WO2023286323A1 - 日照計及び日照計測方法 - Google Patents

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WO2023286323A1
WO2023286323A1 PCT/JP2022/008521 JP2022008521W WO2023286323A1 WO 2023286323 A1 WO2023286323 A1 WO 2023286323A1 JP 2022008521 W JP2022008521 W JP 2022008521W WO 2023286323 A1 WO2023286323 A1 WO 2023286323A1
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sunshine
light
sensor
determination circuit
detection areas
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壽一 長谷川
ケース フーヘンダイク
マリオ ポー
勇 千葉
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英弘精機株式会社
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    • G01J2001/4266—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors for measuring solar light

Definitions

  • the present invention relates to a sunshine meter and a sunshine measurement method.
  • a measurement device called a sunshine meter is used to measure the irradiation of sunlight on the earth's surface.
  • Types of sunshine meters include rotary sunshine meters and photoelectric sunshine meters.
  • a direct pyranometer can be mounted on the solar tracker to measure the sunshine.
  • the natural light that reaches the hemisphere during the daytime includes direct light, in which sunlight passes through the atmosphere and directly illuminates the earth's surface, and scattered light, in which sunlight is scattered in the atmosphere and illuminates the earth's surface.
  • the sunshine meter determines the presence or absence of sunshine based on the intensity of direct light.
  • a predetermined threshold is provided for the direct solar radiation intensity corresponding to direct light, and when the direct solar radiation intensity exceeding the threshold is input to the sunshine meter, the sunshine meter determines that there is "sunshine”. Output a signal.
  • the time during which the direct solar radiation intensity (solar radiation from a 2.5-degree half-angle field of view centered on the sun) exceeds 120 W/m 2 is defined as sunshine hours.
  • the sunshine duration is defined as the time when the direct solar radiation intensity is 120 W/m 2 or more.
  • Patent Literature 1 discloses a sunshine meter that reduces measurement errors of direct light and scattered light even when scattered light varies irregularly.
  • a thermocouple for detecting light entering through a first slit and a thermocouple for detecting light entering through a second slit are provided in a cylindrical glass.
  • This sunshine meter is provided with a first slit and a second slit so that direct light is incident on one of the two thermocouples, and it is possible to detect only direct light without interference from scattered light. be.
  • the sunshine meter described in Patent Document 1 requires processing of the glass and slits, and requires a plurality of sensors used for measurement, which complicates the device. Further, in other conventional sunshine meters including the sunshine meter described in Patent Document 1, it is necessary to set the installation angle of the sunshine meter and further adjust the direction according to the latitude of the installation location of the sunshine meter. rice field. Moreover, in other conventional sunshine meters, measurement errors may occur in direct light intensity measurements due to changes in the position of the sun (changes in declination) that change with the seasons. In addition, measurement of sunshine by mounting a direct pyranometer on a solar tracking device requires a large number of devices and is costly, resulting in a large-scale system.
  • the rotary sunshine meter captures the reflection from the metal mirror that rotates inside the glass tube, it requires a movable part, which complicates the structure. Thus, the need for adjustment during installation prevents easy measurement. Also, the need for moving parts as additional parts in the sunshine meter can reduce the durability of the sunshine meter.
  • an object of the present invention is to provide a sunshine meter that does not have a movable part and that is easy to adjust for measurement.
  • a sunshine meter includes a lens that emits natural light incident from a hemisphere as projection light, a sensor that photoelectrically converts and outputs the projection light projected on a light receiving surface, and based on the output of the sensor, and a determination circuit for determining the presence or absence of sunlight, wherein the sensor has a plurality of detection areas on the light receiving surface and is configured to output a signal corresponding to the intensity of the projected light incident on each detection area. Based on the difference calculation of the signals output from each detection area, the determination circuit removes the scattered light component included in the projected light, and direct light that would be included in the projected light when sunlight is incident. The presence or absence of sunshine in natural light is determined by extracting only the components.
  • the sunshine meter According to this aspect, all light from the entire hemispherical sphere is projected onto the light receiving surface of the sensor as projection light, so all direct light and scattered light included in natural light are detected by the sensor. Since the determination circuit calculates the difference between the signals output from the respective detection areas, the scattered light component contained in the projection light is removed and only the direct light component is taken out. Therefore, according to the sunshine meter according to this aspect, the presence or absence of sunshine can be determined without being affected by changes in the position of the sun on the hemisphere, and no movable part is required. Moreover, it is not necessary to adjust the attitude of the sunshine meter according to the latitude of the position where the sunshine meter is installed. Furthermore, it is possible to suppress the measurement error in the direct light intensity measurement caused by the declination change. Therefore, the sunshine meter according to this aspect is a sunshine meter that does not have a movable part and is easy to adjust for measurement.
  • the determination circuit may determine that there is sunshine when the maximum value of the difference between the signals output from each detection area satisfies a predetermined threshold value. In this aspect, even if there are a plurality of differences, the determination of the presence or absence of sunshine is performed appropriately by using the maximum value.
  • the senor has four detection areas, and the determination circuit determines the sum of the signals from the detection areas arranged side by side in a predetermined first direction and the The presence or absence of sunshine may be determined by comparing the sum of the signals from the detection areas provided side by side and the difference between them.
  • the direct light is positioned between the detection areas, compared to the case where the sensor has only two detection areas, for example, comparing the signal differences with each other,
  • the presence or absence of sunlight can be determined based on the direct light component.
  • the determination circuit may output a determination signal indicating the presence or absence of sunshine.
  • the external device can record the sunshine using the sunshine meter.
  • the determination circuit may further refer to a predetermined calibration value to determine the presence or absence of sunlight.
  • the presence or absence of sunshine can be determined including the calibration value according to the environment of the sunshine meter, so the presence or absence of sunshine can be determined more accurately.
  • a solar radiation measurement method includes a step of projecting natural light incident from a hemispherical sphere as projection light; and calculating the difference between the signals output from each detection area, the scattered light component included in the projected light is removed, and direct light that would be included in the projected light when sunlight is incident is obtained. and determining the presence or absence of sunshine in natural light by extracting only the component.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a determination circuit according to the first embodiment;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing signals in the sensor according to the first embodiment;
  • 4 is a flowchart for explaining processing in the determination circuit according to the first embodiment;
  • 4A and 4B are diagrams for explaining processing in the determination circuit according to the first embodiment;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a result of processing by the determination circuit according to the first embodiment;
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining processing in a determination circuit according to the second embodiment; It is a figure explaining the process in the determination circuit which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure explaining the result of the process by the determination circuit which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure explaining the determination result of the presence or absence of sunshine by the determination circuit which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure explaining another determination result of the presence or absence of sunshine by the determination circuit which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a determination circuit according to a third embodiment; FIG. It is a figure explaining the direct solar radiation intensity calculated by the determination circuit which concerns on 3rd Embodiment. It is a schematic diagram explaining the measurement by the sunshine meter which concerns on a modification.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a lens and a sensor according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a situation in which natural light IL, which is sunlight, is incident on the lens 101 from the hemispherical sphere HS, and projection light PL is emitted from the lens 101 to the sensor 102 .
  • the lens 101 is configured such that the natural light IL is directed downward in the z-axis direction shown in FIG. ), which refracts natural light IL so that it is projected as projection light PL along the z-axis.
  • Lens 101 is a convex lens with a wide angle of incidence, such as a fisheye lens.
  • the lens 101 may be composed of a plurality of lenses or the like.
  • the lens 101 is an optical element configured to be able to observe the hemisphere HS and collect light from the hemisphere HS. Natural light IL incident from the hemispherical sphere HS is converted into parallel light rays by the lens 101 and projected onto the light receiving surface of the sensor 102 as projection light PL.
  • a planar projection image of the hemisphere HS is formed by the projection light PL.
  • the sensor 102 photoelectrically converts the projection light PL and outputs a signal (electrical signal) corresponding to the intensity of the light received by the sensor 102 .
  • the sensor 102 has multiple detection areas (see FIG. 2).
  • the natural light IL includes direct light from the sun and scattered light from the space of the hemisphere HS. Therefore, the projection light PL forming the planar projection image of the natural light IL includes a direct light component corresponding to the direct light of the sun and a scattered light component corresponding to the scattered light from the space of the hemisphere HS. .
  • FIG. 2 is a plan view showing a planar projection image in which the projection light PL is projected onto the light receiving surface RS of the sensor 102.
  • the light receiving surface RS is divided into detection areas R1, R2, R3 and R4.
  • the sensor 102 outputs signals according to the intensity of the projection light projected onto each of the detection regions R1, R2, R3, and R4.
  • each signal is a voltage signal having an amplitude value corresponding to the intensity of the projected light.
  • the direct light is shown as light projected onto the region DR of the detection region R1.
  • Scattered light is shown as light in area SC.
  • the area SC showing scattered light is the entire area across the detection areas R1, R2, R3, and R4.
  • the signal from the detection region R1 first becomes a signal corresponding to the intensity of the light component that is the sum of the direct light component of the direct light located in the region DR and the scattered light component of the surrounding scattered light.
