JP2004045259A

JP2004045259A - 日照・日射計

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Publication number: JP2004045259A
Application number: JP2002204053A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Onimura; 鬼村　邦治; Takashi Kanai; 金井　隆
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP3819334B2

Abstract

【課題】追尾するための可動機構を備えることなく日照・日射に関する気象量を高精度に測定する。
【解決手段】太陽の照射光を所定の光検出器で検出することによって日照・日射に関する気象量を測定する日照・日射計であって、上記光検出器が検出する照射光の受光強度を所定の補正演算式を用いて光検出器の受光面に垂直な方向の受光強度に補正して日照・日射に関する気象量を測定する。
【選択図】　　　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、日照・日射に関する気象量を測定する日照・日射計である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来から日照・日射計には固定式のものと追尾式のものとがある。固定式の日照・日射計は、所定姿勢で固定設置されるものであり、すなわち時々刻々と変位する太陽の照射光を固定状態にある光検出器で検出することによって、日照時間や日照エネルギー等の気象量を測定するものである。これに対して、追尾式の日照・日射計は、時々刻々と変位する太陽を追尾することによって光検出器の受光面に太陽からの直接照射光が垂直に入射するようにしたものである。
【０００３】
ところで、日照・日射に関する気象量を測定するための直達日射量は、受光面に垂直に入射した直接照射光の受光強度としてＷＭＯ（世界気象機関）によって定義されている。したがって、固定式の日照・日射計は、受光面に対して常に垂直方向の直接照射光を検出するものではないので測定精度が低い。これに対して、追尾式の日照・日射計は、固定式の日照・日射計よりも測定精度が高いものの、追尾するための可動機構が必須なので、信頼性が低く、比較的頻繁にメンテナンスを行う必要があり、無人状態で稼動させることはできない。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、追尾するための可動機構を備えることなく日照・日射に関する気象量を高精度に測定することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、太陽の照射光を所定の光検出器で検出することによって日照・日射に関する気象量を測定する日照・日射計であって、上記光検出器が検出する照射光の受光強度を所定の補正演算式を用いて光検出器の受光面に垂直な方向の受光強度に補正して日照・日射に関する気象量を測定するという構成を採用する。
すなわち、本第１の手段によれば、日照・日射に関する気象量は、光検出器が検出する照射光の受光強度を所定の補正演算式を用いて光検出器の受光面に垂直な方向の受光強度に補正することによって測定される。
【０００６】
第２の手段として、上記第１の手段において、光検出器の受光面の垂直方向と照射光の照射方向との角度を測定日時に応じた角度データとして記憶する記憶手段と、測定日時を与える計時手段とを備え、計時手段から与えられる測定日時に基づいて上記記憶手段を検索することによって測定日時に対応する特定の角度データを取得し、当該特定の角度データを補正演算式に代入することによって照射光の受光強度を受光面に垂直な方向の受光強度に補正するという構成を採用する。
すなわち、本第２の手段によれば、照射光の受光強度は、光検出器の受光面の垂直方向と照射光の照射方向との角度を測定日時に応じた角度データとして記憶する記憶手段と、測定日時を与える計時手段とを備えた日照・日射計において、計時手段から与えられる測定日時に基づいて上記記憶手段を検索することによって測定日時に対応する特定の角度データを取得し、当該特定の角度データを補正演算式に代入することによって補正される。
【０００７】
第３の手段として、上記第１または第２の手段において、照射光の照射方向に対して異なる角度に設定された複数の光検出器を備え、当該各光検出器によって検出された照射光の受光強度を平均化及び補正する補正演算式に適用するという構成を採用する。
すなわち、本第３の手段によれば、照射光の照射方向に対して異なる角度に設定された複数の光検出器によって検出された照射光の受光強度は補正演算式によって平均化及び補正される。
【０００８】
第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、照射光に含まれる空間の乱反射光のみを検出する背景光用光検出器をさらに備え、背景光用光検出器が検出する空間の乱反射光の受光強度によって光検出器が検出する照射光の受光強度を補正して補正演算式に適用するという構成を採用する。
すなわち、本第４の手段によれば、照射光に含まれる空間の乱反射光のみを検出する背景光用光検出器が検出する空間の乱反射光の受光強度によって補正された光検出器が検出する照射光の受光強度の値は補正演算式に適用される。
【０００９】
第５の手段として、上記第４の手段において、受光面が異なる角度に設定された複数の背景光用光検出器を設け、各背景光用光検出器が検出する空間の乱反射光の受光強度の平均値によって光検出器が検出する照射光の受光強度を補正するという構成を採用する。
すなわち、本第５の手段によれば、光検出器が検出する照射光の受光強度は、受光面が異なる角度に設定された複数の背景光用光検出器が検出する空間の乱反射光の受光強度の平均値によって補正される。
【００１０】
第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、光検出器は太陽電池であるという構成を採用する。
すなわち、本第６の手段によれば、照射光は、光検出器に用いられる太陽電池によって測定される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わるの日照・日射計の一実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態における日照・日射計の感光部Ａの斜視図である。この図において、符号１は支持具、２は支柱、２ａは太陽電池（光検出器）、３は遮光板、４は出力コネクタ、５はガラスドーム、６はホルダ、７はスタンド、８は取付台である。また、図２は、図１における支柱２の拡大斜視図であり、符号２ａ〜２ｃは太陽電池である。
【００１３】
支持具１は、棒状の支柱２を支持する棒状部材である。支柱２は、図２に示すように、断面が底角γである直角二等辺三角形に形状設定された三角柱形状を有している。支柱２には、直角二等辺三角形の短辺に対して垂直な２つの面に各々１つずつ太陽電池２ａ，２ｂ（光検出器）が配置され、また上底面には太陽電池２ｃ（背景光用光検出器）が配置される。
【００１４】
遮光板３は、太陽電池２ｃが配置される支柱２の上底面に太陽の照射光が直接入射するのを防ぐために設置されている。出力コネクタ４は、支持具１の他端に設置されている。ガラスドーム５は、ガラスで形成されており、上記支柱２及び遮光板３を覆うように設けられている。ホルダ６は、支持具１の端部を支持し、支持具１が鉛直面内で可動できるようにスタンド７と連結されている。スタンド７は、ホルダ６と地面に対して固定される取付台８とを繋ぐ棒状部材である。
【００１５】
このように構成された感光部Ａは、取付台８を水平な地面に設置し、支柱２の上底面を北（北極星の方向）に向け、かつ周面と平行な中心線Ｌを地軸と平行になると共に太陽電池２ａが配置された面と太陽電池２ｂが配置された面とが共有する辺が正午において太陽と対峙するように姿勢設定される。つまり、このように感光部Ａを姿勢設定することにより、支柱２の一面に設けられた一方の太陽電池２ａは、専ら午前中の照射量（照射光の強度）を検出し、他方の太陽電池２ｂは、専ら午後における照射量を検出する。また、太陽電池２ｃは、乱反射量（照射光に含まれる空間の乱反射光つまり背景光の強度）のみを検出する。
【００１６】
図３は、本日照・日射計の電気的構成を示すブロック図である。この図において、２ａ〜２ｃは上述した太陽電池、９はＭＵＸ（マルチプレクサ）、１０はＡ／Ｄ変換器、１１は電波時計（計時手段）、１２は記憶装置（記憶手段）、１３は演算装置、１４は通信装置である。
【００１７】
太陽電池２ａ〜２ｃは、上記感光部Ａの構成要素であり、照射光を受光することで発電し、照射量及び乱反射量を示す検出信号として出力する。ＭＵＸ９は、演算装置１３から入力された選択信号に基づいて太陽電池２ａ〜２ｃの検出信号を択一的に選択してＡ／Ｄ変換器１０に出力する。Ａ／Ｄ変換器１０は、ＭＵＸ９から入力された上記検出信号（アナログ信号）をデジタル化して演算装置１３に出力する。電波時計１１は、標準電波を受信することによって正確な日時を測定して演算装置１３に出力する。
【００１８】
記憶装置１２は、図４に示すような太陽電池２ａ，２ｂの受光面に鉛直な方向と照射光の照射方向とのなす角度ξを日時毎の角度データとして記憶すると共に、下記の補正演算式（１）をも記憶するものである。この補正演算式（１）は、上記角度ξ、太陽電池２ａの出力電圧Ｅａ、太陽電池２ｂの出力電圧Ｅｂ及び太陽電池２ｃの出力電圧Ｅｃを変数として直達日射量（太陽電池２ａ，２ｂの受光面に垂直な方向の受光強度）に相当する補正電圧Ｅを与えるものである。
【００１９】
【数１】

