日射量の測定方法

日射量を正しく測定するために

日射量を測定したいとお考えですか。このノートでは、適切な手順でデータ計測を始めるための基本的なポイントを解説します。ここで紹介するステップバイステップの手順に従うことで、日射計から正確で信頼性の高い日射量データを取得できるようになります。

日射量測定の概要

日射量を測定したいとお考えですか。同じように太陽からのエネルギーを測定してきた人々は何世紀にもわたり存在し、現在ではこれまで以上に多くの人々が日射量を計測しています。

このノートでは、適切な機器の選定からデータ取得まで、日射量測定の一連の流れをご紹介します。設置場所の選定、日射計の取り付け、データロガーの設定について解説するとともに、長期にわたり信頼性の高いデータを得るための品質管理や保守についても取り上げます。

何を測定したいのか？

あらゆる測定に共通するように、まず「自分は何を測りたいのか」を明確にすることが重要です。“日射量（solar radiation）”という言葉は多くの用途で使われますが、その意味合いは文脈によって少しずつ異なります。

日射量は一般に、太陽から地球に到達するエネルギーとして定義されます。その多くは可視光ですが、太陽スペクトルは紫外域から近赤外域まで広がっています。

このエネルギーはさまざまな経路で地表に届きます。太陽から直接届く直達日射、大気中で散乱されて届く散乱日射（拡散日射）、そして地表や周囲の物体からの反射日射です。これらは個別に測定することも可能ですが、多くの場合、地表面に入射する全天日射量（GHI: Global Horizontal Irradiance）が関心の対象となります。

PV（太陽光発電）システムの監視では、水平面全天日射量に加えて、パネルの設置角度に合わせた面に入射する日射量も必要になります。これは傾斜面日射量、または POA（Plane of Array）日射量と呼ばれます。

エネルギーバランス研究では、複数の日射計を組み合わせて、入射日射と反射日射の両方を測定します。これに加えて、正味長波放射やその他のフラックスを別途測定することもあります。

日射量を測定するための機器

何を測定するかが明確になったら、次は適切な測定機器を選定する段階です。

ボックス 1 の表には、各測定量に使用される代表的な機器がまとめられています。高い精度が求められる場合には、冗長性を確保するために複数の機器を併用することも検討してください。

また、露や霜が発生しやすい環境では、換気ユニットを使用することで測定の信頼性を大幅に向上させることができます。

¹ 直達日射と散乱日射を個別に測定し、それらを組み合わせて水平面全天日射量を算出する方法もあります。

² 日射計の遮へいは、シャドーリングを使用するか、遮へい機構付きの太陽追尾装置に取り付けることで実現できます。

³ これらの測定を 1 台で統合して行えるアルベドメータも利用できます。

⁴ これらの測定を 1 台に統合した正味放射計も利用できます。

⁵ 場合によっては、顕熱フラックス、潜熱フラックス、地中熱フラックスの個別測定と組み合わせて使用されます。

精度

すべての日射計が同じ性能を持つわけではありません。モデルによって精度、出力形式、機能、価格はさまざまです。ユーザーが適切な機器を選べるよう、日射計は ISO 9060 に基づいて複数の精度クラスに分類されています。用途によっては、特定の精度クラスが求められる場合があります。

測定の総合的な精度は、設置場所や取り付け方法、保守の頻度、再校正の間隔など、複数の要因によって決まります。どれか一つでも弱い部分があると、他を強化しても意味がありません。たとえば、定期的な清掃が行われていない場合、どれほど高性能な日射計であっても正確な測定はできません。

より詳しい選定のポイントについては、日射計選定ガイドをご参照ください。

設置場所

センサーを設置する場所は非常に重要です。測定値が、あなたが知りたい対象を正しく代表するものでなければなりません。日射計は半球全体を見渡す視野を持ち、空全体を観測します。そのため、黒色受感面の上方には、理想的には遮るものが何もないことが望まれます。同時に、機器には容易にアクセスできる必要があります。実際には、屋上は日射センサーの設置場所として適した環境を提供することが多いです。

設置候補地では、日射計の周囲 360° にわたり、樹木、建物、柱など、あらゆる遮蔽物を確認してください。理想的な設置場所は、機器の視野内で高度 5° を超える遮蔽物が存在しない場所です。

また、年間を通じて太陽が空を移動する軌跡を確認しておくことも重要です。オンラインで利用できるリソースがいくつかあり、たとえば University of Oregon の Sun Chart Program などが参考になります。

直達日射が遮られないように設置してください。やむを得ず遮られる時間帯がある場合は、その期間を記録しておきます。

日射計を明るい色の壁面やその他の反射面の近くに設置しないでください。また、照明などの人工放射源にさらさないよう注意してください。

センサーの設置

いよいよ機器を設置する段階です。日射計は、長期間にわたりあらゆる環境条件下でも固定され、水平が保たれるように取り付ける必要があります。水平や向きが正しくないセンサーは、正確な測定値を得ることができません。