  • the signal from the detection region R4 is a signal corresponding to the intensity of only the scattered light component. Therefore, the signal of the direct light component necessary for determining the presence or absence of sunshine can be obtained by subtracting the signal from the detection region R4 from the signal from the detection region R1 to remove the scattered light component. Then, it is possible to determine the presence or absence of sunshine based on the obtained signal of the direct light component. This is the same when the signals of the detection regions R2 and R3 are used instead of the detection region R4.
  • the presence or absence of sunshine can be determined by performing difference calculations of two signals from a plurality of detection regions for all combinations, and comparing the difference indicating the maximum value among the plurality of differences with a predetermined threshold value. .
  • a specific application example in line with this first determination principle will be described later in the first embodiment. Note that calculations for judging the presence or absence of sunshine according to the first measurement principle and the following second measurement principle are also collectively referred to as "difference calculation" in this specification.
  • the direct light is divided into the detection region R1 and the detection region R4 and projected.
  • the signal from the detection region R1 is a signal corresponding to the intensity of the light component that is the sum of half the direct light component and the scattered light component.
  • the signal from the detection region R4 is a signal corresponding to the intensity of only half of the direct light component and the scattered light component. Therefore, as a result of the difference calculation in which the signal from the detection region R4 is subtracted from the signal from the detection region R1, the difference is zero or a value close to zero. In other words, when the position of the sun straddles the boundary of the detection area, the signal of the direct light component cannot be obtained correctly.
  • Calculation of the direct light component is performed by the following procedures (a) to (g).
  • d is the direct light component of the total direct light.
  • the signals from the detection regions (detection regions R1+R4 and detection regions R2+R3 lined up in the x-axis direction in the example in FIG. 2) provided side by side in a predetermined first direction (the x-axis direction in the example in FIG. 2) and the detection areas provided side by side in the second direction (the y-axis direction in the example of FIG. 2) orthogonal to the first direction (in the example of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the sunshine meter 10 according to the first embodiment, showing a cut surface of the sunshine meter 10 along the central axis C.
  • the sunshine meter 10 includes a lens 101 , a sensor 102 , a housing 103 , a determination circuit 104 and a connector 105 .
  • 3 shows part of the natural light IL in FIG. 1 as the natural light L1 and part of the projection light PL as the projection light L2.
  • the lens and sensor referred to in the above description of the principle correspond to the lens 101 and sensor 102 in this embodiment, respectively.
  • the housing 103 is a cylindrical member centered on the central axis C.
  • the housing 103 is made of, for example, a metal material that is physically and chemically resistant when installed outdoors.
  • a housing 103 accommodates a lens 101, a sensor 102, and a determination circuit 104, which will be described later.
  • the housing 103 has a plurality of legs 1031 on its lower side in the negative z-axis direction.
  • the leg 1031 is a member capable of adjusting the inclination of the housing 103 with respect to the ground plane.
  • the lens 101 is housed in the housing 103 and provided on the upper side of the housing 103 in the z-axis direction.
  • Lens 101 has an entrance surface 1011 and an exit surface 1012 .
  • the lens 101 projects the natural light IL incident from the entrance surface 1011 onto the sensor 102 from the exit surface 1012 as projection light PL.
  • the lens 101 is provided in the housing 103 at a position capable of condensing light from the hemispherical sphere.
  • the lens 101 is protected from external deposits by a cover 1013 provided on the housing 103 .
  • the cover 1013 is a protective member made of a glass material or the like and having optical transparency to improve the cosine characteristics of the projection light PL.
  • the sensor 102 is provided below the lens 101 in the z-axis direction so as to face the exit surface 1012 .
  • the sensor 102 is provided on a sensor substrate 1021 connected to the housing 103 .
  • Sensor 102 is a photoelectric conversion sensor.
  • a semiconductor device is one of them.
  • the sensor 102 is a photodiode with multiple detection areas provided on the same plane. In sensor 102, individual sensing areas output individual signals. More specifically, sensor 102 is a photodiode with four sensing areas. Sensor 102 outputs signals from individual detection areas to the outside through wiring 1022 .
  • the signal here is, for example, a voltage signal having an amplitude value corresponding to the intensity of the received projection light.
  • the determination circuit 104 is provided below the sensor 102 in the z-axis direction in such a manner that the board on which the determination circuit 104 is mounted is connected to the housing 103 .
  • Determination circuit 104 is electrically connected to sensor 102 through wiring 1022 . Based on the signal from the sensor 102, the determination circuit 104 determines whether or not the intensity of the projection light PL is such that it can be determined to be sunlight. Details of the determination circuit 104 will be described later.
  • the determination circuit 104 outputs a determination signal indicating the result of determination through the wiring 1041 to the outside.
  • the wiring 1041 is connected to the connector 105 provided on the housing 103 .
  • a cable 106 is connected to the connector 105 . Through the cable 106, power supply to the sunshine meter 10, reading of measurement results by the sunshine meter 10, and writing of measurement settings by the sunshine meter 10 become possible.
  • the determination circuit 104 will be described with reference to FIG.
  • the determination circuit 104 has a memory circuit 201 , a signal processing circuit 202 , and a calculation circuit 203 .
  • the determination circuit 104 is implemented as a circuit within a microcomputer including a memory circuit 201 and a signal processing circuit 202 .
  • Calculation circuit 203 is a functional block implemented by a microcomputer executing a software program stored in storage circuit 201 .
  • the storage circuit 201 stores a software program for causing the microcomputer to execute the sunshine measurement method of the present invention, and also records various information used for signal processing by the determination circuit 104 .
  • a memory circuit 201 is a memory of a microcomputer.
  • the storage circuit 201 stores a program code that defines the processing by the calculation circuit 203 and various threshold values used to determine whether the projection light PL indicates sunlight. Information stored in the storage circuit 201 may be rewritable by an external device connected to the sunshine meter 10 through the cable 106 .
  • the signal processing circuit 202 is an A/D converter that converts an analog signal from the sensor 102 into a digital signal.
  • the calculation circuit 203 uses the digitally converted signal to perform difference calculation for determining whether or not the projection light PL indicates sunshine.
  • the calculation circuit 203 determines that the projection light PL indicates the sunshine, the calculation circuit 203 stores information indicating the sunshine in the storage circuit 201 . Calculation by the calculation circuit 203 will be described later.
  • the determination circuit 104 is connected to the power source 205 and the external device 206 .
  • the power supply 205 supplies power to the sunshine meter 10 including the determination circuit 104 .
  • the determination circuit 104 transmits the determination result by the determination circuit 104 and a signal indicating the sensor output to the external device 206 .
  • the external device 206 is, for example, a computer or data logger. If the external device 206 is a computer or a data logger capable of digital communication, the determination circuit 104 outputs a digital-converted signal to the external device 206 . Alternatively, if the external device 206 is a data logger capable of reading analog values, the determination circuit 104 outputs analog signals from the sensor 102 to the external device 206 .
  • the external device 206 can integrate the sunshine hours based on the determination result from the determination circuit 104 .
  • Fig. 5 is an example of a graph plotting the signals from each detection area for a day when the weather is fine.
  • Signal Q1 from detection region R1, signal Q2 from detection region R2, signal Q3 from detection region R3, and signal Q4 from detection region R4 are shown in FIG.
  • the signal Q1 from the detection region R1 is large, and the other signals Q2, Q3, Q4 are small. This indicates that the region DR2 is located on the detection region R1.
  • the signal Q1 includes both voltage components corresponding to direct light and scattered light, and Q2, Q3, and Q4 include voltage components corresponding to scattered light.
  • the signal Q1 decreases and the signal Q4 increases. This indicates that region DR2 is moving from detection region R1 to detection region R4. In the afternoon, the signal Q4 is high and the other signals Q1, Q3 and Q4 are low. This indicates that the region DR2 was completely located on the detection region R4.
  • FIG. 5 shows that the region DR2 moves and the movement is detected according to the movement of the sun. Also, before sunset, the signal Q3 rises slightly, indicating that the region DR2 overlaps the detection region R3.
  • a sunshine measurement method by the determination circuit 104 based on the signal from the sensor 102 will be described with reference to FIG.
  • the method is a procedure that is repeatedly executed while the sunshine meter 10 is operating.
  • the following calculation procedure is as described in detail in the description of the first measurement principle, and will be briefly described.
  • step S601 of FIG. 6 the signal processing circuit 202 acquires signals from each detection area of the sensor 102.
  • step S602 the calculation circuit 203 calculates the difference between the signals as a measured value.
  • the difference is calculated as an absolute value.
  • step S603 the calculation circuit 203 identifies the difference with the largest absolute value as the maximum difference from among the plurality of calculated differences.
  • step S604 the calculation circuit 203 determines whether or not the maximum value of the difference is greater than or equal to a predetermined threshold value stored in the storage circuit 201.
  • step S605 the calculation circuit 203 determines that there is sunshine at the time when the process is being executed.
