Le système de mesures spectrales est intégré à la station de Vaulx-en-Velin, membre de l’International Daylight Measurement Programme (IDMP). Ce programme a été initié par la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) en 1991 pour la production et le partage de données sur le rayonnement solaire (éclairements lumineux, éclairements énergétiques, luminances, radiances) dans différents plans (horizontal ou verticaux : nord, sud, etc.). C’est dans ce cadre que la station de Vaulx-en-Velin a été installée en 1992 sur le toit de l’Ecole
Nationale des Travaux Publics de l’Etat (ENTPE) et est entretenu par le Laboratoire de Génie Civil et Bâtiment (LGCB).
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1.5.1 Caractéristiques du site
La ville de Vaulx-en-Velin est située dans la partie Est de la métropole de Lyon regroupant 1,3 millions d'habitants (2013). Dans un rayon de 5 km autour de la station, l'environnement est constitué à 70% de logements urbains et à 30% de terrain agricoles et de parcs. L'autoroute de Genève A42 et le périphérique N383 à l’est de Lyon sont à 2 km.
Le climat est tempéré, avec une influence maritime (méditerranée). La température moyenne en janvier est de 3°C et en juillet de 21°C. La durée annuelle moyenne d'ensoleillement est de 2002 heures. Une station météorologique est située à 5 km, à Bron et une station de mesure de la qualité de l’air (AirRhoneAlpes) est installée à 200m de la station IDMP sur le campus de l’ENTPE.
Un important complexe industriel dénommé « couloir de la chimie », implanté le long du fleuve dans le sud de l'agglomération, constitue une menace de pollution. La qualité de l'air est surveillée toute l’année par l’association « AirRhoneAlpes » [Web Air Rhône-Alpes]. Le tableau suivant résume les épisodes de pollution en 2015.
Polluant Jours de dépassement seuil
Dioxyde d’azote NO2 34 dépassements (Est lyonnais)
200 µg/m3 sur une heure à ne pas dépasser plus de 18 fois par an
Particule PM10 Entre 30 et 39 jours 50 µg/m3 à ne pas dépasser plus de
35 jours par an
Ozone 30% des sites urbains
dépasse le seuil annuel
Seuil journalier de 120 µg/m3 sur 8 heures à ne pas dépasser plus de 25 jours par an
Table 1.5.1 : Bilan des épisodes de pollution pour les polluants majeurs (NO2, O3, PM10) pendant l'année 2015 (source [AirRhoneAlpes]).
Ces composés moléculaires (NO2 et O3) et particulaire (particules de moins de 10 𝜇𝑚 : PM10) interagissent avec le spectre électromagnétique visible via des diffusions et absorptions (cf. § 1.2.3 et § 3.4), pour cela, il est intéressant d’ajouter ces informations à notre étude.
1.5.2 Description
Depuis 1992, la station IDMP (Fig 1.5.1) mesure les éclairements lumineux diffus et global horizontaux du ciel, et les éclairements lumineux globaux dans quatre plans verticaux observant les quatre points cardinaux (en vert sur la figure). Les éclairements énergétiques direct normal, global horizontal et diffus horizontal (en bleu sur la figure) sont également enregistrés. Ses données subissent un contrôle de qualité via une inter-comparaison des signaux des instruments puis sont sauvegardées avec un pas temporel de 1 minute depuis le 1er septembre 1993 (5 minutes auparavant). Ces données sont accessibles directement sur le serveur IDMP de l’ENTPE [Web IDMP].
A partir de 2012, des mesures spectrales ont été progressivement ajoutées à la station (en orange sur la figure Fig 1.5.1). Nous avons choisi de mesurer les éclairements spectraux dans quatre plans utiles pour des applications de lumière du jour (éclairage) et photovoltaïques: 3 plans (horizontal, vertical est et sud incliné à 45°) selon lesquels le rayonnement global (ciel+soleil) est mesuré et un plan perpendiculaire au soleil, selon lequel le rayonnement direct (soleil seul)
1 Introduction
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est mesuré. Ces données ne sont pas en accès libre via internet mais peuvent être demandées au laboratoire.
Fig 1.5.1 : vue schématique de la station CIE-IDMP de l’ENTPE avec ses instruments
La mise en place et la validation des chaînes d’acquisition des éclairements énergétiques spectraux ainsi que le développement d’un contrôle de qualité des mesures nous ont permis d’assurer la production continue d’une banque de données sur plusieurs années (cf. § 2). Celle-ci nous a permis de fournir une information statistiquement représentative du climat spectral de Vaulx-en-Velin.
L’étude statistique (cf. § 3) d’un échantillon de 140 396 spectres (cf. § 3.1) associé, entre autre, à des données météorologiques issues de stations voisines (cf. § 3.2) est présentée dans ce document. Elle permet de construire un modèle similaire à celui de Judd et al. (cf. § 3.5). Elle nous permettra ainsi de travailler sur l’amélioration du modèle CIE de génération de spectres de la lumière naturelle à partir de paramètres colorimétriques. Enfin, nous pourrons établir des relations entre la composition spectrale des éclairements énergétiques globaux horizontaux et différents paramètres météorologiques (cf. § 3.6), dont l’étude pourrait être utile à la production d’un modèle semi-empirique pour l’estimation des éclairements énergétiques spectraux.
35 Avant de présenter ce travail, il est nécessaire de le construire sur des bases solides : la mesure spectrale est comparée à certains instruments déjà en place sur la station IDMP mais aussi à des instruments de référence. Dans la première partie (cf. § 2.1), l’ensemble de ces systèmes est d’abord évalué avant de pouvoir mettre en place les chaînes de mesures spectrales.
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2 Intégration des mesures spectrales à la
station IDMP
Les 4 chaînes de mesure spectrale sont en place depuis 2012. La réalisation et l’enregistrement des mesures d’éclairements énergétiques spectraux directs normaux et globaux horizontaux ont donc commencé dès lors, même si toutes les chaînes n’étaient pas encore opérationnelles. En 2013-2014, après une nouvelle évaluation de leurs caractéristiques, nous avons optimisé leur installation et modifié leur mode d’acquisition.
Ce travail commence par la description et l’étude des chaînes de mesure Ocean Optics des éclairements énergétiques spectraux (cf. § 2.2), ainsi que des erreurs et des limitations de cette technologie. Puis une réflexion sur le choix du mode d’acquisition y est présenté, par comparaison entre le mode initial de 2012 et celui proposé pour 2014 (cf. § 2.3). Cela amène à une pleine description du mode d’acquisition retenu (cf. § 2.4). Une fois fonctionnel, le système subit plusieurs étalonnages : des étalonnages spectraux en valeurs relatives, sur de courtes périodes (cf. § 2.5) et un étalonnage en valeurs absolues sur le long terme (cf. § 2.6). Enfin, après une première période de mesures d’environ un an, un contrôle qualité est réalisé (cf. § 2.7) et permet de partir sur une base saine pour l’analyse (cf. § 3).
Avant la présentation des chaînes d’acquisition spectrale, une étude des instruments en place et des références est nécessaire (cf. § 2.1) pour étalonner et caractériser les systèmes Ocean Optics ainsi que pour valider le comportement d’un support utilisé : le suiveur de soleil pour la voie directe normale.