【００２０】
演算装置１３は、電波時計１１から出力された日時に対応する角度ξを記憶装置１２から取得すると共に、当該角度ξと太陽電池２ａ，２ｂの照射量とを上記補正演算式（１）に代入することにより直達日射量に相当する補正電圧Ｅを算出する。この補正電圧Ｅ（すなわち直達日射量）は、記憶装置１２に登録データとして蓄積される。また、演算装置１３は、記憶装置１２に蓄積された複数の直達日射量から日照時間あるいは直達日射量の総和量等の測定量、つまり日照・日射に関する気象量を算出して通信装置１４に出力する。通信装置１４は、上記日照・日射に関する気象量を気象センターに送信するものである。
【００２１】
次に、このうように構成された日照・日射計の一動作例について、図５に沿って詳しく説明する。
【００２２】
演算装置１３は、例えば一定の時間間隔毎に電波時計１１から測定日時を取得し（ステップＳ１）、この測定日時の日が更新された場合（ステップＳ２）には、新しい日のファイルを開く。すなわち、演算装置１３は、午前０時を過ぎると新しいファイルを開く。なお、測定日時が更新されていない場合（ステップＳ２）には、新しいファイルを開くことなく次の処理に進む。そして、演算装置１３は、上記測定日時が記憶装置１２に予め記憶された当日の測定開始時刻を過ぎているかどうかを確認する（ステップＳ４）。そして、この測定日時が上記測定開始時刻を過ぎている場合、演算装置１３は、次の処理に進むが、過ぎていない場合には一定の時間間隔経過後、再び電波時計１１から測定日時を取得する（ステップＳ１）。つまり、当日の測定開始時刻が過ぎるまで演算装置１３は待機状態となる。
【００２３】
続いて、演算装置１３は、ＭＵＸ９を切り替えることによりＡ／Ｄ変換器１０を介して太陽電池２ａ，２ｂから照射量に相当する出力電圧Ｅａ，Ｅｂ、太陽電池２ｃからは乱反射量に相当する出力電圧Ｅｃを順次取得し（ステップＳ５）、また記憶装置１２から測定日時に対応する角度ξ（角度データ）を取得する（ステップＳ６）。そして、演算装置１３は、上記各出力電圧Ｅａ〜Ｅｃ及び角度ξを補正演算式（１）に代入することにより補正電圧Ｅを算出し（ステップＳ７）、この出力電圧Ｅを直達日射量として記憶装置１２に登録する（ステップＳ８）。
【００２４】
そして、演算装置１３は、通信装置１４から通信指示が入力されているか否かを判断する（ステップＳ９）。ここで、通信指示がない場合には次の処理に進むが、通信指示がある場合には、その指示された内容の気象量を通信装置１４に出力する（ステップＳ１０）。
【００２５】
続いて、演算装置１３は、電波時計１１から取得した日時が記憶装置１２に予め記憶されている当日の測定終了時刻を過ぎているか判断する（ステップＳ１１）。ここで、過ぎている場合には次の処理に進むが、過ぎていない場合にはステップＳ１に戻って処理を繰り返す。つまり、記憶装置１２には、当日の測定終了時刻が過ぎるまでは一定の時間間隔で登録される直達日射量が順次蓄積されていく。
【００２６】
一方、このようにして測定終了時刻が過ぎた場合、演算装置１３は、ステップＳ３で開いたその日のファイルを閉じ（ステップＳ１２）、通信装置１４から通信指示が入力されているか否かを再び判断する（ステップＳ１３）。そして、通信指示が入力されている場合において、当該通信指示が日照時間及び直達日射量の総和量である場合には、記憶装置１３に蓄積された各直達日射量に基づいて日照時間及び直達日射量の総和量を算出し、通信装置１４に出力する（ステップＳ１４）。ここで、日照時間とは、直達日射量が所定のしきい値（例えば１２０Ｗ／ｍ^２）を超えている時間の総和である。
【００２７】
なお、通信指示が日照時間及び直達日射量の総和量ではなく、日照時間のみである場合には、演算装置１３は、日照時間のみを算出して通信装置１４に出力する（ステップＳ１４）。さらに、通信指示が日照時間及び直達日射量の総和量でなく、また日照時間のみでもない場合には、演算装置１３は直達日射量の総和量のみを算出して通信装置１４に出力する（ステップＳ１４）。なお、通信指示がない場合には、演算装置１３は待機状態となる。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
【００２９】
（１）上記実施形態では感光部Ａの構成要素である支柱２の形状を直角二等辺三角形（断面形状）としたが、図６に示すように上下底面が台形に形状設定された四角柱形状の支柱２’を採用することが考えられる。そして、この支柱２’において、上記台形の上底及び上底と下底を結ぶ２つの辺に対して垂直な３つの周面上に太陽電池２Ａ〜２Ｃ（光検出器）を各々１つずつ配置し、四角柱の上底面に太陽電池２Ｄ（背景光用光検出器）を配置する。このように構成された四角柱形状の支柱２’は、太陽電池２Ｄが配置された上底面が北を向き、また、周面と平行な中心線Ｌが地軸に対して平行になると共に上記台形の上底に対して垂直な面が正午に太陽から最も近くなるように姿勢設定される。
【００３０】
ここで、図７において、（ａ）は上記実施形態つまり三角柱形状の支柱２を用いた場合における各太陽電池２ａ，２ｂの合成指向特性を示し、（ｂ）は四角柱形状の支柱２’を用いた場合における各太陽電池２Ａ〜２Ｃの合成指向特性を示している。支柱２’を採用することにより、上記実施形態の場合よりもより均一な感度の部分のみを用いて太陽光の照射量を捉えることができるので、日照・日射に関する気象量をより正確に測定することが可能となる。
【００３１】
さらに、上記支柱２’を採用した場合には３つの太陽電池２Ａ〜２Ｃを用いることになるが、任意の個数すなわちｎ個の光検出器を用いる場合の補正演算式は下式（２）のようになる。ここでＥｉは、ｉ番目の太陽電池の出力電圧、Ｅｐは乱反射量を測定する太陽電池の出力電圧、φｉはｉ番目の太陽電池の受光面に鉛直な方向と照射光の照射方向とのなす角度である。
【００３２】
【数２】

