JP3989263B2 - A pyranometer using multiple quantum sensors - Google Patents

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JP3989263B2
JP3989263B2 JP2002054627A JP2002054627A JP3989263B2 JP 3989263 B2 JP3989263 B2 JP 3989263B2 JP 2002054627 A JP2002054627 A JP 2002054627A JP 2002054627 A JP2002054627 A JP 2002054627A JP 3989263 B2 JP3989263 B2 JP 3989263B2
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solar radiation
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quantum
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浩助 黒川
寿一 長谷川
加藤  正
幸三 中村
高行 誉田
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、日射光の強度を測定する日射計に係り、より詳細には、複数の量子型センサーを利用した日射計及びその日射計を用いた日射強度の算出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽光発電分野において数多くの発電システムが普及してきたが、これらシステムの出力等の性能の連続的なモニタリングには低廉で、しかも安定した日射計が必要とされている。
【0003】
特に、住宅用発電システムについては、太陽電池を取付ける屋根の方向はあらゆる方向が予想され、各面での日射強度の推算をするためには、先ず、各面への日射強度のデータが不可欠である。そのため、多数個の安価な日射計が望まれている。
【0004】
また、上記太陽光発電分野のみならず、気象予報、農業、建築等の分野においても低廉で、かつ、安定した日射計が要望されている。
【0005】
現在、最も普及している日射計は、センサーとして熱型を使用している。当該熱型センサーの基本的な構成は、黒塗装した受熱板の日射強度に依存した温度上昇を計測するものである。この場合、黒色塗装の劣化により、年1パーセント程度の劣化が生じることが判明している。
【0006】
また、前述の構造を使用した日射計は、通常、高価な装置となる。そこで、経済的理由から、安価なSi(シリコン)センサー単体が日射計のセンサーとして採用されているが、かかる場合の日射計の感度は分光誤差に起因した測定誤差がかなり大きくなることが指摘されている。
【0007】
上述の通り、現在利用されている日射計の類型は、熱型及び単体Siセンサーを用いるものであるが、下記に示すような問題点がある。
【0008】
すなわち、熱型日射計の場合には、装置自体が高価であること加えて、感度が経年変化すること、原理上ゼロオフセットの値が大きいこと、傾斜特性があること、さらに応答速度が遅延であること、等の欠点がある。
【0009】
また、Siセンサー単体型日射計の場合には、日射測定用装置自体は安価であるが、後述する図1及び図2から明らかなように、日射光分布とSi分光特性が波長的に整合しないため、分光誤差が非常に大きくなる、等の欠点がある。
【0010】
ここで、図1は日射スペクトルを示す図であり、図2はSiセンサー及びInGaAsセンサーの分光感度特性を示す図である。
【0011】
上記欠点は、太陽光発電用システム出力のモニタリングには致命的である。特に熱型日射計の場合には、日射計装置自体が高価であることは、多数の発電システムに採用するときには多大な経済的負担となる。また、光発電システム出力の経年変化は極少とされており、これを監視するためのセンサーに経年変化があることは、モニタリングの意義が没却することになる。さらに、光発電システムを構成する太陽電池をはじめとする各要素はインバータ等を含めて、応答性が非常に速く、特に熱型のセンサーでは忠実な監視は不可能に近いのが現状である。
【0012】
具体的には、1年を通じて日射の不安定な曇天日がかなりの頻度で出現するので、応答速度の遅い熱型の日射計の場合、応答の速い発電システムの出力特性の計測は、多大な誤差を有する結果が招来する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑み、前述の欠点を排除した日射計を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、量子型センサーを利用した日射計において、第一の量子型センサーと、光学フィルターを備えた第二の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、前記算出手段が、第一の係数K1を記録する第一の記録部と、第二の係数K2を記録する第二の記録部と、第三の係数K3とを記録する第三の記録部とを備え、
【式1】
G = K1・E1 + K2・E2 + K3
(ここで、Gは、日射強度を指し、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧とをいう。)
の関係から日射強度を算出する、日射計である第1の態様により達成される。
【0015】
また、上記目的は、量子型センサーを利用した日射計において、第一の量子型センサーと、光学フィルターを備えた第二の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、前記算出手段が、第四の係数K4を記録する第四の記録部と、第五の係数K5を記録する第五の記録部と、第六の係数K6を記録する第六の記録部とを備え、
【式2】
G = K4・E1 + K5・R + K6
(ここで、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧といい、R=E1/E2である。)
の関係から日射強度を算出する、日射計である第2の態様により達成される。
【0016】
さらに、上記目的は、量子型センサーを利用した日射計において、第一の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーと感光波長帯域の異なる第二の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、前記算出手段が、第一の係数K1を記録する第一の記録部と、第二の係数K2を記録する第二の記録部と、第三の係数K3とを記録する第三の記録部とを備え、
【式3】
G = K1・E1 + K2・E2 + K3
(ここで、Gは、日射強度を指し、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧とをいう。)
の関係から日射強度を算出する、日射計である本発明の第3の態様により達成される。
【0017】
またさらに、上記目的は、量子型センサーを利用した日射計において、第一の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーと感光波長帯域の異なる第二の量子型センサーと、前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、前記算出手段が、第四の係数K4を記録する第四の記録部と、第五の係数K5を記録する第五の記録部と、第六の係数K6を記録する第六の記録部とを備え、
【式4】
G = K4・E1 + K5・R + K6
(ここで、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧といい、R=E1/E2である。)
の関係から日射強度を算出する、日射計である本発明の第4の態様により達成される。
