Solarimètre ou capteur d’ensoleillement

Pour ajouter encore une fonctionnalité à la station, et continuer en DIY, j’ai cherché un moyen fiable de mesurer l’ensoleillement. Et à force de recherches et d’échanges sur le web, je pense avoir trouver une bonne méthode.

Info : cet article est susceptible d’évoluer dans le temps, je ne manquerais pas de rajouter ou préciser mes analyses au fur et à mesure du temps.

Définition de l’ensoleillement

Selon Météo France, « on convient qu’il y a insolation si l’éclairement ainsi reçu est au moins égal à 120 watts par mètre carré » (en mesure du rayonnement direct du soleil). Seulement, on peut considérer que ce seuil défini par MF ne reflète pas complètement la réalité. Un ciel perturbé en plein été, où le soleil serait caché par des nuages donnerait quand même au sol une valeur bien supérieure à 120W/m2 (puissance diffuse). Aussi, un matin froid d’hiver, ensoleillé, mais où la puissance serait inférieure à 120W/m2 pourrait il être considéré comme sans soleil ?

Michel développe cette théorie sur son site (http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/1_generalites.htm) et propose de considérer que le soleil est là si les ombres au sol sont nettes. Et je trouve que la définition est assez juste. On ne se basera non pas sur une valeur arbitraire en W/m2 mais par une vraie analyse qui reflète la réalité.

Les 4 pages de Michel sur la fabrication et l’exploitation de sa sonde via le logiciel wswin32 :

• http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/1_generalites.htm
• http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/2_capteur_d_ensoleillement.htm
• http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/3_parametrage_wswin32.htm
• http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/4_resultats_obtenus.htm

Principe de mesure

Pour mesurer ces valeurs, la méthode employée ici est faite par comparaison de température. Je m’explique.

Si l’on prend une sonde de température que l’on enferme dans un bocal transparent étanche, exposée du matin au soir au soleil direct (sur un toit par exemple), on peut observer que lorsque le soleil « tape » directement sur le bocal, la température grimpe instantanément. A l’inverse, dès que le soleil se cache, la température baisse immédiatement. On peut donc conclure que la sensibilité de la sonde de température reflète directement l’ensoleillement.

Si ensuite je compare cette température à une température sous abri au sol, on peut donc en déduire un écart. Et c’est cet écart qui, en fonction d’autres paramètres, servira de référence au calcul d’ensoleillement.

Pour faire mon bricolage, j’ai utilisé une sonde de température DS18B20 étanche (dans un capuchon métal), que j’ai recouverte d’une gaine thermo noire (pour bien prendre le soleil). L’ensemble est monté sur un cylindre de polystyrène extrudé, lui même emmanché sur un connecteur de piscine en plastique dur. La « cloche » de verre est une verrine. J’ai chauffé le plastique dur du connecteur de piscine pour rentrer la verrine et ainsi obtenir un montage étanche. La sonde est reliée à un arduino qui capture les mesures toutes les minutes puis communique via un webservice pour enregistrement dans une base de données.

Recherche pas à pas

Après quelques jours de captage de données, j’ai commencé à grapher les valeurs pour comprendre. Je suis parti d’un graph où j’affichais la hauteur du soleil (en fonction du lieu, date et heure) et les écarts de température (minute par minute).

J’ai remarqué que ce jour là, il a fait soleil dans la zone entourée en bleu. On comprend assez vite qu’un seuil (d’écart de température) existe dès lors que le soleil intervient. Pour moi, il se situe autour de 16°C (Tsonde – Tabri).

Mais ceci est valable pour le milieu de la journée où le soleil est au plus haut. Mais lorsque le soleil monte, et ou descend, le seuil n’est plus valable. Il faut trouver une autre corrélation pour dire si oui ou non c’est ensoleillé. On voit bien ci dessous que la zone violette est à considérer car elle était ensoleillée.

J’ai sollicité de l’aide et Jacques, webmaster du site Meteo Sciez a gentillement accepté de m’aider dans mes recherches.

Il faut mesurer un jour d’hiver et de grand beau temps. Dès que le soleil apparait, une courbe monte très vite et un plateau se forme assez rapidement et l’écart se stabilise autour d’une valeur maxi. Le plateau nous donnera des indications d’heure mini et maxi qui nous intéresserons plus loin.

Jacque me dit alors qu’une formule, longuement débattue sur le forum Rieux, permet d’obtenir une courbe qui permet d’être une sorte de référence.

seuil = sin(elevation_soleil) x facteur où elevation_soleil est en radian et le facteur à déterminer, entre 15 et 30.

J’ai donc ajouté à mon graph 4 courbes avec des facteur de 15, 20, 25 et 30 pour voir. Ensuite, la méthode est empirique. J’ai regardé dehors et dès qu’un rayon de soleil sortait en début ou fin de journée, je notais précisément l’heure et comparait ensuite sur le graph pour voir au dessus de quelle courbe je me situais. Par échantillonnage, la courbe qui se rapproche le plus est le facteur x15.

Une fois la courbe déterminée et son facteur, ainsi que le seuil déterminé, il faut prendre en compte la durée du « plateau » de milieu de journée (que l’on aura mesuré donc l’hiver avec les heures mini et maxi). Il faut partir de l’heure du zénith au milieu de la journée et ajuster une durée avant et après pendant laquelle le plateau est acceptable. Pour l’instant, je suis parti sur +/-3h soit une période de 6h de plateau. Je ferais des mesures précises l’hiver prochain.

La suite, c’est simple. On créé une courbe de référence incluant le plateau et la formule, ce qui nous donne :

Tout ce qui est au dessus de la courbe de référence est soleil, ce qui est en dessous non.

Pour le 29/04/2020 en exemple depuis le début, cela nous donne en statistiques du jour une durée d’ensoleillement de 6h47.

Voici quelques exemples de ces derniers jours.

Journée pluvieuse

Début de journée pluvieux puis grosses éclaircies de fin de journées.

Conclusion et reste à faire

Les premières mesures sont très réalistes, et même si je n’ai pas de capteur UV pour mesurer des W/m2, la méthode empirique fait ses preuves et permet de mesurer quelque chose de cohérent ! Il reste bien sur des choses à affiner :

• la durée du plateau sera à affiner dans le temps, et peut être même selon les saisons,
• le coefficient x15 sera peut être à ajuster encore pour être plus précis (14,5 ou 15,5 par exemple. Des relevés manuels devront être faits pour comparer,
• mon exposition ne me permet pas de voir 100% du soleil dans la journée, le matin et le soir étant légèrement tronqués sur la ligne d’horizon. Il faudra donc déduire ces valeurs du graph et trouver à partir de quel hauteur de soleil ma sonde capte le soleil.

La suite arrivera bientôt, avec les codes sources arduino et PHP pour ceux que ca interesse.

Edit du 23/11/2020

J’ai modifié le seuil du plateau pour l’hiver, je me rend compte qu’il y a 2°C de moins en plein soleil environ. Le seuil est donc fixé à 14°C en heure d’hiver, et 16°C en heure d’été (le changement à l’heure d’hiver est arbitraire mais correspond assez bien à la baisse de chaleur).