【００３３】
（２）上記実施形態では、乱反射量を検出するための太陽電池を１つだけ設けたが、受光面の角度を異にして複数配置し、その平均値を取ることにより乱反射量を測定するようにしても良い。すなわち、受光面の角度を異にした複数の太陽電池で乱反射量を測定し、平均することでより正確な乱反射量を測定することができる。しかし、この場合、乱反射量を測定する太陽電池は全て照射光を直接受けない位置に配置する必要がある。
【００３４】
（３）上記実施形態では、太陽電池の受光面の垂直方向と照射光の照射方向との角度ξを記憶装置１２に記憶するようにした。しかし、角度ξをデータとして記憶するのではなく、測定日時に基づいて上記角度ξを算出するための角度演算式を記憶装置１２に記憶するようにしても良い。
【００３５】
（４）上記実施形態では、ＭＵＸ９を用いて太陽電池２ａ〜２ｃの各検出信号を選択してＡ／Ｄ変換器１０に入力するようにしたが、各々の太陽電池２ａ〜２ｃにＡ／Ｄ変換器１０を設けても良い。
【００３６】
（５）上記実施形態では、光検出器及び背景光用光検出器として太陽電池を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３７】
（６）上記実施形態では、気象量の出力に関して順序を設けて説明した。しかしながら、これにとらわれるものではなく、気象量の出力に関する形態は任意である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、太陽の照射光を所定の光検出器で検出することによって日照・日射に関する気象量を測定する日照・日射計であって、上記光検出器が検出する照射光の受光強度を所定の補正演算式を用いて光検出器の受光面に垂直な方向の受光強度に補正して日照・日射に関する気象量を測定するので、可動機構を備えることなく日照・日射に関する気象量を高精度に測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる日照・日射計における感光部Ａの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる感光部Ａの構成要素である三角柱形状の支柱２の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わる日照・日射計の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係わる角度ξを説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態に係わる日照・日射計の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態の変形例に係わる支柱２’の斜視図である
【図７】本発明の一実施形態における太陽電池の合成指向特性を示す模式図である。
【符号の説明】
１……支持具
２……支柱
２ａ，２ｂ，２Ａ〜２Ｃ……太陽電池（光検出器）
２ｃ，２Ｄ……太陽電池（背景光用光検出器）
３……遮光板
４……出力コネクタ
５……ガラスドーム
６……ホルダ
７……スタンド
８……取付台
９……ＭＵＸ（マルチプレクサ）
１０……Ａ／Ｄ変換器
１１……電波時計（計時手段）
１２……記憶装置（記憶手段）
１３……演算装置
１４……通信装置
Ａ……感光部
Ｌ……中心線