【0018】
本発明の第1及び第2の態様において、前記第一及び第二の量子型センサーは、Siセンサーであることを特徴とする。
【0019】
本発明の第1及び第2の態様において、前記光学フィルターは、カットオフフィルターであることを特徴とする。
【0020】
本発明の第3及び第4の態様において、前記第一の量子型センサーは、Siセンサーであり、前記第二の量子型センサーはInGaAsセンサーであることを特徴とする。
【0021】
本発明の日射計の好ましい態様によれば、前記算出手段による算出結果を表示する表示手段を、さらに備えることを特徴とする。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る日射計及び当該日射計を用いた日射強度の算出方法の好適な実施態様を、図面を参照しながら説明する。
【0031】
図1は太陽高度に依存する分光日射強度のスペクトルを示す図である。図1から、大気状態、例えば、太陽高度の変化により日射の分光分布が変化していることが分かる。
【0032】
本発明は、少なくとも二つの量子型センサーを利用する日射計であって、各量子型センターは、感光波長域が異なるセンサーを利用することが必要である。
【0033】
具体的には、本発明による日射計が採用する量子型センサーの類型には、大別して2種類ある。第一の類型としては、二つの同種の量子型センサーを利用し、一方の量子型センサーには光学フィルターを利用し、他方の量子型センサーには光学フィルターを利用しないものの組合せを利用するものである。また、第二の類型としては、二つの異なる感光波長域を利用する量子型センサーを利用するものである。
【0034】
第一の類型では、本発明による日射計は、これに限定されるわけではないが、二つのSiセンサーを利用し、一方のセンサーに670nmより長波長側を透過するカットオフフィルターを装着させ、他方のセンサーは固有の分光特性を有するSiセンサーにより構成される。この場合、カットオフフィルターを有するセンサーは670nm以上の日射を計測し、フィルターを有しないオリジナルなSiセンサーは感光波長帯域(0.3〜1.1μm)の日射を計測することが可能となる。なお、ここでは、カットオフフィルターの特性として670nm以上の長波長の光を透過するフィルターを例示したが、本発明は前記特性に限定されるものではない。
【0035】
第二の類型では、本発明による日射計は、感光波長帯域の異なる2個の量子型センサー、具体的には、Siセンサー(感光波長帯域0.3〜1.1μm)とInGaAs(感光波長帯域0.9〜1.8μm)とから構成される。
【0036】
図2は、本発明に使用され得る、前述した2種類のセンサーの分光感度曲線を示す。Siセンサー単体の場合と比較すると、広帯域で日射を検知可能であることが分かる。
【0037】
図3及び図4は、本発明に係る日射計の概略断面図である。図3は、本発明の第一の類型の日射計10を示す。当該日射計10の上面に日射を取り入れる拡散板20を配設させる。前記拡散板20の機能は、日射計10としての角度特性を満足させるものであり、材質として、特に限定されるわけではないが、テフロン製であることが好ましい。
【0038】
さらに、日射計10は、当該拡散板20の下部に、前記板20の中心に正対させるように、同種の量子型センサーであるSiセンサー30、40を2個搭載する。そして、前記2個の量子型センサーのうちに何れか一方のSiセンサーの上面に光学フィルター50を配設する。前述したように、当該光学フィルター50は所定の波長から長波長側を透過する、カットオフフィルターが好ましい。具体的には、R66(ホヤ硝子製)等が利用可能である。
【0039】
当該光学フィルター50を備えるSiセンサー30は、長波長域のみの光を感知する。そして、光学フィルターを有しないSiセンサー40は、0.3〜1.1μmまでの波長域の光を感知し、前記Siセンサー30,40により、感光波長域を役割分担させて、後述する算出方法にしたがって、日射強度の計測が可能となる。
【0040】
日射計10の使用される場所は、通常、日射強度が測定される環境が−20〜40℃である。そのため、日射計内部の結露等による悪影響を排除するため、本発明による日射計10は、シリカゲル等の乾燥剤を含有する乾燥剤容器60をさらに備えることが好ましい。
【0041】
各々のセンサーの出力電圧は、それぞれ独立に取り出し、CPUとメモリからなる算出手段70に取り込み、後述する算出方法により日射強度を算出することが可能である。なお、図3では、前記CPU等を日射計内部に搭載した態様を示すが、不図示のコネクターを利用して外部CPUを利用して日射強度を算出することも可能であることは、当業者には理解できる。
【0042】
さらに、本発明に係る日射計10は、水準器80を備えることが好ましい。この水準器80を有することにより、常に水平状態を確認しながら日射強度が測定でき、日射強度の測定に対する角度の影響を排除することが可能となる。
【0043】
このようにして算出された日射強度は、出力コネクター90を介して、図示しない外部表示装置にて表示される。
【0044】
本発明に係る第二の類型の日射計100を、以下に説明する。センサー部分以外は、先述した第一の類型の日射計10と同様であるので、日射計100では説明を省略する。
【0045】
図4は、第二の類型の日射計100の概略断面図を示し、そのセンサーは感光波長帯域の異なる二つの量子型センサーから構成される。具体的には、図4では、感光帯域が0.3〜1.1μmであるSiセンサー120と、感光帯域が0.9〜1.8μmであるInGaAs130との組合せからなるセンサーを示す(感光波長帯域については図2を参照)。
【0046】
前述の光学フィルターの有無によるSiセンサーの構成のほかに、感光帯域の異なる2個の量子型センサーによる構成の採用により、大気状態により変化する日射の分光特性に追従し得る日射計が実現される。
【0047】
次に、前述した本発明に係る日射計10、100により得られた出力電圧から、日射強度を算出する算出方法を説明する。
【0048】
第一の算出方法は、感度定数を基礎として算出する方法である。
【0049】
従前からのSiセンサー単体で構成させる日射計の出力電圧をEとし、日射強度をGとすると、両者の間には、
G = K*E (1)
なる関係がある。ここで、Kは感度定数である。従来の方法では、Siセンサー単体を利用した場合、Kは定数として取り扱っているが、後述する図8に示すように、日射強度に対して感度定数は一定にはならない。
【0050】
本発明に係る二つの類型の日射計10、100からの各々のセンサーからの出力電圧を、それぞれE1、E2とし、各々の感度定数をK1、K2とすると、求める日射強度Gは、以下のように表現される。
【0051】
G = E1*K1 + E2*K2 + K3 (2)
すなわち、出力情報が2個に増えることにより正確な計測が可能となる。さらに詳細に説明すると、全天日射の分光分布は大気条件により全波長域で変化する要因(太陽高度、エーロゾル、雲等)と長波長域のみで主に変化する要因(下降水分)とに大別される。したがって、感度帯域の異なる2個の量子型センサーを利用した日射計で構成すれば、大気条件により変化する日射の分光特性に追従することが可能となる。
【0052】
そして、式(2)の右辺の定数K1、K2及びK3を決定する必要がある。本方法は各種の大気条件における屋外光を利用し、左辺を分光特性の均一な熱型の日射計で正確な日射強度を求め、同時に同じ条件下で2個の量子型センサーの出力電圧を計測する。この結果を式(2)に適用し、最小自乗法で3つの未知の定数を求めることができる。
【0053】
式(2)を用いて、各係数は、一例として、それぞれ、K1=1.442、K2=1.530、K3=−1054と求めた。
【0054】
式(2)とは異なり、定数を二つの量子型センサーの出力電圧比Rの関数として利用する第二の算出方法によっても、日射強度を算出することが可能である。
【0055】
