Simulation du rayonnement solaire

Simulateurs solaires avec lampe à arc Xénon Oriel

Les simulateurs solaires Oriel de Newport offrent la correspondance spectrale la plus proche du spectre solaire que l’on puisse obtenir à partir d’une source artificielle. La correspondance n’est pas exacte, mais meilleure que ne l’exigent de nombreuses applications. Pour obtenir la meilleure correspondance possible, choisissez un simulateur solaire de classe A ; ces simulateurs assurent en effet une uniformité extrêmement rigoureuse, garantissent une stabilité de sortie et une correspondance spectrale identiques à celles nécessaires aux fabricants de cellules photovoltaïques pour tester leurs produits.
On peut voir sur la figure 2 les optiques des simulateurs Oriel. La lampe à arc Xénon qui se trouve au cœur de l’instrument émet un spectre identique à celui d’un corps noir de 5800 K présentant une structure linéaire occasionnelle. L’arc de luminance élevé, de petite dimension, permet une collimation efficace du faisceau. Le système présente une fonction de collection lumineuse à faible nombre d’ouverture, d’homogénéisation du faisceau optique, de filtrage et enfin, de collimation. Résultat : une sortie continue permettant l’obtention d’un spectre identique au spectre solaire dans un faisceau collimaté uniforme. La collimation du faisceau simule le faisceau terrestre direct et permet la caractérisation des phénomènes induits par le rayonnement.

La taille du faisceau détermine le niveau d’éclairement et non le spectre

Nos simulateurs sont disponibles avec des faisceaux de différentes dimensions. L'amplitude de la courbe spectrale (valeur du soleil, éclairement total exprimé en W/m^-2 ou éclairement spectral à toute longueur d’onde exprimé en W/m^-2 nm^-1), mais non sa forme, dépend de la dimension du faisceau. En d’autres termes, la forme de la courbe de tout simulateur solaire Oriel équipé de filtres de masse atmosphérique identiques présente les mêmes caractéristiques essentielles dans tous les cas.

Exemple

Le simulateur solaire Oriel 91291 kW équipé de filtres AM 0 présente un éclairement intégré typique de 3575 W/m^-2 la norme AM 0 ayant une valeur de « 1 soleil », soit 1367 W/m^-2. Le simulateur 91290 équipé du même filtre AM 0 possède un éclairement intégré typique de 13400 W/m^-2.

Contrôle de la sortie

Il est possible de réduire l'amplitude de la sortie du simulateur de 15% en utilisant les outils de contrôle de la source énergétique, et de plus de 80% en ajustant la position de la lampe et en utilisant les ouvertures optionnelles. L’utilisation des ouvertures améliore la collimation du faisceau de sortie.

Rôle des filtres

Le spectre de la lampe au Xénon diffère du spectre solaire en raison de la forte intensité de la sortie de raies dans la région 800-1100 nm. Nous utilisons notre filtre AM 0 pour réduire la non correspondance existant, mais aucun filtre raisonnablement abordable ne peut éliminer la structure en raies sans occasionner de modification considérable du reste du spectre. La pertinence de la non correspondance infrarouge résiduelle dépend de l’application. Nos filtres AM 1, AM 1,5 et AM 2 modifient également les parties visible et ultraviolet du spectre afin d’assurer une meilleure conformité aux spectres solaires standard. De nombreuses applications photobiologiques et photovoltaïques requièrent une simulation très proche de l’ultraviolet solaire. Pour les essais de cellules photovoltaïques, nous proposons des simulateurs solaires de classe A , qui utilisent un filtre breveté conçu de manière à minimiser la non correspondance.

Comparaison des spectres provenant des simulateurs avec les spectres solaires standard

Il peut être utile de considérer que les courbes spectrales solaire et simulée possèdent à la fois une forme et une amplitude. La valeur plus simple spécifiant l'amplitude est appelée éclairement total et correspond à l’intégrale de la courbe.

Pour les courbes standard AM 0, cette valeur est égale à la constante solaire, qui équivaut à 1367 W/m^-2, ou « 1 soleil ». Nous mesurons l’éclairement total de nos simulateurs en W/m^-2 en intégrant les données spectrales à l’aide d’un appareil de mesure large bande étalonné. Il est préférable pour certaines applications de comparer l’éclairement intégré sur une région spectrale limitée. Dans le domaine de la recherche sur le Silicium photovoltaïque, l’éclairement intégré de 200 à 1100 nm – cette fourchette constituant la plage sensible pour ces appareils – offre une meilleure base pour comparer l'amplitude de l’éclairement d’un simulateur à celui de la courbe standard correspondante.
Si vous connaissez la réponse spectrale de l’effet que vous souhaitez créer R_l, alors vous obtiendrez une meilleure mesure de la correspondance entre le simulateur et l’exposition solaire standard en comparant les taux d’exposition effectifs, valeurs obtenues en calculant le produit intégré des spectres solaire et simulé, avec la courbe de réponse.