直達日射計は、太陽追尾装置への取り付けを可能にするため、直径 38 mm のチューブに標準化されています。日射計および放射収支計は、下面から取り付けるための M5 ネジ穴が 2 か所あり、ピッチは 46 mm または 65 mm のいずれかです。さらに、すべてのモデルには中央に M6 ネジ穴が 1 つ設けられています。

Hukx では、平面上やさまざまなサイズのチューブ上での機器の取り付けと水平調整を容易にするため、専用のレベリングマウントを提供しています。

データロガー

ミリボルト出力、増幅電圧、電流出力など、アナログ出力を持つ機器はデータロガー（電圧計）に接続する必要があります。市販されているデータロガーは多種多様ですが、使用環境に適合し、低電圧域で十分な分解能を持つものを選んでください。品質は非常に重要であり、どれほど高性能な日射センサーを使用していても、精度の低いデータロガーを使えば測定結果は不正確になります。

ミリボルト出力の日射計、直達日射計、放射収支計は完全にパッシブに動作し、電源やバッテリーを必要としません。

データロガーには、機器の電圧出力 U（V）を感度 S（V/(W/m²)）で割ることで、日射量 E（W/m²）を計算するよう設定してください。

1 分間の平均日射量を記録してください。1 分間の測定値については、平均値に加えて、最小値・最大値および標準偏差を保存しておくことが望ましいとされています。サンプリング周波数は 1 Hz（1 秒ごと）が推奨されますが、多くの用途では 3 秒ごとの測定でも許容されます。

放射照度から放射照射量 H（J/m² または kWh）を求めるには、1 分平均値を積分します。用途に応じて、時間間隔 dt を変えて積分することで、時間別合計、日別合計、または日平均日射量を算出してください。

デジタル日射計および直達日射計は、内部にアナログ–デジタル変換機能を備えており、コンピューターや SCADA（監視制御およびデータ収集）システムに直接接続できます。

これらの機器は日射量を直接出力するため、機器の感度を用いた換算作業は不要です。ただし、放射照射量の計算はコンピューター側で行う必要があります。日射計自体には内部時計が搭載されていないためです。

SR30-D1 や DR30-D1 のような最新のデジタル日射計および直達日射計は、傾斜角、内部湿度、ヒーター電流、ファン回転数などの追加測定値も提供します。これらのリモート診断機能により、機器の状態をリアルタイムで遠隔監視することが可能になります。

接地

機器を適切に接地することは非常に重要です。特に PV アレイなど高電圧源の近くで作業する場合はなおさらです。正しく接地されていない機器は、誤った測定値を出したり、完全に故障したり、さらには安全上のリスクとなる可能性があります。

取扱説明書の指示に従い、デジタル日射計の接地および安全性に関する当社レポートをダウンロードして参照してください。

高品質なデータの維持

日射データが取得できるようになったら、そのデータが妥当であるかを確認し、高品質なデータセットを維持するための対策を講じる必要があります。

最も重要なのは、データセットに対して品質管理を行うことです。Bird モデルのような簡易な晴天モデルと比較し、測定値が不自然に高すぎたり低すぎたりしないか、日の出・日の入り・南中時刻が一致しているかを確認してください。これは一度きりではなく、継続的に実施することが望まれます。

高品質な測定には保守作業が欠かせません。機器の光学部（ウィンドウやドーム）の定期的な清掃、水平状態や乾燥剤の目視点検を行ってください。また、良好な測定運用として、機器は 2 年ごとに再校正することを推奨します。

おわりに

本ノートでは、正しい方法で日射を測定するための手順を説明しました。

日射量の種類と、それぞれに最適な測定機器の選び方について解説しました。また、適切な設置場所の選定方法や、センサーを正しく取り付けるためのポイントも示しました。測定精度は測定チェーン全体に依存するため、高精度の機器には高精度のデータロガーが必要です。

データの信頼性を維持するためには、品質管理と保守プログラムを整備することが重要です。

参考文献

1. WMO (2017) WMP-No. 8 WMO guide to meteorological instruments and methods of observation (the CIMO Guide)
2. McArthur L.J.B. (2005) WMO/TD-No. 1274 Baseline Surface Radiation Network (BSRN). Operations Manual. Version 2.1
3. Sengupta et. al., (2017), Best Practices Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data for Solar Energy Applications: Second Edition, NREL/TP-5D00-68886
4. ISO (1990) ISO/TR 9901:1990 Solar energy -- Field pyranometers -- Recommended practice for use
5. ASTM G183 - 15 Standard Practice for Field Use of Pyranometers, Pyrheliometers and UV Radiometers

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