具体的には、前述のように、各センサーからの出力電圧E1及びE2とした場合に、その出力比Rは、
R = E1/E2 (3)
と表すことができる。また、日射強度Gは、
G = K4*E1 + K5*R + K6 (4)
と与えられる。
【0056】
式(4)を用いることにより、一例として、K4=1.890、K5=66130、K3=‐20398と得られた。
【0057】
以上の二つ算出方法に利用される式(2)及び(4)は、いずれも分光誤差を補正する効果を有するものである。
【0058】
図5に示すように、まず、S1工程にて、本発明に係る第一及び第二のセンサーにて光を受光する。S2工程にて、各センサーはその受光に応じた電圧E1及びE2を算出手段に出力する。
【0059】
しかる後に、S3工程にて前記式(2)又は(4)により日射強度を算出し、その算出結果を表示手段に送り、当該結果が表示される(S4工程)。
【0060】
前記工程S3での算出方法を、以下に詳細に説明する。
【0061】
図6及び図7は、それぞれ、本発明による日射強度の第一及び第二の算出方法を説明する機能ブロック図を示す。
【0062】
図6に示すように、本発明の第一の算出方法を行う算出手段70は、前述の式(2)に記載された係数K1の値を記録する第一の記録部、係数K2の値を記録する第二の記録部、係数K3を記録する第三の記録部と、式(2)を実行する演算部から構成される。本発明の算出手段70は、さらに、液晶表示装置等の表示手段と接続されている。
【0063】
また、本発明の算出手段70は第一のセンサー及び第二のセンサーを接続しており、前記センサーが受光した際の光の強度に応じて電圧(E1、E2)を受け取る。前記演算部が、前記出力電圧E1、E2を受け、さらに前記第一ないし第三の記録部から各係数を読み出して、式(2)に従い、日射強度を計算する。
【0064】
G = E1*K1 + E2*K2 + K3 (2)
しかる後に、得られた計算結果の信号を表示手段に送信し、当該結果が表示される。
【0065】
図7に示すように、本発明の第二の算出方法を行う算出手段70は、先述した式(4)に記載された係数K4の値を記録する第四の記録部と、係数K5の値を記録する第五の記録部と、係数K6の値を記録する第六の記録部と、式(4)を実行する演算部から構成される。本演算部は、前記出力電圧E1、E2を受取り、さらに前記記録部から各係数を読み出して、式(4)に従い、日射強度を計算する。
【0066】
G =K4*E1 + K5*R + K6 (4) ここで、R=E1/E2の関係を有する。
【0067】
しかる後に、得られた計算結果の信号を表示手段に送信し、当該結果が表示される。
【0068】
本発明によるプログラムは、本発明に係る算出方法の各工程をコンピュータに実行させ、各工程を機能させることを特徴とする。
【0069】
本発明のプログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録媒体(フレキシブルディスク、磁気カード、磁気テープ等の磁気的にデータの読み取りが可能な記録媒体)や、光記録媒体(CD−RAM、CD−ROM、DVD−RAM、DVD−ROM、DVD−R、MDディスク、MOディスク等の光学的にデータの読み取りが可能な記録媒体)、あるいはメモリ素子(DRAM等の半導体メモリ素子、FRAM等の強誘電体メモリ素子)を備えたメモリカートリッジ等の可搬性記録媒体が好適である。
【0070】
かかる算出方法により得られた結果を図8に示す。図8の横軸は分光誤差がない熱型日射計による日射強度を示し、縦軸は熱型日射計の日射強度に対するSiセンサー単体の場合の日射強度比と、式(2)で与えられる、SiとInGaAsとから構成される複合センサーによる出力比を示す。この出力比より日射強度の広い範囲にわたり、当該比が1.0に近く分光誤差が一段と改善されたことが分かる。式(4)についても同様な結果が得られた。
【0071】
つまり、前述の式(2)及び式(4)のいずれの場合も、出力情報が2個に増えるため、より正確な計測が可能となる。
【0072】
図9は、熱型日射計と、本発明に係る日射計の各種性能を比較した結果を示す。
【0073】
各性能の評価方法を、以下に説明する。
【0074】
応答速度は、遮光状態から一定の光に晒した際の出力の最大値の95%に達するまでに要する時間(秒)で評価した。前記時間の値が小さい程、応答速度が速いことになる。
【0075】
零オフセットとは、上層の大気温度及び風速の影響を加味した外部温度に影響を受ける尺度であって、大気温度と比表面温度の差により生じる放射収支量が200W/mの場合の日射のないときの偏差である。零オフセットの値が小さい程、外部温度の影響を受け難いことを示す。
【0076】
経年変化とは、感度の安定性の尺度であり、感度の1年当たりの変化率で求めた。
【0077】
非直線性とは、500W/mを基準とし、その前後の100〜1000W/m間での光の放射量と応答する出力との関連性をいい、この値が小さい程、直線性、つまり、光の放射量に対する応答出力の関連性はリニアーであることを示す。
【0078】
角度特性とは、1000W/mの放射束をあらゆる方向から受けた場合の測定誤差から求め、この値が小さい程、光が入射する角度に依存しない日射強度が測定できる。
【0079】
傾斜特性とは、1000W/照射時の0度(水平)から90度(垂直)まで傾斜した場合の変化率をいう。この値が小さい程、日射強度は傾斜依存性がなく、測定可能であることを示す。
【0080】
図9の結果から明らかなように、従来型の熱型日射計と本発明による2素子による日射計の性能比較から、本発明による日射計では、応答速度、ゼロオフセット、感度の経年変化、傾斜特性が改善されていることが判明した。
【0081】
以上の説明は、2個の量子型センサーを利用した日射計を説明したが、さらに分光誤差を少なくするため、2個以上の量子型センサーを利用した日射計も、また、2個の量子型センサーに別のフィルターを装着した日射計も本発明に開示した内容から変更させることは可能である。
【0082】
【発明の効果】
本発明によれば、複数個から量子型センサーを利用した日射計により、低廉で、応答速度が速く、ゼロオフセット・経年変化・非直線性・傾斜特性の良好な日射計が得ることができる。
【0083】
また、あらゆる方位と傾斜角における日射強度を知得することは、日射応用分野では非常に重要なことであるが、現在は計算等でこれらの値を推算しているがこの計算結果の実証に、本発明による日射計が役に立つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、計測する日射の分光日射強度を示す図であり、太陽高度により日射スペクトルが変化していることを示す。図1中の上から順に、太陽高度が90度、41.8度、30度における晴天時の日射スペクトルを表す。
【図2】図2は、日射を検知するための量子型センサーであるSiセンサー及びInGaAsセンサーの相対分光感度曲線を示す。
【図3】図3は、本発明により第一の類型の日射計の概略断面図である。
【図4】図4は、本発明により第二の類型の日射計の概略断面図である。
【図5】図5は、本発明による日射強度の算出方法を説明するフローチャートである。
【図6】図6は、本発明による第一の算出方法を説明する機能ブロック図である。
【図7】図7は、本発明による第二の算出方法を説明する機能ブロック図である。
【図8】図8は、本発明に係る日射計により、分光誤差が改善されたことを示す図である。
【図9】図9は、従来型の熱型日射計と、本発明による二つの量子型センサーを利用した日射計の性能を比較した結果を示す図である。
【符号の説明】
10、100 日射計
20 拡散板
30 Siセンサー
40 Siセンサー
50 光学フィルター
60 乾燥剤容器
70 算出手段
80 水準器
90 出力コネクター
120 Siセンサー
130 InGaAsセンサー