  • step S606 the calculation circuit 203 determines that there is no sunshine at the time when the process is being executed.
  • the calculation circuit 203 outputs a determination signal based on the determination result.
  • FIG. 7 shows the case where the signals Q1, Q2, Q3, Q4 are (9.5, 0.7, 0.9, 0.8) and (0.2, 0.5, 0.3), respectively. , 0.4) (unit: mV).
  • step S602 the differences
  • are calculated respectively.
  • the maximum value of the difference is specified by the processing in step S603.
  • the determination result may change according to the threshold value.
  • FIG. 8 shows a curve V1 indicating the maximum difference calculated on a day different from the day on which the measurement in FIG. 5 was performed.
  • a curve E1 representing direct solar radiation intensity measured by a direct pyranometer mounted on the solar tracking device at the same time on the same day is also shown. From FIG. 8, it can be seen that the sunshine state can be appropriately measured even with the maximum value of the difference. Therefore, the sunshine meter 10 can appropriately determine the sunshine based on the maximum value of the difference.
  • step S604 the calculation circuit 203 considers the calibration value pre-stored in the storage circuit 201 when determining whether or not the maximum value of the difference is equal to or greater than the predetermined threshold value stored in the storage circuit 201. You may
  • each part of the sunshine meter 10 and each circuit of the determination circuit 104 are common to those of the first embodiment.
  • the second embodiment is different in that the difference calculation in the determination processing by the determination circuit 104 is performed by comparing the differences based on the signals from the four detection areas.
  • FIG. 9 shows a flowchart of the sunshine measurement method by the determination circuit 104 according to the second embodiment. The following calculation procedure is as described in detail in the description of the second measurement principle, and will be described briefly.
  • step S901 the calculation circuit 203 acquires a signal from each detection area.
  • step S902 the calculation circuit 203 calculates the sum of the signals from each detection area based on each signal.
  • step S903 the calculation circuit 203 normalizes and calculates the mutual difference between the totals.
  • the difference is calculated as an absolute value.
  • step S904 the calculation circuit 203 identifies the difference with the maximum absolute value as the determination difference.
  • step S905 the calculation circuit 203 determines whether the determination difference is greater than or equal to a predetermined threshold.
  • step S906 the calculation circuit 203 determines that there is sunshine at the time when the process is being executed.
  • step S907 the calculation circuit 203 determines that there is no sunshine at the time when the process is being executed.
  • the calculation circuit 203 outputs a determination signal based on the determination result.
  • each of the signals Q1, Q2, Q3, Q4 is (9.5, 0.7, 0.9, 0.8), (4.8, 0.5, 0.6, 4.8) ), (4.8, 4.8, 0.5, 0.6), (0.6, 4.8, 4.8, 0.5), (0.5, 0.6, 4.8 , 4.8), (0.2, 0.5, 0.3, 0.4).
  • step S902 the total value Q1+Q2 of the signals from the detection regions R1 and R2 and the total value Q3+Q4 of the signals from the detection regions R3 and R4 are calculated.
  • the total value Q1+Q4 of the signals from the detection regions R1 and R4 and the total value Q2+Q3 of the signals from the detection regions R2 and R3 are calculated as measured values.
  • step S903 the absolute value of the difference in the measurement values between the pair of detection regions R1 and R2 and the pair of detection regions R3 and R4 is normalized by the total value of Q1 to Q4. ⁇ 1 is calculated.
  • step S903 the absolute value of the difference between the signals from the pair of the detection regions R1 and R4 and the pair of the detection regions R2 and R3 is normalized by the total value of Q1 to Q4 to obtain the difference ⁇ 2. is calculated.
  • Each of the differences ⁇ 1 and ⁇ 2 is calculated by the following formula is calculated using
  • the large difference between the difference ⁇ 1 and the difference ⁇ 2 is specified as the judgment difference. That is, when ⁇ 1 ⁇ 2, ⁇ 1 is used as the determination difference, and when ⁇ 2> ⁇ 1, ⁇ 2 is used as the determination difference.
  • the sets of signals in the first and sixth columns of FIG. 10 are the same as the sets of signals according to the first embodiment shown in the first and second columns of FIG. It is shown that the sunshine meter 10 according to the second embodiment also appropriately determines the presence or absence of sunshine.
  • each of the pairs of signals in the second to fifth columns in FIG. 10 indicates that when the region DR2 is positioned between the detection regions R1 and R4, the region DR2 is between the detection regions R1 and R2.
  • the position in the middle corresponds to the case in which the region DR2 is positioned in the middle between the detection regions R2 and R3, and the case in which the region DR2 is positioned in the middle between the detection regions R3 and R4. In either case, it is appropriately determined that there is sunshine. Therefore, the sunshine meter 10 according to the second embodiment can appropriately determine the presence or absence of sunshine regardless of the direction in which the sunshine meter 10 is installed.
  • FIG. 11 shows a curve N1 indicating the determination difference calculated on the day when the measurement in FIG. 8 was performed.
  • a curve E1 representing the direct solar radiation intensity measured by the direct pyranometer mounted on the solar tracking device at the same time on the same day is shown.
  • the determination difference is 0.5 or more, it is determined that there is sunshine, and when the direct solar radiation intensity exceeds 120 W/m 2 , it is determined that there is sunshine.
  • FIG. 11 shows that the sunshine state can be appropriately measured even by the determination difference. That is, according to FIG.
  • the sunshine determination by the sunshine meter 10 according to the second embodiment is equivalent to the sunshine determination by a direct pyranometer mounted on a solar tracking device having a movable part and having a more complicated configuration than the sunshine meter 10. is shown to be Therefore, according to the sunshine meter 10 of the present embodiment, it has been clarified that the presence or absence of sunshine can be appropriately determined based on the determination difference without providing a movable part.
  • FIG. 12 shows the state of sunshine (A) determined based on the determination difference indicated by the curve N1 in FIG. 11 and the state of sunshine determined based on the direct solar radiation intensity indicated by the curve E1 in FIG. B) is shown. If the value on the vertical axis is 1, there is sunshine, and if it is 0, there is no sunshine. As shown in FIG. 12, in the sunshine meter 10 according to the second embodiment, the presence or absence of sunshine is appropriately determined in the same manner as the direct pyranometer mounted on the solar tracking device. In this case, the external device 206 calculates the time T1 as the sunshine duration.
  • FIG. 13 shows the state of sunshine (A) determined based on the determination difference on another day and the state of sunshine (B) determined based on the direct solar radiation intensity on the same day. In both cases, it is shown that the sun was hidden by clouds or the like for a certain period of time.
  • the sunshine meter 10 according to the second embodiment even when the sunshine is interrupted, the presence or absence of sunshine can be appropriately determined in the same manner as the direct pyranometer mounted on the solar tracking device. ing. In this case, the external device 206 calculates the sunshine duration as the total value of the times during which it is determined that there is sunshine.
  • the sunshine meter according to the third embodiment can calculate direct solar radiation intensity in addition to the determination of the presence or absence of sunshine described in the first and second embodiments.
  • the sunshine meter according to the third embodiment has the same structure as the sunshine meter 10 shown in FIG. different from
  • the determination circuit 104A has a storage circuit 201A, a signal processing circuit 202, and a calculation circuit 203A.
  • the determination circuit 104A is realized as a circuit within a microcomputer including a memory circuit 201A and a signal processing circuit 202.
  • FIG. Calculation circuit 203A is a functional block implemented by a microcomputer executing a software program stored in storage circuit 201A.
  • the storage circuit 201A stores a calibration value for calculating the direct solar radiation intensity.
  • the calculation circuit 203A in addition to the calculation performed by the calculation circuit 203, performs calculation for calculating the direct solar radiation intensity.
  • the calculation circuit 203A performs difference calculation based on the second measurement principle described above to calculate the first difference and the second difference.
  • the calculation circuit 203A sets the difference having the larger absolute value as the determination difference D between the first difference and the second difference.
  • the determination difference D may be a normalized value like the differences ⁇ 1 and ⁇ 2 in the second embodiment, or may be a non-normalized value. Here, it is assumed that the determination difference D is not normalized.
  • the calculation circuit 203A calculates the determination difference D by performing the same processing as the processing from steps S901 to S904 in FIG.
  • the calculation circuit 203A uses the following calculation formula Calculate the direct solar radiation intensity.
  • ⁇ is the solar elevation angle (°).
  • the calculation circuit 203A calculates the solar altitude angle ⁇ based on the latitude and longitude of the location where the sunshine meter is installed and the time of the ground location.
  • ⁇ 1 to ⁇ n are coefficients in each order when the angular characteristics of the lens 103 are measured and the output value of the sensor 102 with respect to the angle is polynomial approximation.
  • k is the sensitivity constant and its dimension is [W/m 2 ].
  • the coefficients ⁇ 1 to ⁇ n and the sensitivity constant k are stored in the storage circuit 201A as calibration values.
