なぜ日射計を加熱するのか

高精度測定に必須：データ取得率の向上とゼロオフセット誤差の低減

日射計の加熱と換気は、露や霜の影響を抑え、ゼロオフセット誤差を低減するために、WMO、ISO、ASTM によって長年推奨されてきました。現在では、IEC 61724-1 に基づく PV システム性能監視の Class A システムにおいて、加熱の使用が必須要件となっています。

Hukx では、5％を上回る測定精度を目指すすべての高精度測定において、加熱機能の使用を推奨しています。

一方で、従来型の外部換気には限界があることにも注意が必要です。換気は計測器の清掃や点検頻度を減らす手段ではなく、また雪の除去に対してはほとんど効果がありません。

はじめに

多くの気候条件では、露や霜の付着が太陽放射測定に大きな誤差をもたらします。特に早朝、計測器を手動で清掃する前の時間帯に顕著です。 しかし、単に抵抗ヒーターを取り付けて日射計を加熱するだけでは問題を解決できません。熱検出型の日射計では、こうした単純加熱が大きなゼロオフセットを引き起こしてしまうためです。

Hukx の推奨事項（概要）

Hukx では、以下のいずれかの構成を推奨しています。 ・循環式換気加熱（RVH）を備えた SR30（図1） ・外部換気システム VU01 と日射計 SR20 の組み合わせ（図3）

これらの構成は、次のような条件で特に推奨されます。

• 測定精度 5 %（k = 2）より良い精度を目指す場合
• 霜が頻繁に発生する 寒冷・極地環境での運用
• IEC 61724-1 Class A に準拠したユーティリティ規模の PV 監視を行う場合

避けるべき構成

• 大気中の粉じんが多い地域では、外部換気・加熱システム VU01 を使用しないでください。

一般的な推奨事項

• 計測器の清掃間隔：7日以内
• 日射計の校正間隔：2年以内

推奨事項の例外

• Hukx SR25 を使用する場合：サファイアドームを採用したこのモデルは、換気を使用しなくても加熱が可能であり、なおかつゼロオフセットが低く抑えられます。

従来型の外部換気

従来の解決策としては、図3に示すような外部換気システムがあります。加熱された換気空気を日射計の上に吹き付ける方式です。

このベンチレーター方式は次のような特徴があります：

• 加熱した空気を日射計に吹き付け、ドームを露点温度より高く保つ。
• 放射計の各構成要素間の熱的平衡を促進し、ゼロオフセットを低減する。
• ベンチレーターの加熱能力だけでは不十分な場合が多く、追加ヒーターを併用することが一般的。
• 特に高出力加熱時には、追加の熱的ゼロオフセットを生じやすい。高出力加熱は必要な場合に限るべき。
• 換気空気によって熱が持ち去られるため、消費電力が大きい（典型的には約 10 W）。
• ベンチレーター本体やエアフィルターの定期的なメンテナンスが必要。
• 砂嵐のある砂漠地帯など、大気中の粉じん量が多い地域では推奨されない。回転部が固着しやすく、清掃を前提とした設計ではないため。
• 日射計の清掃間隔を短縮する効果はない（ISO、WMO、BSRN の基準を参照）。
• 雪や雨のドーム付着を確実に防ぐことはできない。

SR30 の内部循環式換気と加熱

SR30 では、内部循環式の換気加熱方式を採用しています。内部で加熱・循環させた空気により、ドームを露点温度以上に保つと同時に、本体全体を均一な温度に保つことで熱的平衡を促進します。

内部換気方式の特徴：

• 加熱した空気を機器内部で循環させ、ドームを露点温度以上に保つ。
• 日射計全体を熱的平衡状態に保ち、ゼロオフセットを低減する。
• 追加ヒーターを必要としない。
• 高出力加熱時でも追加のゼロオフセットが発生しない。
• 熱が機器内部で再循環されるため消費電力が低い（通常 2 W 程度）。
• ベンチレーターは 5 年以上で交換が必要。
• 日射計の清掃・点検間隔を短縮する効果はない（ISO、WMO、BSRN を参照）。
• 雪や雨のドーム付着を確実に防ぐことはできない。

メンテナンス／清掃

加熱や換気は、高精度な測定が求められる場合に一般的に使用されます。しかし、そのような用途であっても、日射計の適切なメンテナンスやドームの清掃・点検（外観確認の記録を含む）は依然として必要です。   水滴が蒸発すると、ドーム表面に汚れや跡が残る可能性があるためです。