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pyranometer that measures the intensity of solar radiation, and more particularly to a pyranometer that uses a plurality of quantum sensors and a method for calculating the solar radiation intensity using the pyranometer.
[0002]
[Prior art]
Many power generation systems have become widespread in the field of photovoltaic power generation, but a cheap and stable solar radiation meter is required for continuous monitoring of performance such as the output of these systems.
[0003]
In particular, for residential power generation systems, the direction of the roof on which solar cells are installed is expected in all directions, and in order to estimate the solar radiation intensity on each surface, first, the solar radiation intensity data on each surface is indispensable. is there. Therefore, a large number of inexpensive pyranometers are desired.
[0004]
In addition to the solar power generation field, there is a demand for a cheap and stable pyranometer in fields such as weather forecasting, agriculture, and architecture.
[0005]
Currently, the most popular pyranometers use the thermal type as a sensor. The basic configuration of the thermal type sensor is to measure a temperature rise depending on the solar radiation intensity of the heat-receiving plate painted black. In this case, it has been found that deterioration of about 1% per year occurs due to deterioration of the black paint.
[0006]
In addition, a pyranometer using the above-described structure is usually an expensive device. Therefore, for economic reasons, an inexpensive Si (silicon) sensor alone has been adopted as a sensor for a pyranometer, but it is pointed out that the sensitivity of the pyranometer in this case greatly increases the measurement error due to the spectral error. ing.
[0007]
As described above, the currently used pyranometers use the thermal type and the single Si sensor, but have the following problems.
[0008]
That is, in the case of a thermal pyranometer, in addition to being expensive, the sensitivity itself changes over time, the zero offset value is large in principle, there is a tilt characteristic, and the response speed is delayed. There are some disadvantages.
[0009]
Further, in the case of a Si sensor single-type pyranometer, the solar radiation measurement device itself is inexpensive, but as will be apparent from FIGS. 1 and 2 described later, the solar radiation distribution and the Si spectral characteristics do not match in terms of wavelength. Therefore, there are drawbacks such as a very large spectral error.
[0010]
Here, FIG. 1 is a diagram showing the solar radiation spectrum, and FIG. 2 is a diagram showing the spectral sensitivity characteristics of the Si sensor and the InGaAs sensor.
[0011]
The above disadvantages are fatal for monitoring the system output for photovoltaic power generation. In particular, in the case of a thermal type pyranometer, the fact that the pyranometer device itself is expensive is a great economic burden when it is adopted in many power generation systems. In addition, the secular change in the output of the photovoltaic system is considered to be minimal, and the fact that the sensor for monitoring this changes over time detracts from the significance of monitoring. Furthermore, each element including the solar cell constituting the photovoltaic power generation system includes an inverter and the like, and the response is very fast. In particular, it is almost impossible to faithfully monitor with a thermal sensor.
