile de l'énergie solaire (en heures). L'expression "utilisation bénéfique" sera souvent mentionnée à l'avenir. Mesurer la durée d'exposition solaire est assez simple. En gros, il suffit de compter le nombre d'heures par jour pendant lesquelles le soleil brille, c'est-à-dire le nombre d'heures utiles d'utilisation. Plusieurs facteurs influenceront notre mesure. Influence de la saison Sans aucun doute, le facteur le plus important est l'angle d'incidence de la lumière solaire sur la surface de la Terre. Lorsque la Terre tourne autour du Soleil, son axe n'est pas perpendiculaire à la direction du Soleil, mais est incliné par rapport à lui d'un angle d'environ 23. En fait, les axes de rotation de 5 des 9 planètes du Système solaire sont légèrement incliné. Par conséquent, les rayons du soleil ne tombent pas exactement perpendiculairement à l'équateur sur la Terre. Au lieu de cela, le point de pendage perpendiculaire se déplace au nord puis au sud de l'équateur au cours de l'année. Cet effet se reflète dans le changement des saisons.
Lorsque le pôle Nord est incliné par rapport au Soleil, comme le montre la Fig. 1, le Soleil éclaire des régions du globe en rotation bien au sud de l'équateur ; pour ceux qui vivent dans l'hémisphère nord, le soleil traverse le ciel bas sur l'horizon.
En conséquence, les jours raccourcissent. Plus les jours sont courts, moins l'énergie vient du soleil et l'hiver s'installe. Au fur et à mesure que la Terre tourne autour du Soleil, le pôle Nord se tourne progressivement vers le Soleil. Au printemps, la disposition mutuelle de la Terre et du Soleil est telle que l'énergie solaire tombe directement sur l'équateur. Pendant ce temps, la Terre continue son mouvement autour du Soleil. Lorsqu'il passe la moitié de l'orbite, le pôle Nord se tourne vers le Soleil (Fig. 2). Cela permet au rayonnement solaire de concentrer son énergie au nord de l'équateur. Les jours s'allongent et la Terre est capable d'absorber et de stocker davantage d'énergie solaire entrante. Pour nous, l'augmentation de l'ensoleillement ressemble au début de l'été. La différence entre la longueur des jours d'été et d'hiver pour la plupart des États-Unis d'Amérique continentaux est de 6 heures (Fig. 3).
La terre continue son voyage, parcourt un cycle complet et revient au point de départ. Puis les cycles saisonniers et solaires recommencent. Bien sûr, pour ceux qui vivent dans l'hémisphère sud, les saisons seront exactement à l'opposé des nôtres. Quand nous avons froid en hiver, ils se prélassent au soleil pendant les longues journées d'été. Conditions météorologiques locales Le changement de la hauteur du lever du soleil au-dessus de l'horizon au cours de l'année peut être prédit avec précision et facilement expliqué. D'autre part, les conditions météorologiques locales ont également un effet marqué sur l'ensoleillement, mais sont plus difficiles à prévoir. Les nuages influencent le plus la météo. Même s'ils ne couvrent pas complètement le soleil, ils peuvent considérablement affaiblir le passage de la lumière du soleil. Selon le type de nébulosité, l'intensité du rayonnement solaire peut diminuer de 20 à 50 %. Un problème particulier est la variété des formes et des tailles des nuages. Les cirrus légers ne réduisent que légèrement la quantité de lumière solaire atteignant la surface de la Terre. Par conséquent, ils peuvent être négligés dans une certaine mesure. En revanche, les cumulus denses laissent entrer très peu de lumière. S'il y a des ruptures dans la couverture nuageuse, le soleil apparaîtra et disparaîtra à nouveau. Par conséquent, il est nécessaire d'estimer la quantité de lumière solaire pénétrant à travers la couverture nuageuse. Est-ce suffisant pour la conversion photoélectrique ? Ou la lumière est-elle trop faible ? Afin de bien prendre en compte tout cela, il est nécessaire de déterminer le niveau limite inférieur de lumière qui est encore approprié pour la conversion photoélectrique. Le calcul est effectué si l'intensité lumineuse dépasse ce niveau. Sinon, le calcul est terminé. Le brouillard, la pluie ou la brume apportent également leurs corrections. En fait, la météo est une variable environnementale unique en son genre. Des zones distantes de seulement 50 km peuvent avoir des conditions d'ensoleillement complètement différentes. La nature de la zone éclairée par le soleil En conclusion, il faut tenir compte du terrain. Supposons qu'il y ait une grande colline bloquant le soleil jusqu'à 10 heures du matin. Ainsi, même si le soleil se lève à 7 heures du matin, nous ne pourrons pas utiliser son énergie jusqu'à ce qu'il apparaisse au sommet de la colline. Essentiellement 3 heures sont perdues, potentiellement utilisables. Le soleil couchant nous pose un autre problème, puisqu'il est probable que la cime des arbres bloquera ses rayons à 4 heures. Bien que cela n'interfère pas avec le repos du soir sur la véranda fraîche, cela réduira certainement la quantité d'énergie solaire utilisée. Et tandis que le coucher du soleil peut être incroyable, les rayons du soleil couchant sont loin d'être aussi énergiques que nous le souhaiterions. La combinaison de plusieurs facteurs rétrécit les limites de la productivité la plus élevée du rayonnement solaire dans l'intervalle d'environ 10 h à 4 h. Dans ce cas, il est nécessaire de prendre en compte la variation de l'angle d'incidence des rayons solaires lorsque le soleil se déplace dans le ciel pendant la journée, si vous ne disposez pas d'un dispositif de suivi du mouvement du soleil. Les rayons du soleil tombant sur la surface éclairée sous un très petit angle deviennent impropres à