外部換気ユニットの場合、底部に取り外し可能なダストフィルターが設けられていることが多く、これも定期的な清掃が必要になります。

ISO TR 9901 および ASTM G183‑05 に基づく一般的な推奨実務

ISO/TR 9901「Solar Energy – Field Pyranometers – Recommended practice for use」では、高精度かつ高い信頼性が求められる場合、ベンチレーターによる加熱の使用を推奨しています。 同文書の 5.2.2.3 では、その目的として次の 3 点が挙げられています。

• 外側ドームへの露・霜の形成を抑制すること
• 外側ドーム上の雨滴を速やかに蒸発させること
• 機器温度を周囲気温に近い状態に維持すること

付属書 A1 では、 「一般的に、信頼性を高めるために日射計は連続的に換気される」   と記載されています。 さらに付属書 A2 では、さまざまな換気方式に関する詳細なコメントが示されています。

また、5.2.3 のメンテナンス項では、加熱や換気の有無にかかわらず、日射計の毎日の清掃を推奨しています。

IEC 61724‑1：PV システム性能監視における日射計の使用

クラス A および B のシステムでは、PV リファレンスセルと日射計のいずれも使用できます。IEC 61724‑1 の表 5 では、これらのセンサーには加熱が必要であると規定されており、その目的は「結露や凍結降水の付着を防ぐこと」と明記されています。結露や凍結は多くの気候条件で測定の信頼性を損なう主要因であるため、規格では特に、これらが測定に影響を及ぼす可能性が高い場所では加熱が必須であるとしています。

IEC 61724‑1 では、結露や凍結降水が測定に影響を及ぼす日数が、クラス A では年間 7 日を超える場合、クラス B では 14 日を超える場合に加熱が必須とされています。クラス A のシステムでは、日射計のみが換気を必要とし、PV リファレンスセルには換気は求められません。これは、PV リファレンスセルがゼロオフセットの影響を受けないためです。

また、同規格の表 5 では、日射計の「清掃」が要求事項として明記されており、クラス A では少なくとも週 1 回、クラス B では 2 週間に 1 回の清掃が推奨されています。

WMO：気象観測ネットワークでの使用

WMO の気象観測ネットワークにおける日射計の運用について、7.3.3.5 では、寒冷条件での付着物を防ぐため、また無風時にドームを冷却するために、日射計の露出ドームをブロワーで連続的に換気する場合があると説明しています。この際、換気空気と外気の温度差は約 1 K を超えないことが望ましいとされています。また、局所的な汚染や砂がドームに付着した場合には、表面を傷つけないよう、まず緩い粒子を吹き飛ばすか、あるいは軽く湿らせてから非常にやさしく拭き取ることが推奨されています。

さらに、7.3.3 のメンテナンスに関する記述では、日射計および記録装置は少なくとも毎日、可能であればそれ以上の頻度で点検することが最も望ましいとされています。

BSRN：高精度な拡散日射測定での使用

Baseline Surface Radiation Network（BSRN）は、気候変動監視を目的とした高品質な放射観測ネットワークです。BSRN Operations Manual v2.1 では、すべての日射計に対して換気の使用が必須とされています。これは、特に拡散日射の高精度測定において、ドーム表面の結露や霜、その他の付着物が測定精度に大きく影響するためであり、換気によってこれらの影響を最小化することが求められているためです。

BSRN ネットワークでは、日射計は主として拡散日射の測定に使用されます。拡散日射が 200 W/m² 程度である場合、ゼロオフセットが 7 W/m² 程度生じると、その影響は非常に大きくなります。換気を行うことで、このゼロオフセットはおよそ半分に低減されます。BSRN における換気の主目的は、このゼロオフセットの低減にあります。

BSRN マニュアルの 4.2.2.1 では、ゼロオフセット、結露、霜、雪に対処する手段として換気を推奨しており、次のように記載されています。

「グローバル日射の測定に関する推奨手順では、日射計本体の温度が太陽負荷によって変化することを抑え、全体的な測定安定性を高め、熱オフセットを低減するために、換気ハウジングの使用が求められています。また、気候によっては、換気を行うことで結露を防ぎ、霜や雪がドームに付着する回数を減らすことができ、結果として回収可能なデータ量が増加します。

換気ハウジングの使用が推奨される場所として、以下が挙げられています。

• 結露、霜、雪が多く発生する場所
• 自然換気が少ない、または変動しやすい場所
• 年間の一部で放射冷却が顕著な場所（この場合、換気ハウジングが熱オフセットを低減する可能性がある）
• 年間の一部で湿度が高い場所（換気により水害の可能性が減り、乾燥剤交換の頻度も低減される）

BSRN マニュアル第 6 章のメンテナンススケジュールでは、日射計の清掃および換気装置の点検を 1 日 1 回行うことが推奨されており、換気装置の潤滑や清掃は年に 1 回実施するよう求められています。」