  • the sensitivity constant k is, for example, the direct solar radiation intensity ⁇ calculated using the direct pyranometer mounted on the solar tracking device, the determination difference D calculated by the solar pyranometer according to the present embodiment, and the solar altitude angle ⁇ and using the coefficients ⁇ 1 to ⁇ n calculated as
  • FIG. 15 shows a curve E2 showing the direct solar radiation intensity calculated by the calculation circuit 203A based on the determination difference D, the solar altitude angle ⁇ , the coefficients ⁇ 1 to ⁇ n , and the sensitivity constant k on a certain date and time, and shows a curve E3 representing the direct solar radiation intensity measured by the direct pyranometer mounted on the solar tracking device.
  • the direct solar radiation intensity calculated by the sunshine meter 10 according to the third embodiment can be calculated by using a solar tracking device having a more complicated configuration than the sunshine meter 10 of the third embodiment by including a movable part. It is shown to be equivalent to the direct solar radiation intensity calculated by the on-board pyranometer. Therefore, according to the sunshine meter 10 of 3rd Embodiment, it became clear that calculation of the direct solar radiation intensity based on the determination difference could be performed appropriately, without providing a movable part.
  • the sensor 102 whose light receiving surface RS is divided into detection areas R1, R2, R3, and R4 may receive direct light at the boundaries of the detection areas.
  • the boundaries of each detection area are dead areas where there are no elements of the sensor 102 .
  • the dead area is, for example, a rectangular area having a width of about several ⁇ m to 100 ⁇ m. Direct light and scattered light are not detected at the boundary of each detection area. Therefore, when the direct light is incident on the boundary of each detection area, it may become difficult to detect the direct light.
  • a sunshine meter that enables detection of a direct light component even when the sensor 102 has a dead area will be described.
  • the sunshine meter according to this modified example solves the problem of the dead area by causing the image formed on the sensor 102 to be blurred by direct light incident on the sensor 102 .
  • An example of a sunshine meter concept that can blur the image on the sensor 102 is shown in FIG.
  • FIG. 16 is a schematic side view of the lens, sensor, and diffusion plate according to this modified example. Similar to FIG. 1, FIG. 16 shows a situation in which natural light IL, which is sunlight, is incident on the lens 101 from the hemispherical sphere HS, and projection light PL is emitted from the lens 101 to the sensor 102.
  • a diffusion plate 1601 is provided between the lens 101 and the sensor 102 .
  • the diffusion plate 1601 scatters the projection light PL when transmitting the light from the lens 101 .
  • the scattered projection light PL is projected onto the sensor 102 by the diffusion plate 1601 .
  • the image formed by the direct light on the sensor 102 can be blurred. This prevents the direct light from reaching only the dead area of the sensor 102 and allows the direct light to be detected by the elements of the sensor 102 . Therefore, even if the sensor 102 has a dead area, the direct light component can be detected.
  • the configuration for blurring the image formed on the sensor 102 by direct light is not limited to the method of using a diffusion plate.
  • the image on the sensor 102 can be blurred if the cover 1013 is made of frosted glass that diffuses light instead of clear glass.
  • the image on the sensor 102 can be blurred even if the entrance surface 1011 or the exit surface 1012 of the lens 101 is made of frosted glass.
  • the image on the sensor 102 can be blurred.
  • an optical instrument such as a sunshine meter, it is often important that the light reaches the sensor in a straight line by correctly setting the sensor at the focal length of the lens. Contrary to such common technical knowledge, this modified example solves the problem related to the dead area by changing the idea of intentionally adopting a configuration that blurs the image.
  • a configuration for solving the problem related to the dead area will be described. For example, by arranging a reflecting member such as a mirror that reflects light or a refracting member that refracts light in the dead region, the direction of light that reaches the dead region can be adjusted so that it travels toward the light receiving region of the sensor 102. can be done. According to this configuration, it is possible to prevent light from reaching the dead area, thereby solving the problem related to the dead area.