[0012]
Specifically, since cloudy days with unstable solar radiation appear throughout the year, measurement of the output characteristics of a power generation system with a quick response is very important in the case of a thermal pyranometer with a slow response speed. Results with errors are introduced.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a pyranometer that eliminates the above-mentioned drawbacks.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is to provide the first quantum sensor, the second quantum sensor provided with the optical filter, the first output voltage from the first quantum sensor, A solar radiation meter that receives a second output voltage from the second quantum sensor and calculates a solar radiation intensity, wherein the calculation means records a first coefficient K1. A recording unit, a second recording unit that records the second coefficient K2, and a third recording unit that records the third coefficient K3,
[Formula 1]
G = K1 · E1 + K2 · E2 + K3
(Here, G refers to solar radiation intensity, and E1 and E2 refer to the first output voltage and the second output voltage, respectively.)
The solar radiation intensity is calculated from the above relationship, and this is achieved by the first aspect of the pyranometer.
[0015]
In addition, the object is to provide a first quantum sensor, a second quantum sensor having an optical filter, and a first output from the first quantum sensor in a pyranometer using a quantum sensor. A solar radiation meter that receives a voltage and a second output voltage from the second quantum sensor and calculates a solar radiation intensity, wherein the calculation means records a fourth coefficient K4. A fourth recording section, a fifth recording section for recording a fifth coefficient K5, and a sixth recording section for recording a sixth coefficient K6;
[Formula 2]
G = K4 · E1 + K5 · R + K6
(Here, E1 and E2 are referred to as the first output voltage and the second output voltage, respectively, and R = E1 / E2.)
The solar radiation intensity is calculated from the above relationship, and this is achieved by the second aspect of the pyranometer.
[0016]
Furthermore, the above object is to provide a first quantum sensor, a second quantum sensor having a photosensitive wavelength band different from that of the first quantum sensor, and the first quantum sensor in a pyranometer using a quantum sensor. A solar radiation meter comprising a first output voltage from the mold sensor and a second output voltage from the second quantum sensor to calculate the solar radiation intensity, wherein the calculation means comprises: A first recording unit that records one coefficient K1, a second recording unit that records a second coefficient K2, and a third recording unit that records a third coefficient K3;
[Formula 3]
G = K1 · E1 + K2 · E2 + K3
(Here, G refers to solar radiation intensity, and E1 and E2 refer to the first output voltage and the second output voltage, respectively.)
This is achieved by the third aspect of the present invention which is a pyranometer that calculates the solar radiation intensity from the relationship.
[0017]
Still further, the object is to provide a first quantum sensor, a second quantum sensor having a photosensitive wavelength band different from that of the first quantum sensor, and the first quantum sensor using a quantum sensor. A solar radiation meter comprising: a first output voltage from a quantum sensor and a second output voltage from the second quantum sensor to calculate solar radiation intensity, wherein the calculation means comprises: A fourth recording unit for recording the fourth coefficient K4, a fifth recording unit for recording the fifth coefficient K5, and a sixth recording unit for recording the sixth coefficient K6.
[Formula 4]
G = K4 · E1 + K5 · R + K6
(Here, E1 and E2 are referred to as the first output voltage and the second output voltage, respectively, and R = E1 / E2.)
This is achieved by the fourth aspect of the present invention which is a pyranometer that calculates the solar radiation intensity from the relationship.
[0018]
In the first and second aspects of the present invention, the first and second quantum sensors are Si sensors.
[0019]
In the first and second aspects of the present invention, the optical filter is a cut-off filter.
[0020]
In the third and fourth aspects of the present invention, the first quantum sensor is a Si sensor, and the second quantum sensor is an InGaAs sensor.
[0021]
According to a preferred aspect of the solar radiation meter of the present invention, the solar radiation meter further includes display means for displaying a calculation result by the calculation means.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a solar radiation meter and a solar radiation intensity calculation method using the solar radiation meter according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is a diagram showing a spectrum of spectral solar radiation intensity depending on the solar altitude. From FIG. 1, it can be seen that the spectral distribution of solar radiation changes due to changes in atmospheric conditions, for example, solar altitude.
[0032]
The present invention is a pyranometer that uses at least two quantum sensors, and each quantum center needs to use sensors having different photosensitive wavelength ranges.
[0033]
Specifically, there are roughly two types of quantum type sensors employed by the pyranometer according to the present invention. The first type uses two similar types of quantum sensors, one of which uses an optical filter and the other of which uses no optical filter. is there. As a second type, a quantum sensor using two different photosensitive wavelength ranges is used.
[0034]
In the first type, the pyranometer according to the present invention is not limited to this, but uses two Si sensors, and one sensor is equipped with a cutoff filter that transmits longer wavelengths than 670 nm. The other sensor is composed of a Si sensor having inherent spectral characteristics. In this case, a sensor having a cutoff filter measures solar radiation of 670 nm or more, and an original Si sensor not having a filter can measure solar radiation in the photosensitive wavelength band (0.3 to 1.1 μm). In addition, although the filter which permeate | transmits light with a long wavelength of 670 nm or more was illustrated here as a characteristic of a cut-off filter, this invention is not limited to the said characteristic.
[0035]
In the second type, the pyranometer according to the present invention includes two quantum sensors having different photosensitive wavelength bands, specifically, an Si sensor (photosensitive wavelength band 0.3 to 1.1 μm) and InGaAs (photosensitive wavelength band). 0.9 to 1.8 μm).
[0036]
FIG. 2 shows the spectral sensitivity curves of the two types of sensors described above that can be used in the present invention. It can be seen that solar radiation can be detected in a wide band as compared with the case of the Si sensor alone.
[0037]
3 and 4 are schematic cross-sectional views of the pyranometer according to the present invention. FIG. 3 shows a first type of pyrometer 10 of the present invention. A diffusion plate 20 for taking in solar radiation is disposed on the upper surface of the solar radiation meter 10. The function of the diffusing plate 20 satisfies the angle characteristics of the pyranometer 10 and is not particularly limited as a material, but is preferably made of Teflon.