Comportement temporel de la sortie de simulateur

Bien que le niveau d’éclairement et le spectre terrestres varient en fonction des cycles quotidiens et annuels ainsi que des conditions atmosphériques imprévisibles, le Soleil est une source relativement constante. Les boîtiers d’alimentation de nos simulateurs sont extrêmement bien régulés contre les variations en ligne ou en charge et possèdent un mécanisme de filtrage interne permettant de réduire les bruit et ondulations à court terme. Même dans ces conditions, la sortie de nos simulateurs chute graduellement et le spectre se modifie légèrement à mesure que la lampe s’use (cf. figure 3). Les modifications de la température locale peuvent également affecter la sortie du simulateur dans une faible proportion. Nous pouvons fournir les données de test initiales (sur demande spécifique), mais recommandons d’effectuer une mesure régulière de la sortie totale ou relative du simulateur afin de garantir la qualité du niveau d’éclairement à long terme.
Nous sélectionnons et datons nos filtres, qui sont installés à l’intérieur de l’appareil dans une zone d’intensité modérée du faisceau. Grâce à cette précaution ainsi qu’à d’autres mesures prises au cours de la conception, nous n’observons aucun phénomène significatif ni de chauffe du filtre après utilisation, ni de vieillissement du filtre.
Pour réaliser un travail quantitatif de précision, il est conseillé de stabiliser la sortie dans la région spectrale d’intérêt au moyen du Contrôleur d’intensité lumineuse proposé en option. Pour un suivi répétitif, comme celui requis dans une application d’assurance qualité, il peut être plus simple pour surveiller la performance et la stabilité du simulateur d’utiliser une cellule de test standard plutôt que de recourir à la spectroradiométrie. (Notez bien que les modifications survenant dans la réponse du radiomètre dans l’ultraviolet suite au changement du filtre ou du détecteur du radiomètre peut signifier que la sortie du simulateur est en cours de modification. L’éclairement ultraviolet de certains de nos simulateurs peut rapidement modifier le facteur de transmission du filtre resté inchangé et la réponse spectrale du détecteur d’UV.)

Simulation avec d’autres types de lampes

Les simulateurs solaires fonctionnant avec des lampes autres que les arcs au Xénon à haute pression produisent des spectres offrant une faible correspondance avec le spectre solaire (à l’exception du simulateur à arc au Carbone, peu pratique).

Simulation avec lampes au Tungstène

Les lampes au Tungstène les plus brillantes fonctionnent à des températures de couleur de 3200 K (le spectre solaire possède une température de brillance de 5600 à 6000 K selon la région spectrale). Les filtres permettent de modifier le spectre des lampes au Tungstène tout en conservant une correspondance raisonnable avec les parties du spectre solaire. Le faible niveau de sortie d’ondes courtes dans le visible et d’UV empêche l'obtention d'une correspondance efficace dans ces régions. Vous pouvez utiliser une lampe au Tungstène filtrée pour obtenir une bonne correspondance avec le spectre solaire infrarouge.
La figure 4 montre le spectre solaire typique et un spectre obtenu avec une lampe au Tungstène. Il est possible d’utiliser des filtres pour modifier le spectre et obtenir une correspondance correcte mais inefficace dans le visible.

Simulation avec lampes au Mercure

Il existe de nombreuses sortes de lampes au Mercure, des lampes à basse pression (germicides) aux lampes à arc court à haute pression. La forte fluctuation des spectres dans l’ultraviolet empêche d’obtenir une bonne correspondance spectrale. Vous pouvez utiliser ces lampes pour simuler les UV solaires pour toute application complètement insensible à la distribution spectrale de la source (c’est-à-dire ayant un spectre d’action plat) ainsi que pour les essais qui y sont associés. La plupart des spectres d’action UV étant loin d’être plats, et les résultats obtenus avec des simulateurs à lampe au Mercure peuvent être trompeurs.

Simulation avec lampes Métal Halide

Les lampes Métal Halide constituent des sources efficaces riches en sortie d’ultraviolet et visible. Tout comme dans le cas des lampes au Mercure, le spectre est dominé par de fortes fluctuations invalidant les données quantitatives pour la plupart des photo-effets activés par UV.

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