  • the sunshine meter 10 can be configured to be eccentrically driven by a drive device or the like, and the sunshine meter 10 can be moved so that light does not reach the dead area, thereby solving the problem related to the dead area.
  • the problem related to the dead area can be solved by performing calculations so as to reduce the influence of the dead area according to the output of the sensor 102 when light reaches the dead area.

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Abstract

可動部を有さず、計測のための調整が簡便である日照計を提供する。日照計（１０）は、半天球から入射する自然光を投影光として射出するレンズ（１０１）と、受光面に投影された投影光を光電変換して出力するセンサ（１０２）と、センサ（１０２）の出力に基づいて日照の有無を判定する判定回路（１０４）と、を有し、センサ（１０２）は、受光面に複数の検出領域を有し、各検出領域に入射した投影光の強さに対応した信号を出力するように構成されており、判定回路（１０４）は、各検出領域から出力された信号の差異演算に基づいて、投影光に含まれる散乱光成分を取り除き、太陽光が入射する場合に投影光に含まれることになる直達光成分のみを取り出すことにより、自然光における日照の有無を判定する。

Description

日照計及び日照計測方法
　本発明は、日照計及び日照計測方法に関する。
　地表への太陽光の照射を計測するために、日照計という計測装置が用いられる。日照計の種類としては、回転式日照計や光電式日照計などがある。また、太陽追尾装置に直達日射計を搭載して、日照を計測することもできる。昼間に半天球から届く自然光には、太陽光が大気を通過して地表に直接照射される直達光と、太陽光が大気中で散乱されて地表に照射される散乱光とが含まれる。日照計は、このうち、直達光の強度に基づいて日照の有無を判定する。例えば、直達光に対応する直達日射強度に対して所定の閾値が設けられており、当該閾値を上回る直達日射強度が日照計に入力された場合、日照計は、「日照」があると判定する信号を出力する。世界気象機関による定義によれば、直達日射強度（太陽を中心とした半角2.5度の視野からの日射）が１２０Ｗ／ｍ2を超えた時間を日照時間としている。実際の運用においては、直達日射強度が１２０Ｗ／ｍ2以上になる時間を日照時間としている。
　直達光及び散乱光の測定精度を高めることによって、日照の有無の判定を精度よく行うことができる。例えば、特許文献１には、散乱光が不規則に変化した場合であっても直達光及び散乱光の測定誤差を軽減する日照計が示される。特許文献１に記載の日照計（計測装置）では、円筒状のガラス内に、第１のスリットを通じて入射する光を検知する熱電対と第２のスリットを通じて入射する光を検知する熱電対とが設けられる。この日照計には、２つの熱電対の一方に直達光が入射するように第１のスリット及び第２のスリットが設けられ、散乱光に阻害されずに直達光のみを検出することが可能である。
特開２００５－７７２１５号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の日照計では、ガラスやスリットの加工が必要であり、計測に用いるセンサが複数必要であることから装置が複雑となる。また、特許文献１に記載の日照計を含む他の従来の日照計においては、日照計の設置場所の緯度に応じて、日照計の設置角度を設定し、さらには方角を調整する必要があった。また、他の従来の日照計においては、季節ごとに変化する太陽の位置の変化（赤緯変化）によって、直達光の強度計測において計測誤差が生じることがある。また、太陽追尾装置に直達日射計を搭載する手法による日照の計測は、機器の数も多く費用もかかり、大掛かりなシステムとなる。また、回転式日照計では、ガラス管の中で回転する金属ミラーからの反射をとらえるため、可動部が必要であり、構成が複雑となる。このように、設置の際に調整が必要であることは容易な測定を妨げる。また、日照計に追加の部品としての可動部が必要であることは日照計の耐久性を低下させ得る。
　そこで、本発明は、可動部を有さず、計測のための調整が簡便である日照計を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る日照計は、半天球から入射する自然光を投影光として射出するレンズと、受光面に投影された投影光を光電変換して出力するセンサと、センサの出力に基づいて日照の有無を判定する判定回路と、を有し、センサは、受光面に複数の検出領域を有し、各検出領域に入射した投影光の強さに対応した信号を出力するように構成されており、判定回路は、各検出領域から出力された信号の差異演算に基づいて、投影光に含まれる散乱光成分を取り除き、太陽光が入射する場合に投影光に含まれることになる直達光成分のみを取り出すことにより、自然光における日照の有無を判定する。
　この態様によれば、半天球全体からの光が全て投影光としてセンサの受光面に投影されるので、自然光に含まれる直達光と散乱光が全てセンサによって検出される。そして、判定回路は、各検出領域から出力された信号の差異演算をするので、投影光に含まれる散乱光成分が取り除かれ、直達光成分のみが取り出される。したがって、本態様に係る日照計によれば半天球上における太陽の位置の変化に影響されることなく日照の有無が判定可能であり、可動部が不要である。また、日照計が設置される位置の緯度に応じて日照計の姿勢を調整する必要がない。さらには、赤緯変化によって生じる直達光の強度計測における計測誤差を抑制することができる。したがって、本態様に係る日照計は、可動部を有さず、計測のための調整が簡便な日照計である。
　また、判定回路は、各検出領域から出力された信号の差分の最大値が、所定の閾値を満たす場合に、日照が有るものと判定してもよい。この態様では、複数の差分がある場合であっても、日照の有無の判断においては最大値を用いることで、判断が適切に行われる。
　また、上記態様において、センサは、４つの検出領域を有し、判定回路は、所定の第１方向に並んで設けられる検出領域からの信号の合計と、第１方向に直交する第２方向に並んで設けられる検出領域からの信号の合計と、の差分を相互に比較して、日照の有無を判定してもよい。
　この態様によれば、例えば、センサが２つのみの検出領域を有する場合と比較して、直達光が検出領域の間に位置する場合であっても、信号の差分を相互に比較して、直達光成分に基づく日照の有無の判定を行うことができる。
　また、判定回路は、日照の有無を示す判定信号を出力してもよい。この態様によれば、外部装置が、日照計を用いて日照の記録を行うようにできる。
　また、判定回路は、所定の校正値をさらに参照して、日照の有無を判定してもよい。この態様によれば、日照計の環境に応じた校正値を含めて日照の有無を判定することができるので、日照の有無の判定をより精度よく行うことができる。
　本発明の他の態様に係る日照計測方法は、半天球から入射する自然光を投影光として射出するステップと、投影光の受光面における複数の検出領域に入射した投影光の強さに対応した信号をそれぞれ出力するステップと、各検出領域から出力された信号の差異演算に基づいて、投影光に含まれる散乱光成分を取り除き、太陽光が入射する場合に投影光に含まれることになる直達光成分のみを取り出すことにより、自然光における日照の有無を判定するステップと、を備える。
　本発明によれば、可動部を有さず、計測のための調整が簡便である日照計を提供することができる。
日照計による計測の原理を説明する模式図である。 日照計による計測の原理を、日照およびその時間経過による移動を示して説明する模式図である。 第１実施形態に係る日照計の断面図である。 第１実施形態に係る判定回路を説明するブロック図である。 第１実施形態に係るセンサにおける信号を示す図である。 第１実施形態に係る判定回路における処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態に係る判定回路における処理を説明する図である。 第１実施形態に係る判定回路による処理の結果を説明する図である。 第２実施形態に係る判定回路における処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態に係る判定回路における処理を説明する図である。 第２実施形態に係る判定回路による処理の結果を説明する図である。 第２実施形態に係る判定回路による日照の有無の判定結果を説明する図である。 第２実施形態に係る判定回路による日照の有無の他の判定結果を説明する図である。 第３実施形態に係る判定回路を説明するブロック図である。 第３実施形態に係る判定回路により算出された直達日射強度を説明する図である。 変形例に係る日照計による計測を説明する模式図である。
　添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
　（原理説明）
　まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る日照計による日照の有無の第１の判定原理について説明する。図１は、本発明に係るレンズ及びセンサを側面から模式的に示した図である。図１には、レンズ１０１に対して半天球ＨＳから太陽光である自然光ＩＬが入射し、レンズ１０１からセンサ１０２に対して投影光ＰＬが射出される状況が示されている。
　レンズ１０１は、自然光ＩＬが、図１に示すｚ軸方向下側（以降の説明において、ｘ－ｙ－ｚ各軸の正の方向を「上側」と称し、各軸の負の方向を「下側」と称する。）に、ｚ軸に沿う投影光ＰＬとして照射されるように、自然光ＩＬを屈折させる対物レンズである。レンズ１０１は、広角の入射角を有する凸レンズ、例えば、魚眼レンズである。レンズ１０１は、複数のレンズなどで構成されていてもよい。レンズ１０１は、半天球ＨＳを観測可能に、半天球ＨＳからの光を集光可能に構成された光学素子である。半天球ＨＳから入射した自然光ＩＬは、レンズ１０１により平行光線に変換され、投影光ＰＬとしてセンサ１０２の受光面に投影される。すなわち、センサ１０２の受光面には、投影光ＰＬにより半天球ＨＳの平面投影像が形成される。センサ１０２は、投影光ＰＬに対して光電変換を行い、センサ１０２が受光した光の強さに応じた信号（電気信号）を出力する。センサ１０２は、複数の検出領域を有する（図２参照）。