[0038]
Further, the pyranometer 10 is equipped with two Si sensors 30 and 40 that are the same type of quantum sensors so as to face the center of the plate 20 below the diffusion plate 20. An optical filter 50 is disposed on the upper surface of one of the two quantum sensors. As described above, the optical filter 50 is preferably a cutoff filter that transmits a long wavelength side from a predetermined wavelength. Specifically, R66 (manufactured by Hoya Glass) or the like can be used.
[0039]
The Si sensor 30 including the optical filter 50 senses light only in the long wavelength region. Then, the Si sensor 40 having no optical filter senses light in the wavelength range of 0.3 to 1.1 μm, and the Si sensor 30 and 40 assigns the photosensitive wavelength range to the roles, thereby calculating a calculation method to be described later. Accordingly, it is possible to measure the solar radiation intensity.
[0040]
As for the place where the solar radiation meter 10 is used, the environment where solar radiation intensity is measured is -20-40 degreeC normally. Therefore, in order to eliminate an adverse effect due to dew condensation or the like inside the pyranometer, the pyranometer 10 according to the present invention preferably further includes a desiccant container 60 containing a desiccant such as silica gel.
[0041]
The output voltage of each sensor can be taken out independently, taken into calculation means 70 comprising a CPU and a memory, and the solar radiation intensity can be calculated by a calculation method described later. Although FIG. 3 shows a mode in which the CPU and the like are mounted inside the solar radiation meter, those skilled in the art can calculate the solar radiation intensity using an external CPU using a connector (not shown). Can understand.
[0042]
Furthermore, the pyranometer 10 according to the present invention preferably includes a level 80. By having this level 80, it is possible to measure the solar radiation intensity while always checking the horizontal state, and to eliminate the influence of the angle on the measurement of the solar radiation intensity.
[0043]
The solar radiation intensity calculated in this way is displayed on an external display device (not shown) via the output connector 90.
[0044]
A second type of pyranometer 100 according to the present invention will be described below. Except for the sensor portion, the solar radiation meter 10 is the same as the first type solar radiation meter 10 described above, and thus the description of the solar radiation meter 100 is omitted.
[0045]
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a second type of pyranometer 100, which is composed of two quantum sensors having different photosensitive wavelength bands. Specifically, FIG. 4 shows a sensor comprising a combination of a Si sensor 120 having a photosensitive band of 0.3 to 1.1 μm and an InGaAs 130 having a photosensitive band of 0.9 to 1.8 μm (photosensitive wavelength). See Figure 2 for bandwidth).
[0046]
In addition to the configuration of the Si sensor with or without the optical filter described above, a pyranometer that can follow the spectral characteristics of solar radiation that changes according to atmospheric conditions is realized by adopting a configuration of two quantum sensors with different photosensitive bands. .
[0047]
Next, a calculation method for calculating the solar radiation intensity from the output voltage obtained by the above-described solar radiation meters 10 and 100 according to the present invention will be described.
[0048]
The first calculation method is a method of calculating on the basis of a sensitivity constant.
[0049]
Assuming that the output voltage of a pyranometer configured with a conventional Si sensor alone is E and the solar radiation intensity is G,
G = K * E (1)
There is a relationship. Here, K is a sensitivity constant. In the conventional method, when a single Si sensor is used, K is handled as a constant. However, as shown in FIG. 8 described later, the sensitivity constant is not constant with respect to the solar radiation intensity.
[0050]
Assuming that the output voltages from the respective sensors from the two types of pyranometers 10 and 100 according to the present invention are E1 and E2, and the sensitivity constants are K1 and K2, respectively, the obtained solar radiation intensity G is as follows: It is expressed in
[0051]
G = E1 * K1 + E2 * K2 + K3 (2)
That is, accurate measurement is possible by increasing the output information to two. More specifically, the spectral distribution of global solar radiation is largely divided into factors that change in all wavelength regions (solar altitude, aerosol, clouds, etc.) due to atmospheric conditions, and factors that mainly change only in the long wavelength region (falling moisture). Separated. Therefore, if the solar radiation meter using two quantum sensors having different sensitivity bands is used, it is possible to follow the spectral characteristics of solar radiation that changes depending on atmospheric conditions.
[0052]
Then, it is necessary to determine constants K1, K2, and K3 on the right side of Expression (2). This method uses outdoor light in various atmospheric conditions, and the left side is used to determine the exact solar radiation intensity with a thermal solarimeter with uniform spectral characteristics, and at the same time, the output voltages of two quantum sensors are measured under the same conditions. To do. Applying this result to equation (2), three unknown constants can be obtained by the method of least squares.
[0053]
Using the equation (2), the coefficients were calculated as K1 = 1.442, K2 = 1.530, and K3 = −1054, respectively, as an example.
[0054]
Unlike equation (2), the solar radiation intensity can be calculated by a second calculation method that uses a constant as a function of the output voltage ratio R of the two quantum sensors.
[0055]
Specifically, as described above, when the output voltages E1 and E2 from each sensor are used, the output ratio R is:
R = E1 / E2 (3)
It can be expressed as. The solar radiation intensity G is
G = K4 * E1 + K5 * R + K6 (4)
And given.
[0056]
By using equation (4), for example, K4 = 1.890, K5 = 66130, and K3 = −20398 were obtained.
[0057]
Equations (2) and (4) used in the above two calculation methods both have the effect of correcting the spectral error.
[0058]
As shown in FIG. 5, first, in step S1, light is received by the first and second sensors according to the present invention. In step S2, each sensor outputs voltages E1 and E2 corresponding to the received light to the calculation means.
[0059]
Thereafter, in step S3, the solar radiation intensity is calculated by the formula (2) or (4), the calculation result is sent to the display means, and the result is displayed (step S4).
[0060]
The calculation method in the step S3 will be described in detail below.
[0061]
6 and 7 are functional block diagrams illustrating first and second methods of calculating solar radiation intensity according to the present invention, respectively.
[0062]
As shown in FIG. 6, the calculation means 70 for performing the first calculation method of the present invention is a first recording unit for recording the value of the coefficient K1 described in the above equation (2), and the value of the coefficient K2. A second recording unit for recording, a third recording unit for recording the coefficient K3, and an arithmetic unit for executing equation (2). The calculation means 70 of the present invention is further connected to display means such as a liquid crystal display device.
