直達日射計とは何ですか？

直達日射計の基礎への簡単な導入

このノートは、読者に直達日射計および直達日射の測定に関する基本的な技術的背景を提供するものです。

はじめに

直達日射計は、太陽から直接届く日射量を測定する装置です。日射量の SI 単位はワット毎平方メートル（W/m²）です。従来、直達日射計は主に気候学的研究や気象観測に使用されてきましたが、近年の世界的な太陽エネルギーへの関心の高まりにより、直達日射計への注目も増しています。

本記事では、直達日射計の基本的な側面――何を測定するのか、何に役立つのか、どのように動作するのか――について解説します。

直達日射計：太陽放射センサー

直達日射計は「直達日射」E を測定する装置である。直達日射とは、太陽から直接到来し、天空上の太陽位置に対して垂直な面に、単位面積あたり・単位時間あたりに入射する太陽エネルギー量のことである。これは 直達日射量（Direct Normal Irradiance） とも呼ばれ、一般に DNI と略される。

直達日射計は、太陽追尾装置（ソーラートラッカー）に取り付ける必要がある。ソーラートラッカーは、日中を通して装置を太陽の方向へ向け続けるための機器である（Box 1 参照）。

この直達日射 E と、天空からの散乱光である拡散日射 Ed を合わせると、地表で利用可能な太陽エネルギーの総量である 全天日射量 Eg↓ が得られる。

    E_g↓= E ⋅ cos⁡(θ)+ E_d                    (1)

ここで θ は、面の法線と天空における太陽位置との間の角度である。

太陽から直接届く放射だけを測定するためには、装置の視野を制限する必要がある。地球大気圏外から見ると、太陽は約 0.27° の視野角をもつ円盤として見える。しかし地上では、太陽はもっと大きく見える。その見かけの大きさは大気の状態に依存し、空が霞んでいるほど太陽は大きく見える。

WMO（世界気象機関）の規定により、現代の直達日射計はすべて同じ視野を使用しており、開口半角 2.5° で特徴づけられる。これは、直達日射の測定値に「周辺日射（circumsolar radiation）」が一部含まれることを意味する。

直達日射は、天空における太陽高度（つまり地球上の位置、時刻、季節）によって大きく変化し、さらに雲、エアロゾル、スモッグ、霧、降水などの気象・環境要因にも強く影響される。直達日射量の典型的な値は 0 から、太陽定数のおよそ 1361 W/m² という理論上の最大値までの範囲にある。

直達日射計は何に使われるのか

太陽は、地球にとって主要な地球外エネルギー源である。これは主に 1) 気象・気候、2) 太陽エネルギーの利用によるエネルギー生産、という 2 つの分野において重要な意味を持つ。

太陽放射は地球の気象パターンを左右する主要な要因の一つであり、気象・気候研究において重要な役割を果たす。これらの研究では、直達日射計は全天日射計と組み合わせて使用され、直達・全天・拡散といった太陽放射のすべての成分を測定する。

従来、全天日射計には大きなゼロオフセットや方向応答誤差があったため、直達日射計と拡散日射の組み合わせによる全球水平面日射量（GHI）の測定は、単一の全天日射計による測定よりもはるかに高精度であった。しかし近年、全天日射計の精度は大幅に向上している。SR300 などの最新の全天日射計は、非常に小さなゼロオフセットと、ほぼ完全に近い方向応答を備えている。

それでもなお、直達日射と拡散日射を分離して測定する方法（全球日射のみを測るのではなく）は、高精度が求められる観測設備、たとえば Baseline Surface Radiation Network（BSRN）などでは依然として標準である。

特に、GHI（全球水平面日射量）を独立して測定するために別の全天日射計を追加し、3 つの成分すべてを測定することで、直達日射と拡散日射から「逆算」した全球日射量と実測の全球日射量を比較し、内部整合性を確認できる。

太陽エネルギー産業では、直達日射計と全天日射計を組み合わせた測定が、太陽光発電（PV）プラントの性能監視に利用されている。PV プラントの実際の発電量を、日射データに基づく期待発電量と比較することで、プラントの効率を評価できる。また、直達日射計は PV プラントの候補地の適性評価にも使用される。この場合、直達日射計は PV 設備の予想発電量を見積もるために用いられる。

集光型太陽光発電（CSP）設備では、適切な運転を維持するために直達日射の監視が不可欠である。

最後に、直達日射計は日照時間を測定する最も高精度な方法を提供する。WMO（世界気象機関）は日照時間を「直達日射量が 120 W/m² の閾値を超える時間間隔（時間単位）の総和」と定義している。

直達日射計はどのように動作するのか

直達日射計は、ゼーベック効果（熱電効果）に基づくセンサーであるサーモパイルを内蔵した日射量センサーである。直達日射計の主な構成要素は、石英窓、黒色吸収体、サーモパイル、直達日射計チューブ（センサー側と石英窓側の開口部とともに受光特性を規定する）、そして場合によっては追加の電子回路である。さらに、装置を正しく太陽方向へ向けるための照準器が備えられている。

直達日射計の窓はフィルターとして機能し、およそ 200 nm から 4000 nm までの波長の太陽放射を透過する（この範囲には近赤外、可視光、UV-A、および UV-B の一部が含まれる。図3参照）。一方で、4 µm を超える波長の熱放射は遮断する。

窓とセンサーハウジングは、黒色吸収体とサーモパイルを雨や雪などの外的環境から保護する役割も果たしている。

窓を通過した放射は、直達日射計センサーの黒色面で吸収され、熱に変換される。窓の透過率を τ、黒色面の面積を A、黒色面の吸収係数を α とすると、吸収される熱量は次のように計算できる。

    P_absorption = α ⋅ τ⋅ A ⋅ E              (2)

黒色面からサーモパイルを通って直達日射計本体へと温度勾配が生じる。本体はヒートシンクとして機能する。このときの温度差は次式で与えられる。

    ΔT = R_thermal ⋅ P_absorption         (3)

ここで R_thermal はサーモパイルセンサーの熱抵抗である。この熱抵抗は、サーモパイルセンサーの具体的な構成材料や形状に依存する。