l'utilisation. Tous les facteurs ci-dessus déterminent le temps utile total de l'énergie solaire. Compteur d'insolation À l'heure actuelle, il est assez simple de concevoir un compteur d'insolation solaire qui réponde aux exigences ci-dessus. Si nous voulons établir la durée réelle de l'intervalle de temps pendant lequel l'éclairement solaire est utile par rapport à nos convertisseurs photovoltaïques, il est naturel de choisir une cellule solaire au silicium comme capteur de rayonnement. Cette conception nécessitera une alimentation de faible puissance qui génère 1,5 V à 3 mA. Il peut être réalisé à partir de plusieurs petits éléments reliés en série de manière rappelant la pose d'un toit en tuiles (chapitre 1). Ensuite, la pile solaire doit être attachée à une montre mécanique à quartz, qui consomme très peu d'énergie. Lorsque la lumière du soleil frappe le convertisseur photovoltaïque, l'énergie électrique libérée mettra l'horloge en mouvement. En enregistrant la durée de fonctionnement de l'horloge par jour, vous obtiendrez l'exposition solaire par jour (en heures). Pour détecter la différence d'intensité du rayonnement solaire, une résistance est connectée à la batterie solaire, qui joue le rôle de charger les cellules solaires, en réduisant légèrement leur tension. Tant que l'intensité lumineuse ne dépasse pas un certain niveau, correspondant au niveau de travail utile de la batterie solaire, la tension développée par celle-ci ne suffit pas à alimenter l'horloge et ce temps n'est pas enregistré. Conception du compteur Le corps du compteur d'insolation solaire est entièrement en plastique acrylique, tel que le plexiglas. J'ai pris une feuille de plexiglas, qui est parfois utilisée pour créer des cadres de fenêtres doubles et qui est généralement disponible dans le commerce. De cette feuille, il faut couper deux morceaux de 10x12 cm, un morceau de 10x10 cm2 et un morceau de 14x14 cm2. Découpez ensuite un morceau de 14x14 cm2 en diagonale en deux triangles. Ensuite, au centre de la plaque de 10x10 cm2, percez un trou de 9 mm de diamètre. Lors du perçage d'un trou dans un matériau thermoplastique tel que l'acrylique, la chaleur doit être évitée, sinon le plastique fondra. Utilisez la même précaution lorsque vous coupez du plastique. Les meilleurs résultats peuvent être obtenus avec des vitesses de perçage et de coupe faibles, mais avec une pression suffisante. Vous pouvez maintenant commencer à assembler. Tout d'abord, il faut fixer l'horloge à quartz avec des écrous dans un trou de 9 mm de diamètre sur une plaque de 10x10 cm2. Si vous le souhaitez, vous pouvez équiper la minuterie d'un cadran d'horloge murale (il est pressé avec des écrous de connexion). Pour mon modèle, j'ai simplement percé 12 trous en cercle dans la plaque pour indiquer la position des flèches. Maintenant, les pièces sont collées ensemble comme indiqué sur la Fig. 4. Bien que l'adhésif acrylique soit préféré, d'autres types d'adhésifs peuvent être utilisés. Je recommande de coller d'abord les plaques rectangulaires sur une seule plaque triangulaire, puis de fixer ensuite la deuxième plaque triangulaire. Cela vous permettra de combiner plus précisément les pièces et d'éviter de tacher la colle. Le panneau solaire est ensuite fixé à une feuille de plastique derrière l'horloge. Une batterie solaire légère est facilement fixée au plastique pour les conducteurs porteurs de courant fixés aux contacts de l'élément, à l'aide de gouttelettes de colle. Il est nécessaire d'éviter de mettre de la colle sur la surface des cellules solaires.
Il est à noter que les conducteurs ne sont pas isolés et ne sont marqués d'aucune façon. Connectez le conducteur provenant de la face avant (photosensible) de l'élément au contact négatif (-) de l'alimentation de l'horloge. L'autre conducteur venant de l'arrière est connecté à l'entrée d'alimentation positive (+). Enfin, une résistance de 220 ohms est soudée aux bornes du panneau solaire en tant que charge. La conception est maintenant prête pour les mesures. Mesure d'ensoleillement L'appareil peut être utilisé de deux manières. Vous pouvez au moins commencer par régler l'horloge sur une heure facile à retenir (je la règle généralement sur 12 heures) et pointer le capteur vers le sud. L'angle d'azimut du panneau solaire est de 45°, ce qui correspond approximativement à l'installation correcte pour la plupart des régions des États-Unis. Les mesures commencent tôt le matin, à l'aube. Désormais, jusqu'au coucher du soleil, l'appareil enregistrera le nombre d'heures pendant lesquelles le soleil fournit suffisamment d'énergie à utiliser. Cela prend automatiquement en compte l'influence des nuages qui passent et les périodes d'incidence des rayons à un angle aigu par rapport à la surface (à laquelle une très petite quantité d'énergie tombe sur la batterie). En fin de journée, vous pouvez lire directement le nombre d'heures utiles d'ensoleillement par jour. Si l'aiguille indique 5, alors il y avait 5 heures utiles. Réglez à nouveau l'horloge et c'est prêt pour le lendemain. En utilisant une autre méthode, vous pouvez obtenir la valeur cumulée de l'insolation. Les lectures sont simplement notées tous les jours sans changer l'horloge et le nombre total de tours de l'aiguille pendant la mesure est compté. Il en résulte des conditions d'insolation sur une longue période de temps. Vous pouvez déterminer la valeur moyenne de la durée d'exposition solaire (en heures) de plusieurs manières différentes : par semaine, par saison, par an. Tout dépend des données nécessaires. Auteur : Byers T.
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