[0063]
The calculation means 70 of the present invention connects the first sensor and the second sensor, and receives the voltages (E1, E2) according to the intensity of light when the sensor receives light. The arithmetic unit receives the output voltages E1 and E2, reads out the coefficients from the first to third recording units, and calculates the solar radiation intensity according to the equation (2).
[0064]
G = E1 * K1 + E2 * K2 + K3 (2)
Thereafter, the obtained calculation result signal is transmitted to the display means, and the result is displayed.
[0065]
As shown in FIG. 7, the calculation means 70 that performs the second calculation method of the present invention includes a fourth recording unit that records the value of the coefficient K4 described in the above-described equation (4), and the value of the coefficient K5. , A sixth recording unit that records the value of the coefficient K6, and an arithmetic unit that executes Equation (4). The calculation unit receives the output voltages E1 and E2, reads out the coefficients from the recording unit, and calculates the solar radiation intensity according to the equation (4).
[0066]
G = K4 * E1 + K5 * R + K6 (4) Here, there is a relationship of R = E1 / E2.
[0067]
Thereafter, the obtained calculation result signal is transmitted to the display means, and the result is displayed.
[0068]
A program according to the present invention causes a computer to execute each step of the calculation method according to the present invention and causes each step to function.
[0069]
Examples of the computer-readable recording medium for recording the program of the present invention include a magnetic recording medium (a recording medium capable of magnetically reading data such as a flexible disk, a magnetic card, and a magnetic tape), and an optical recording medium ( CD-RAM, CD-ROM, DVD-RAM, DVD-ROM, DVD-R, MD disk, MO disk or other optically readable recording medium) or memory element (DRAM or other semiconductor memory element) A portable recording medium such as a memory cartridge provided with a ferroelectric memory element such as FRAM) is preferable.
[0070]
The results obtained by such a calculation method are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 8 shows the solar radiation intensity by a thermal solarimeter with no spectral error, and the vertical axis is the solar radiation intensity ratio in the case of the Si sensor alone with respect to the solar radiation intensity of the thermal solar radiation meter, and is given by equation (2). The output ratio by the composite sensor comprised from Si and InGaAs is shown. It can be seen that the spectral error is further improved over a wide range of solar radiation intensity from this output ratio, with the ratio being close to 1.0. Similar results were obtained for equation (4).
[0071]
That is, in both cases of the above formulas (2) and (4), the output information is increased to two, so that more accurate measurement is possible.
[0072]
FIG. 9 shows the result of comparing various performances of the thermal type pyranometer and the pyranometer according to the present invention.
[0073]
A method for evaluating each performance will be described below.
[0074]
The response speed was evaluated by the time (seconds) required to reach 95% of the maximum output value when exposed to a constant light from the light-shielded state. The smaller the time value, the faster the response speed.
[0075]
Zero offset is a measure that is affected by the external temperature, taking into account the effects of the atmospheric temperature and wind speed of the upper layer. Radiation balance caused by the difference between the atmospheric temperature and the specific surface temperature is 200 W / m 2 Deviation when there is no. The smaller the zero offset value, the less affected by the external temperature.
[0076]
Aging is a measure of the stability of sensitivity, and was determined by the rate of change in sensitivity per year.
[0077]
The non-linearity, relative to the 500 W / m 2, refers to the relationship between output responsive the radiation amount of light between the preceding and 100 to 1000 W / m 2, The smaller the value, linearity, That is, the relationship between the response output and the amount of light emitted is linear.
[0078]
The angle characteristic is obtained from a measurement error when a radiant flux of 1000 W / m 2 is received from all directions. The smaller this value is, the more the solar radiation intensity that does not depend on the incident angle of light can be measured.
[0079]
The tilt characteristic refers to the rate of change when tilted from 0 degrees (horizontal) to 90 degrees (vertical) during 1000 W / 2 irradiation. As this value is smaller, the solar radiation intensity is less dependent on the inclination and can be measured.
[0080]
As is clear from the results of FIG. 9, from the comparison of the performance of the conventional thermal pyranometer and the two-element pyranometer according to the present invention, in the pyranometer according to the present invention, the response speed, zero offset, secular change of sensitivity, inclination It was found that the characteristics were improved.
[0081]
Although the above description has explained a pyranometer using two quantum sensors, the pyranometer using two or more quantum sensors also has two quantum types in order to further reduce spectral errors. It is possible to change the pyranometer with another filter attached to the sensor from the content disclosed in the present invention.
[0082]
【The invention's effect】
According to the present invention, a low price, high response speed, and good zero offset, secular change, non-linearity, and tilt characteristics can be obtained by using a plurality of the pyranometers using quantum sensors.
[0083]
In addition, it is very important to know the solar radiation intensity in all directions and inclination angles, but these values are currently estimated by calculation etc. The pyranometer according to the invention is useful.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the spectral solar radiation intensity of solar radiation to be measured, and shows that the solar radiation spectrum changes depending on the solar altitude. In order from the top in FIG. 1, the solar radiation spectrum at the time of fine weather at solar altitudes of 90 degrees, 41.8 degrees, and 30 degrees is shown.
FIG. 2 shows relative spectral sensitivity curves of a Si sensor and an InGaAs sensor, which are quantum sensors for detecting solar radiation.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a first type of pyranometer according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a second type of pyranometer according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of calculating solar radiation intensity according to the present invention.
FIG. 6 is a functional block diagram illustrating a first calculation method according to the present invention.