Claims

太陽の照射光を所定の光検出器で検出することによって日照・日射
に関する気象量を測定する日照・日射計であって、
前記光検出器が検出する照射光の受光強度を所定の補正演算式を用いて光検出器の受光面に垂直な方向の受光強度に補正して日照・日射に関する気象量を測定することを特徴とする日照・日射計。
光検出器の受光面の垂直方向と照射光の照射方向との角ξを測定日時に応じた角度データとして記憶する記憶手段と、測定日時を与える計時手段とを備え、
計時手段から与えられる測定日時に基づいて前記記憶手段を検索することによって測定日時に対応する特定の角度データを取得し、当該特定の角度データを補正演算式に代入することによって照射光の受光強度を受光面に垂直な方向の受光強度に補正することを特徴とする請求項１記載の日照・日射計。
照射光の照射方向に対して異なる角度に設定された複数の
光検出器を備え、当該各光検出器によって検出された照射光の受光強度を平均化及び補正する補正演算式に適用することを特徴とする請求項１または２記載の日照・日射計。
照射光に含まれる空間の乱反射光のみを検出する背景光用光検出器をさらに備え、背景光用光検出器が検出する空間の乱反射光の受光強度によって光検出器が検出する照射光の受光強度を補正して補正演算式に適用することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の日照・日射計。
受光面が異なる角度に設定された複数の背景光用光検出器
を設け、各背景光用光検出器が検出する空間の乱反射光の受光強度の平均値によって光検出器が検出する照射光の受光強度を補正することを特徴とする請求項４記載の日照・日射計。
光検出器は太陽電池であることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の日照・日射計。