　自然光ＩＬには、太陽からの直達光と半天球ＨＳの空間からの散乱光とが含まれる。したがって、自然光ＩＬの平面投影像を形成する投影光ＰＬには、太陽の直達光に対応する直達光成分と半天球ＨＳの空間からの散乱光に対応する散乱光成分とが含まれることになる。
　図２は、投影光ＰＬがセンサ１０２の受光面ＲＳに投影された平面投影像を示す平面図である。受光面ＲＳは、検出領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，及びＲ４に分割されている。センサ１０２は、検出領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，及びＲ４それぞれに投影される投影光の強度に応じて、それぞれ信号を出力する。例えば、各信号は投影される光の強度に対応する振幅値を有する電圧信号である。図２において、直達光は、検出領域Ｒ１の領域ＤＲに投影される光として示されている。散乱光は、領域ＳＣにおける光として示されている。散乱光を示す領域ＳＣは、検出領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，及びＲ４に跨った全領域である。
　時刻の経過に伴って太陽が移動すると、これに伴って、受光面ＲＳに形成される平面投影像において、直達光が領域ＤＲから、図２の破線に沿って矢印の向きに受光面ＲＳを移動する。
　図２において、最初、検出領域Ｒ１からの信号は、領域ＤＲに位置する直達光による直達光成分とその周辺の散乱光による散乱光成分とを合わせた光成分の強度に対応した信号となる。また、検出領域Ｒ４からの信号は、散乱光成分のみの強度に対応した信号となる。よって、日照の有無の判定に必要な直達光成分の信号は、検出領域Ｒ１からの信号から、検出領域Ｒ４からの信号を差し引く差分演算により、散乱光成分を取り除くことで得ることができる。そして、得られた直達光成分の信号に基づいて、日照の有無の判定を行うことができる。これは、検出領域Ｒ４に代えて、検出領域Ｒ２やＲ３の信号を用いた場合も同じである。したがって、複数の検出領域から２つの信号の差分演算を全ての組み合わせについて行い、複数の差分のうち最大値を示す差分について、所定の閾値と比較することにより、日照の有無を判定することができる。差分が最大値を示しているということは、その差分演算の対象となった検出領域のいずれかに最も光量の強い直達光成分が含まれていることを意味するからである。この第１の判定原理に沿った具体的な適応例を第１実施形態で後述する。なお、上記第１の測定原理及び次の第２の測定原理に沿った日照の有無を判定するための演算を総称して、本明細書では「差異演算」とも称する。
　ところで、太陽が移動して、受光面ＲＳに投影される直達光が図２の領域ＤＲ２に示される位置に投影されるようになったものとする。この場合、直達光は、検出領域Ｒ１と検出領域Ｒ４とに２分割されて投影されてしまう。このような直達光の位置では、検出領域Ｒ１からの信号は、半分の直達光成分と散乱光成分とを合わせた光成分の強度に応じた信号となる。また、検出領域Ｒ４からの信号は、半分の直達光成分と散乱光成分のみの強度に応じた信号となる。したがって、検出領域Ｒ１からの信号から、検出領域Ｒ４からの信号を差し引く差分演算の結果は、差分がゼロ又はゼロに近い値となる。つまり太陽の位置が検出領域の境界に跨っているような場合には、正しく直達光成分の信号を得ることができない。
　そこで、第２の測定原理として、複数の検出領域からの信号の差分を相互に比較して、直達光成分に基づく日照の有無の判定を行う。以下、差異演算の詳細について説明する。
ここでは、検出領域Ｒｘ（ｘは１～４のいずれか）からの信号をＱｘとし、信号を、直達光成分Ｄｘと散乱光成分Ｓｘに分解して、Ｑｘ＝Ｄｘ＋Ｓｘとして考える。直達光成分の算出は以下の手順（ａ）～（ｇ）で行われる。
　（ａ）検出領域Ｒ１からの信号Ｑ１と検出領域Ｒ４からの信号Ｑ４とを合計し、信号Ｑ１＋Ｑ４（＝Ｄ１＋Ｄ４＋Ｓ１＋Ｓ４）を算出する。
　（ｂ）検出領域Ｒ２からの信号Ｑ２と検出領域Ｒ３からの信号Ｑ３とを合計し、信号Ｑ２＋Ｑ３（＝Ｄ２＋Ｄ３＋Ｓ２＋Ｓ３）を算出する。
　（ｃ）信号Ｑ１＋Ｑ４と信号Ｑ２＋Ｑ３との第１差分を絶対値として算出する。
　（ｄ）検出領域Ｒ１からの信号Ｑ１と検出領域Ｒ２からの信号Ｑ２とを合計し、信号Ｑ１＋Ｑ２（＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｓ１＋Ｓ２）を算出する。
　（ｅ）検出領域Ｒ３からの信号Ｑ３と検出領域Ｒ４からの信号Ｑ４とを合計し、信号Ｑ３＋Ｑ４（＝Ｄ３＋Ｄ４＋Ｓ３＋Ｓ４）を算出する。
　（ｆ）信号Ｑ１＋Ｑ２と信号Ｑ３＋Ｑ４との第２差分を絶対値として算出する。
　（ｇ）第１差分と第２差分のうち、絶対値が大きい差分を判定差分とし、判定差分が所定の閾値以上であるかに基づいて、日照の有無の判定を行う。
　例えば、快晴時の条件下で、図２の領域ＤＲ２に示される位置に直達光が投影される場合、直達光成分はＤ１＝Ｄ４＝ｄ／２であり、直達光成分はＤ２＝Ｄ３＝０である。ここでｄは、直達光全体による直達光成分である。また、散乱光成分はＳ１＝Ｓ２＝Ｓ３＝Ｓ４＝ｓである。
　このとき、手順（ｃ）による第１差分は、Ｄ１＋Ｄ４＝ｄである。また、手順（ｆ）による第２差分は、Ｄ１－Ｄ４＝０である。よって、判定差分はｄとなり、直達光全体による直達光成分に基づいて日照の判定を行うことが可能となる。言い換えれば、所定の第１方向（図２の例ではｘ軸方向）に並んで設けられる検出領域（図２の例では、ｘ軸方向に並ぶ検出領域Ｒ１＋Ｒ４、及び、検出領域Ｒ２＋Ｒ３）からの信号の合計と、第１方向に直交する第２方向（図２の例ではｙ軸方向）に並んで設けられる検出領域（図２の例では、ｙ軸方向に並ぶ検出領域Ｒ１＋Ｒ２、及び、検出領域Ｒ４＋Ｒ３）からの信号の合計と、の差分を相互に比較すれば、どのような位置に直達光が投影されていたとしても、日照の有無を正しく判定できるのである。以上の第２の測定原理に沿った適用例を第２実施形態において後述する。
　（第１実施形態）
　以下、上記第１の測定原理に基づいた第１実施形態について説明する。図３には、第１実施形態に係る日照計１０の断面図であって、中心軸Ｃに沿って日照計１０を切断した面が示される。日照計１０は、レンズ１０１、センサ１０２、筐体１０３、判定回路１０４、及びコネクタ１０５を備える。また、図３では、図１における自然光ＩＬの一部が自然光Ｌ１、投影光ＰＬの一部が投影光Ｌ２として示されている。上記原理説明で参照したレンズ及びセンサは、本実施形態におけるレンズ１０１及びセンサ１０２にそれぞれ相当する。
　筐体１０３は、中心軸Ｃを軸心とする円筒状の部材である。筐体１０３は例えば、野外に設置された場合に物理的・化学的耐性のある材料、金属材料によって形成される。筐体１０３に後述のレンズ１０１、センサ１０２、及び判定回路１０４が収容される。筐体１０３は、負のｚ軸方向下側に、複数の脚１０３１を有する。脚１０３１は、筐体１０３の接地面に対する傾きを調整可能な部材である。
　レンズ１０１は、筐体１０３のｚ軸方向上側に、筐体１０３に収容されて設けられる。レンズ１０１は、入射面１０１１及び出射面１０１２を有する。レンズ１０１は、入射面１０１１から入射する自然光ＩＬを、出射面１０１２から投影光ＰＬとしてセンサ１０２へ投影する。レンズ１０１は、筐体１０３において、半天球からの光を集光可能な位置に設けられる。レンズ１０１は、筐体１０３に設けられるカバー１０１３によって、外部の付着物から保護される。また、カバー１０１３は、ガラス材等で形成され、投影光ＰＬのｃｏｓ（余弦）特性を良好にする光透過性を有する保護部材である。
　センサ１０２は、レンズ１０１よりｚ軸方向下側に、出射面１０１２に対向して設けられる。センサ１０２は、筐体１０３に接続されるセンサ基板１０２１上に設けられる。センサ１０２は、光電変換センサである。例えば、半導体素子もその一つである。例えば、センサ１０２は同一面に設けられる複数の検出領域を有するフォトダイオードである。センサ１０２では、個々の検出領域が個々の信号を出力する。より具体的には、センサ１０２は４つの検出領域を有するフォトダイオードである。センサ１０２は、配線１０２２を通じて、個々の検出領域からの信号を外部に出力する。ここでの信号は、例えば、受光した投影光の強度に対応した振幅値を有する電圧信号である。
　判定回路１０４は、当該判定回路１０４を搭載する基板が筐体１０３に接続された態様にて、センサ１０２よりｚ軸方向下側に設けられる。判定回路１０４は、配線１０２２を通じてセンサ１０２と電気的に接続される。判定回路１０４は、センサ１０２からの信号に基づいて、投影光ＰＬが日照であると判断しうる光の強度であるか否かを判定する。判定回路１０４の詳細については後述する。
　判定回路１０４は、配線１０４１を通じて判定した結果を示す判定信号を外部に出力する。配線１０４１は筐体１０３に設けられるコネクタ１０５に接続される。コネクタ１０５には、ケーブル１０６が接続される。ケーブル１０６を通じて、日照計１０への電源供給、日照計１０による計測結果の読み出し、日照計１０による計測設定の書き込みが可能となる。
　図４を参照して、判定回路１０４について説明する。判定回路１０４は、記憶回路２０１、信号処理回路２０２、及び算出回路２０３を有する。判定回路１０４は、記憶回路２０１、信号処理回路２０２を含むマイクロコンピュータ内の回路として実現される。算出回路２０３は、マイクロコンピュータが記憶回路２０１に記憶されたソフトウェアプログラムを実行することにより実現される機能的ブロックである。
　記憶回路２０１は、上記マイクロコンピュータに本発明の日照計測方法を実行させるためのソフトウェアプログラムを記憶するほか、判定回路１０４による信号処理に用いられる各種の情報を記録する。記憶回路２０１は、マイクロコンピュータのメモリである。記憶回路２０１には、算出回路２０３による処理を規定するプログラムコードや、投影光ＰＬが日照を示すか否かの判定に用いられる各種の閾値が記憶される。記憶回路２０１に記憶される情報は、ケーブル１０６を通じて日照計１０に接続される外部の機器によって書き換え可能とされていてもよい。
　信号処理回路２０２は、センサ１０２からのアナログ信号としての信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータである。
　算出回路２０３は、デジタル変換された信号を用いて、投影光ＰＬが日照を示すか否かを判定するための差異演算を行う。算出回路２０３は、投影光ＰＬが日照を示すと判定した場合、日照を示す旨の情報を記憶回路２０１に記憶する。算出回路２０３による演算については後述する。
　判定回路１０４は、電源２０５及び外部機器２０６に接続される。電源２０５は、判定回路１０４を含む日照計１０に電源を供給する。判定回路１０４は、判定回路１０４による判定結果、及びセンサ出力を示す信号を外部機器２０６に送信する。外部機器２０６は、例えば、コンピュータやデータロガーである。外部機器２０６がコンピュータあるいはデジタル通信が可能なデータロガーの場合、判定回路１０４は、デジタル変換された信号を外部機器２０６に出力する。あるいは、外部機器２０６がアナログ値を読み取り可能なデータロガーである場合、判定回路１０４はセンサ１０２からのアナログ信号を外部機器２０６に出力する。外部機器２０６は、判定回路１０４からの判定結果に基づいて日照時間を積算することができる。