FIG. 7 is a functional block diagram illustrating a second calculation method according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing that the spectral error is improved by the pyranometer according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a result of comparing the performance of a conventional thermal pyranometer and a pyranometer using two quantum sensors according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 100 Pyrometer 20 Diffuser 30 Si sensor 40 Si sensor 50 Optical filter 60 Desiccant container 70 Calculation means 80 Level 90 Output connector 120 Si sensor 130 InGaAs sensor

Claims (8)

量子型センサーを利用した日射計において、
第一の量子型センサーと、
光学フィルターを備えた第二の量子型センサーと、
前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、
前記算出手段が、第一の係数K1を記録する第一の記録部と、第二の係数K2を記録する第二の記録部と、第三の係数K3とを記録する第三の記録部とを備え、
【式1】
Figure 0003989263
(ここで、Gは日射強度を指し、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧とをいう。)
の関係から日射強度を算出する、日射計。
In a pyranometer using a quantum sensor ,
The first quantum sensor,
A second quantum sensor with an optical filter;
A calculation means for calculating a solar radiation intensity in response to a first output voltage from the first quantum sensor and a second output voltage from the second quantum sensor ;
A first recording unit that records the first coefficient K1, a second recording unit that records the second coefficient K2, and a third recording unit that records the third coefficient K3; With
[Formula 1]
Figure 0003989263
(Here, G indicates solar radiation intensity, and E1 and E2 indicate the first output voltage and the second output voltage, respectively.)
A solar radiation meter that calculates solar radiation intensity from the relationship.
量子型センサーを利用した日射計において、
第一の量子型センサーと、
光学フィルターを備えた第二の量子型センサーと、
前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、
前記算出手段が、第四の係数K4を記録する第四の記録部と、第五の係数K5を記録する第五の記録部と、第六の係数K6を記録する第六の記録部とを備え、
【式2】
Figure 0003989263
(ここで、Gは日射強度を指し、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧といい、R=E1/E2である。)
の関係から日射強度を算出する、日射計。
In a pyranometer using a quantum sensor ,
The first quantum sensor,
A second quantum sensor with an optical filter;
A calculation means for calculating a solar radiation intensity in response to a first output voltage from the first quantum sensor and a second output voltage from the second quantum sensor ;
The calculation means includes a fourth recording unit for recording the fourth coefficient K4, a fifth recording unit for recording the fifth coefficient K5, and a sixth recording unit for recording the sixth coefficient K6. Prepared,
[Formula 2]
Figure 0003989263
(Here, G indicates solar radiation intensity, and E1 and E2 are referred to as the first output voltage and the second output voltage, respectively, and R = E1 / E2.)
A solar radiation meter that calculates solar radiation intensity from the relationship.
量子型センサーを利用した日射計において、
第一の量子型センサーと、
前記第一の量子型センサーと感光波長帯域の異なる第二の量子型センサーと、
前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、
前記算出手段が、第一の係数K1を記録する第一の記録部と、第二の係数K2を記録する第二の記録部と、第三の係数K3とを記録する第三の記録部とを備え、
【式3】
Figure 0003989263
(ここで、Gは日射強度を指し、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧とをいう。)
の関係から日射強度を算出する、日射計。
In a pyranometer using a quantum sensor ,
The first quantum sensor,
A second quantum sensor having a different photosensitive wavelength band from the first quantum sensor;
A calculation means for calculating a solar radiation intensity in response to a first output voltage from the first quantum sensor and a second output voltage from the second quantum sensor ;
A first recording unit that records the first coefficient K1, a second recording unit that records the second coefficient K2, and a third recording unit that records the third coefficient K3; With
[Formula 3]
Figure 0003989263
(Here, G indicates solar radiation intensity, and E1 and E2 indicate the first output voltage and the second output voltage, respectively.)
A solar radiation meter that calculates solar radiation intensity from the relationship.
量子型センサーを利用した日射計において、
第一の量子型センサーと、
前記第一の量子型センサーと感光波長帯域の異なる第二の量子型センサーと、
前記第一の量子型センサーからの第一の出力電圧及び前記第二の量子型センサーからの第二の出力電圧を受けて日射強度を算出する算出手段と、を備える日射計であって、
前記算出手段が、第四の係数K4を記録する第四の記録部と、第五の係数K5を記録する第五の記録部と、第六の係数K6を記録する第六の記録部とを備え、
【式4】
Figure 0003989263
(ここで、Gは日射強度を指し、E1及びE2は、それぞれ前記第一の出力電圧と前記第二の出力電圧といい、R=E1/E2である。)
の関係から日射強度を算出する、日射計。
In a pyranometer using a quantum sensor ,
The first quantum sensor,
A second quantum sensor having a different photosensitive wavelength band from the first quantum sensor;
A calculation means for calculating a solar radiation intensity in response to a first output voltage from the first quantum sensor and a second output voltage from the second quantum sensor;
The calculation means includes a fourth recording unit for recording the fourth coefficient K4, a fifth recording unit for recording the fifth coefficient K5, and a sixth recording unit for recording the sixth coefficient K6. Prepared,
[Formula 4]
Figure 0003989263
(Here, G indicates solar radiation intensity, and E1 and E2 are referred to as the first output voltage and the second output voltage, respectively, and R = E1 / E2.)
A solar radiation meter that calculates solar radiation intensity from the relationship.
前記第一及び第二の量子型センサーは、Siセンサーである、請求項1又は2に記載の日射計。  The solar radiation meter according to claim 1 or 2, wherein the first and second quantum sensors are Si sensors. 前記光学フィルターは、カットオフフィルターである、請求項1又は2に記載の日射計 。  The solar radiation meter according to claim 1 or 2, wherein the optical filter is a cut-off filter. 前記第一の量子型センサーは、Siセンサーであり、前記第二の量子型センサーはInGaAsセンサーである、請求項3又は4に記載の日射計。  The solar radiation meter according to claim 3 or 4, wherein the first quantum sensor is an Si sensor and the second quantum sensor is an InGaAs sensor. 前記算出手段による算出結果を表示する表示手段を、さらに備える、請求項1ないし7のうち何れか一項に記載の日射計。  The pyranometer according to any one of claims 1 to 7, further comprising display means for displaying a calculation result by the calculating means.
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