　図５は、天候が晴れのときに、一日の各検出領域からの信号をプロットしたグラフ例である。図５には、検出領域Ｒ１からの信号Ｑ１、検出領域Ｒ２からの信号Ｑ２、検出領域Ｒ３からのＱ３、及び検出領域Ｒ４からの信号Ｑ４がそれぞれ示される。
　午前中において検出領域Ｒ１からの信号Ｑ１が大きく、他の信号Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は小さい。これは、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ１上に位置することを示す。このとき、信号Ｑ１には、直達光及び散乱光に対応する電圧成分がともに含まれ、Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４には、散乱光に対応する電圧成分が含まれる。
　時刻の経過に伴い、信号Ｑ１が減少し、信号Ｑ４が増加する。これは、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ１上から検出領域Ｒ４上に移動しつつあることを示す。午後になると、信号Ｑ４が大きく、他の信号Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４は小さい状態となる。これは、領域ＤＲ２が完全に検出領域Ｒ４上に位置したことを示す。図５から、太陽の移動に応じて、領域ＤＲ２が移動し、その移動が検出されていることが示される。また、日没前に、信号Ｑ３が少し上昇することから、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ３上にかかっていることも示される。
　図６を参照して、センサ１０２からの信号に基づく、判定回路１０４による日照計測方法について説明する。当該方法は、日照計１０が動作している間、繰り返し実行される処理手順である。以下の演算手順は、上記第１の測定原理の説明において詳述したとおりであり、簡単に説明する。
　図６のステップＳ６０１において、信号処理回路２０２は、センサ１０２の各検出領域からの信号を取得する。
　ステップＳ６０２において、算出回路２０３は、信号どうしの差分を計測値として算出する。差分は絶対値として算出される。
　ステップＳ６０３において、算出回路２０３は、算出された複数の差分の中から、その絶対値が最も大きい差分を差分の最大値として特定する。
　ステップＳ６０４において、算出回路２０３は、差分の最大値が、記憶回路２０１に記憶された所定の閾値以上であるか否かを判定する。
　ステップＳ６０４にて肯定判断された場合、ステップＳ６０５において、算出回路２０３は、処理が実行されている時刻において、日照があると判定する。
　ステップＳ６０４にて否定判断された場合、ステップＳ６０６において、算出回路２０３は、処理が実行されている時刻において、日照がないと判定する。
　ステップＳ６０７において、算出回路２０３は、判定結果に基づいて、判定信号を出力する。
　図７を参照して、処理の具体例について説明する。図７には、信号Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のそれぞれが、（９．５，０．７，０．９，０．８）である場合及び（０．２，０．５，０．３，０．４）である場合（単位はｍＶ）が例示される。
　ステップＳ６０２における処理によって、差分｜Ｑ１－Ｑ２｜，｜Ｑ１－Ｑ３｜，｜Ｑ１－Ｑ４｜，｜Ｑ２－Ｑ３｜，｜Ｑ２－Ｑ４｜，及び｜Ｑ３－Ｑ４｜がそれぞれ算出される。
　ステップＳ６０３における処理によって、差分の最大値が特定される。ステップＳ６０４からＳ６０６までの処理によって、差分の最大値が、閾値以上である場合は、日照ありと判断され、閾値以下である場合は日照なしと判断される。ここでは、例示的に日照ありと判断される場合と日照なしと判断される場合が示されるが、判定結果は閾値に応じて変わり得る。
　図８には、図５の計測が行われた日とは異なる日に算出された差分の最大値を示す曲線Ｖ１が示される。比較例として、同日同時刻に太陽追尾装置に搭載した直達日射計によって計測された直達日射強度を示す曲線Ｅ１も示されている。図８から、差分の最大値によっても、日照の状態を適切に計測できていることがわかる。よって、日照計１０は差分の最大値に基づく日照の判定を適切に行うことができる。
　なお、ステップＳ６０４において、算出回路２０３は、差分の最大値が、記憶回路２０１に記憶された所定の閾値以上であるか否かを判定するにあたって、記憶回路２０１に予め記憶された校正値を考慮してもよい。
　（第２実施形態）
　次に、上記第２の測定原理に基づいた第２実施形態について説明する。第２実施形態では第１実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第２実施形態では、日照計１０の各部及び判定回路１０４の各回路は第１実施形態と共通する。第２実施形態では、判定回路１０４による判定処理における差異演算が、４つの検出領域からの信号に基づく差分を相互に比較して行われる点で異なる。
　図９には、第２実施形態に係る判定回路１０４による日照計測方法のフローチャートが示される。以下の演算手順は、上記第２の測定原理の説明において詳述したとおりであり、簡単に説明する。
　ステップＳ９０１において、算出回路２０３は、各検出領域から信号を取得する。
　ステップＳ９０２において、算出回路２０３は、各信号に基づいて、各検出領域からの信号の合計を算出する。
　ステップＳ９０３において、算出回路２０３は、合計間の相互の差分を正規化して算出する。差分は絶対値として算出される。
　ステップＳ９０４において、算出回路２０３は、その絶対値が最大となる差分を判定差分として特定する。
　ステップＳ９０５において、算出回路２０３は、判定差分が、所定の閾値以上であるか否かを判定する。
　ステップＳ９０５にて肯定判断された場合、ステップＳ９０６において、算出回路２０３は、処理が実行されている時刻において、日照があると判定する。
　ステップＳ９０５にて否定判断された場合、ステップＳ９０７において、算出回路２０３は、処理が実行されている時刻において、日照がないと判定する。
　ステップＳ９０８において、算出回路２０３は、判定結果に基づいて、判定信号を出力する。
　図１０を参照して、処理の具体例について説明する。図１０では、信号Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のそれぞれが、（９．５，０．７，０．９，０．８）、（４．８，０．５，０．６，４．８）、（４．８，４．８，０．５，０．６）、（０．６，４．８，４．８，０．５）、（０．５，０．６，４．８，４．８）、（０．２，０．５，０．３，０．４）である場合が例示される。
　ステップＳ９０２における処理によって、検出領域Ｒ１及び検出領域Ｒ２からの信号の合計値Ｑ１＋Ｑ２及び検出領域Ｒ３及び検出領域Ｒ４からの信号の合計値Ｑ３＋Ｑ４が算出される。ステップＳ９０２における処理によって、検出領域Ｒ１及び検出領域Ｒ４からの信号の合計値Ｑ１＋Ｑ４及び検出領域Ｒ２及び検出領域Ｒ３からの信号の合計値Ｑ２＋Ｑ３がそれぞれ計測値として算出される。
　ステップＳ９０３における処理によって、検出領域Ｒ１及び検出領域Ｒ２の組と検出領域Ｒ３及び検出領域Ｒ４の組とのそれぞれの計測値の差分の絶対値が、Ｑ１からＱ４の合計値によって正規化されて差分Δ１が算出される。ステップＳ９０３における処理によって、検出領域Ｒ１及び検出領域Ｒ４の組と検出領域Ｒ２及び検出領域Ｒ３の組とのそれぞれからの信号の差分の絶対値がＱ１からＱ４の合計値によって正規化されて差分Δ２が算出される。差分Δ１，Δ２のそれぞれは、以下の計算式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 を用いて計算される。
　ステップＳ９０４における処理によって、差分Δ１及び差分Δ２のその大きい差分が判定差分として特定される。すなわち、Δ１≧Δ２のときは、Δ１が判定差分とされ、Δ２＞Δ１のときは、Δ２が判定差分とされる。
　ステップＳ９０５からＳ９０７までの処理によって、差分の最大値が、閾値（０．５）以上である場合は、日照ありと判断され、閾値以下である場合は日照なしと判断される。
なお、ここでの閾値はあくまでも例示であり、閾値は環境に応じて適切に設定され得る。
　図１０の１列目及び６列目の信号の組は、図６の１列目及び２列目に示される第１実施形態に係る信号の組と同じである。第２実施形態に係る日照計１０においても、適切に日照の有無の判定が行われていることが示される。
　また、図１０の２列目から５列目の信号の組のそれぞれは、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ１と検出領域Ｒ４との中間に位置する場合、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ１と検出領域Ｒ２との中間に位置する場合、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ２と検出領域Ｒ３との中間に位置する場合、領域ＤＲ２が検出領域Ｒ３と検出領域Ｒ４との中間に位置する場合のそれぞれに対応する。いずれの場合でも日照ありと適切に判定されている。よって、第２実施形態に係る日照計１０は、日照計１０が設置される方角によらず日照の有無を適切に判定することができる。
　図１１には、図８の計測が行われた日に算出された判定差分を示す曲線Ｎ１が示される。比較例として、同日同時刻に太陽追尾装置に搭載した直達日射計によって計測された直達日射強度を示す曲線Ｅ１が示される。図１１では、判定差分が、０．５以上である場合は日照あり、直達日射強度が１２０Ｗ／ｍ2を超えた場合は日照ありと判断される。図１１により、判定差分によっても、日照の状態を適切に計測できていることが示される。つまり、図１１により、第２実施形態に係る日照計１０による日照の判定は、可動部を有する、日照計１０より複雑な構成である太陽追尾装置に搭載した直達日射計による日照の判定と同等であることが示される。よって、本実施形態の日照計１０によれば、判定差分に基づく日照の有無の判定も、可動部を設けることなく、適切に行うことができることが明らかにされた。
　図１２には、図１１の曲線Ｎ１により示される判定差分に基づいて判定された日照の状態（Ａ）と、図１１の曲線Ｅ１により示される直達日射強度に基づいて判定された日照の状態（Ｂ）とが示される。縦軸の値が、１の場合は日照あり、０の場合は日照なしである。図１２に示されるように、第２実施形態に係る日照計１０では、日照の有無が、太陽追尾装置に搭載した直達日射計と同様に適切に判定されている。この場合、外部機器２０６は、時間Ｔ１を日照時間として算出する。
　図１３には、他の日における判定差分に基づいて判定された日照の状態（Ａ）と、同日の直達日射強度に基づいて判定された日照の状態（Ｂ）とが示される。いずれの場合も、一定の時間、雲などによって太陽が隠れたことが示されている。図１３に示されるように、第２実施形態に係る日照計１０では、日照が中断する場合であっても、日照の有無が、太陽追尾装置に搭載した直達日射計と同様に適切に判定されている。この場合、外部機器２０６は、日照ありと判定された時間の合計値として日照時間を算出する。
（第３実施形態）
　第３実施形態について説明する。第３実施形態に係る日照計は、第１実施形態及び第２実施形態で説明した日照の有無の判定に加えて、直達日射強度を算出することができる。第３実施形態に係る日照計は、図３で示した日照計１０と同様の構造を有しているが、判定回路１０４が、図１４に示す判定回路１０４Ａに置き換えられた点で日照計１０と異なる。
　判定回路１０４Ａは、記憶回路２０１Ａ、信号処理回路２０２、及び算出回路２０３Ａを有する。判定回路１０４Ａは、記憶回路２０１Ａ、信号処理回路２０２を含むマイクロコンピュータ内の回路として実現される。算出回路２０３Ａは、マイクロコンピュータが記憶回路２０１Ａに記憶されたソフトウェアプログラムを実行することにより実現される機能的ブロックである。
　記憶回路２０１Ａには、記憶回路２０１Ａに記憶される情報に加えて、直達日射強度を算出するための校正値が記憶される。算出回路２０３Ａは、算出回路２０３が行う演算に加えて、直達日射強度を算出する演算を行う。
　算出回路２０３Ａによる直達日射強度の算出について説明する。算出回路２０３Ａは、上述の第２の測定原理に基づく差異演算を行い第１差分と第２差分を算出する。算出回路２０３Ａは、第１差分と第２差分のうち、絶対値が大きい差分を判定差分Ｄとする。なお、判定差分Ｄは、第２実施形態における差分Δ１，Δ２のように正規化された値であってもよく、正規化されない値であってもよい。ここでは、判定差分Ｄは正規化されていないものとして説明する。
　算出回路２０３Ａは、図９のステップＳ９０１からＳ９０４までの処理と同様の処理を行い、判定差分Ｄを算出する。
　算出回路２０３Ａは、以下の計算式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　
によって、直達日射強度を算出する。ここで、θは太陽高度角（°）である。算出回路２０３Ａは、太陽高度角θを、日照計の設置箇所の緯度、経度、及び接地箇所の時刻に基づいて算出する。α１～αｎは、レンズ１０３の角度特性を測定し、角度に対するセンサ１０２の出力値を多項式近似式した場合の、各次数における係数である。ｋは感度定数であり、その次元は［Ｗ/ｍ２］である。係数α１～αｎ及び感度定数ｋは、校正値として、記憶回路２０１Ａに記憶される。
　ここで、感度定数ｋは、例えば、太陽追尾装置に搭載された直達日射計を用いて算出された直達日射強度βと本実施形態に係る日照計によって算出される判定差分Ｄ、太陽高度角θ及び係数α１～αｎを用いて
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
として算出される。
　図１５には、ある日時において、算出回路２０３Ａが、判定差分Ｄ、太陽高度角θ、係数α１～αｎ及び感度定数ｋに基づいて算出した直達日射強度を示す曲線Ｅ２と、同日同時刻に太陽追尾装置に搭載した直達日射計によって計測された直達日射強度を示す曲線Ｅ３とが示される。図１５により、第３実施形態に係る日照計１０によって算出される直達日射強度は、可動部等を備えることで、本第３実施形態３の日照計１０より複雑な構成を有する太陽追尾装置に搭載した直達日射計によって算出された直達日射強度と同等であることが示される。よって、第３実施形態の日照計１０によれば、可動部を設けることなく、判定差分に基づく直達日射強度の算出を適切に行うことができることが明らかにされた。
（変形例）
　上記各実施形態の変形例について説明する。例えば、第１実施形態において、受光面ＲＳが検出領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，及びＲ４に分割されているセンサ１０２に対して、各検出領域の境界に直達光が入射することがある。各検出領域の境界は、センサ１０２の素子がない不感領域である。不感領域は、例えば、数μｍから１００μｍ程度の幅を有した、矩形状の領域である、各検出領域の境界において直達光及び散乱光は検出されない。したがって、直達光が各検出領域の境界に入射する場合、直達光が検出されにくくなることがある。本変形例では、センサ１０２が不感領域を有する場合であっても、直達光成分の検出を可能とする日照計について説明する。
　本変形例に係る日照計は、センサ１０２に入射する直達光が、センサ１０２上に形成する像をぼやけさせることで、不感領域に係る問題を解決する。センサ１０２上の像をぼやけさせることが可能な日照計の概念の一例を図１６に示す。
　図１６は、本変形例に係るレンズ、センサ、及び拡散板を側面から模式的に示した図である。図１６には、図１と同様に、レンズ１０１に対して半天球ＨＳから太陽光である自然光ＩＬが入射し、レンズ１０１からセンサ１０２に対して投影光ＰＬが射出される状況が示されている。本変形例では、レンズ１０１とセンサ１０２との間に拡散板１６０１が設けられる。拡散板１６０１は、レンズ１０１からの光を透過させる際に、投影光ＰＬを散乱させる。拡散板１６０１によって、センサ１０２には散乱された投影光ＰＬが投影される。
　レンズ１０１からの投影光を散乱させることで、直達光がセンサ１０２上に形成する像をぼやけさせることができる。これにより、直達光がセンサ１０２の不感領域のみに到達することを回避し、直達光がセンサ１０２の素子によって検出されるようにできる。よって、センサ１０２が不感領域を有する場合であっても、直達光成分の検出が可能となる。
　直達光が、センサ１０２上に形成する像をぼやけさせるための構成は、拡散板を用いる方法に限られない。例えば、図３において、カバー１０１３を透明なガラスではなく光を拡散させるすりガラスによって形成すれば、センサ１０２上の像をぼやけさせることができる。また、レンズ１０１の入射面１０１１又は出射面１０１２をすりガラスによって形成しても、センサ１０２上の像をぼやけさせることができる。あるいは、レンズ１０１の焦点距離と異なる距離にセンサ１０２を設置することで、センサ１０２上の像をぼやけさせることができる。日照計等の光学機器では、レンズの焦点距離に正しくセンサを設置することで光が真っ直ぐ届くことが重要視されることがある。本変形例では、そのような技術常識に反して、あえて像をぼやけさせる構成を採用するという発想の転換をすることで不感領域に係る問題を解決している。
　上述のような像をぼやけさせる構成の他に、不感領域に係る問題を解決するための構成を説明する。例えば、不感領域に光を反射するミラー等の反射部材や光を屈折させる屈折部材を配置することで、不感領域に届く光をセンサ１０２の受光領域に向かうように、光の方向を調整することができる。当該構成によれば、不感領域に光が届かないようにできるので、不感領域に係る問題が解決される。あるいは、日照計１０を駆動装置等によって偏心駆動可能に構成することで、不感領域に光が届かないように日照計１０を移動すれば、不感領域に係る問題を解決し得る。あるいは、不感領域に光が届いている場合のセンサ１０２の出力に応じて、不感領域の影響を小さくするように演算を行うことで、不感領域に係る問題を解決し得る。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
　１０…日照計、１０１…レンズ、１０２…センサ、１０３…筐体、１０４，１０４Ａ…判定回路、２０１，２０１Ａ…記憶回路、２０２…信号処理回路、２０３，２０３Ａ…算出回路、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…検出領域、１６０１…拡散板

Claims (8)

  1. 　半天球から入射する自然光を投影光として射出するレンズと、
    　受光面に投影された前記投影光を光電変換して出力するセンサと、
    　前記センサの出力に基づいて日照の有無を判定する判定回路と、を有し、
    　前記センサは、前記受光面に複数の検出領域を有し、各前記検出領域に入射した前記投影光の強さに対応した信号を出力するように構成されており、
    　前記判定回路は、各前記検出領域から出力された信号の差異演算に基づいて、前記投影光に含まれる散乱光成分を取り除き、太陽光が入射する場合に前記投影光に含まれることになる直達光成分のみを取り出すことにより、前記自然光における日照の有無を判定する、日照計。
  2. 　請求項１に記載の日照計であって、
    　前記判定回路は、各前記検出領域から出力された信号の差分の最大値が、所定の閾値を満たす場合に、前記日照が有るものと判定する、日照計。
  3. 　請求項２に記載の日照計であって、
    　前記センサは、４つの前記検出領域を有し、
    　前記判定回路は、所定の第１方向に並んで設けられる前記検出領域からの信号の合計と、前記第１方向に直交する第２方向に並んで設けられる前記検出領域からの信号の合計と、の差分を相互に比較して、前記日照の有無を判定する、日照計。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の日照計であって、
    　前記判定回路は、前記日照の有無を示す判定信号を出力する、日照計。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の日照計であって、
    　前記判定回路は、所定の校正値をさらに参照して、前記日照の有無を判定する、日照計。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載の日照計であって、
    　前記判定回路は、前記直達光成分及び直達日射強度校正値に基づいて、直達日射強度を算出する、日照計。
  7. 　請求項６に記載の日照計であって、
    　前記判定回路は、前記直達日射強度を出力する、日照計。
  8. 　半天球から入射する自然光を投影光として射出するステップと、
    　前記投影光の受光面における複数の検出領域に入射した前記投影光の強さに対応した信号をそれぞれ出力するステップと、
    　各前記検出領域から出力された信号の差異演算に基づいて、前記投影光に含まれる散乱光成分を取り除き、太陽光が入射する場合に前記投影光に含まれることになる直達光成分のみを取り出すことにより、前記自然光における日照の有無を判定するステップと、を備える、日照計測方法。
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