K112．太陽光パネルを利用した林内日射計

著者：近藤純正

林内の日射量は強い直射光から微弱な木漏れ日まで分布している。こうした分布の平均値を測定する目的で、131ｍｍ平方の太陽光パネルを利用した日射計を作った。日射量と出力電圧は直線関係であり、温度依存性は小さいことがわかった。なお、出力電圧の応答は早く、電圧計も含む追従時間は1～2秒程度である。（完成：2015年9月30日）。

本ホームページに掲載の内容は著作物である。内容（新しい結果や方法、アイデアなど）の参考・利用に際しては”近藤純正ホームページ”からの引用であることを明記のこと。

更新の記録
2015年9月24日：素案の作成
2015年9月25日：細部を訂正、混濁係数の説明を加筆し図112.3を変更
2015年9月26日：112.2節に（3）応答性を加筆
2015年9月30日：「林床の木漏れ日率と林内の見通し（詳細）」を追加

　　目次 112.1　はしがき 112.2 日射計の製作と特性　　　　　（1）直線性　　　　　（2）温度依存性 (3) 応答性 112.3　まとめ引用文献

112.1 はしがき

森林内の気温は林内の風速のほか放射の条件に依存するので、林床の日射量が林外の何％であるかを知らねばならない。しかし林床の日射量の分布は、強弱のまだら模様であり高精度の測定は難しい。その強弱は、強い直射光から葉面の重なりによるピンホールで拡大された微弱光の木漏れ日まで分布している。

林床の放射強度は10 W/m²から1000W/m²の広い範囲に分布している。そのため、受感部の面積が数平方ｃｍしかない通常の日射計で測る場合、サンプリング数は数百～1000個程度が必要であり、林床を歩いて測る方法もあるが、大変である。

これまでの筆者らの研究では、林内日射量のかわりに林床の「木漏れ日率」を用いている。初心者は微弱光の木漏れ日も強い直射光と同等に計数しがちであり、木漏れ日率の目測は熟練を要するが、１～2日間ほど訓練すれば個人差は小さくなる。熟練に1か月ほどかかる雲量の測定に比べれば容易である。

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林床の木漏れ日率と林内の見通し（詳細）

ここでは、林床の木漏れ日率と直接測定による日射量との関係を明らかにする目的で、受光面積の大きい日射計を作ることにした。

東京秋葉原の電器街のラジオデパートで131ｍｍ×131ｍｍ、2.4Ｗ（Vmp=12V, Imp=0.2A）の太陽光パネルを入手した（1,980円）。この広さなら手軽で、通常の日射計受感部の面積の100倍程度あり、林内の日射量の高精度測定が可能となる。

林内日射量の林外日射量に対する比を知るために、林内の平均日射量（Si）を歩きながら観測する。その前後に林外の広い場所における日射量（So）を観測し、その比（＝Si/So）をもとめるので、日射計の精度・経年変化はあまり気にしなくてもよい。ただし、日射量と出力がほぼ直線関係か、また温度依存性が小さいかが問題となる。

以下で示すように、日射量と出力は直線関係になり、温度依存性も小さく、実用になることがわかった。

112.2 日射計の製作と特性

入手した太陽光パネルは12Vのバッテリー充電用であり、日射計に作ったときの最大の出力電圧がこの1/3（＝4Ｖ）以下になるように回路を作ることで、日射量と出力電圧の関係を直線化した。すなわち、最大の出力電圧は太陽直射光がパネルに垂直のときに生じる。この条件において、出力端子に電気抵抗20オーム（5Ｗ）を接続し閉回路を作り、20オーム抵抗の両端間の出力電圧を最大約4Ｖとした（図112.1）。

図112.1　太陽光パネルを用いた日射計の回路図。

最大日射量の出力電圧（４Ｖ）のときの電流＝4/20=0.2Aであり、ワット数＝ 4Ｖ×0.2Ａ＝0.8Ｗとなる。0.8Ｗは、このパネルの規格（最大出力電力2.4Ｗ）の1/3である。

太陽光パネルの裏面に塩ビパイプの取り付け具を接着した構造とした。これを垂直の塩ビ管に付けたＬ字アングルに差し込んで固定する。電圧はデータロガー（T&D社のおんどとり、TR-55i-V, 16,000円）に2秒ごとに記録したのち、ＰＣに吸い上げて平均し、林外の値で規格化する。

データ吸い上げにはコミュニケーションポート（T&D社のおんどとり、TR-50Ｕ2, 13,300円）を用いる。このコミュニケーションポートは気温計（Pt1000のセンサー）のデータ吸い上げにも用いる共通品である。

図112.2は三脚に取り付けた太陽光パネルを用いた日射計である。水準器を参考にしてパネル面が水平になるように設置する。Ｌ字アングルと水平の塩ビ管は強い弾力で固定されており、手で水平の塩ビ管を回すことでパネルを水平にすることができる。Ｌ字アングルの垂直部は垂直の塩ビ管の外側に縛り付けられており、Ｌ字アングルの水平部は水平の塩ビパイプの中に隠れて見えない。

図112.2　太陽光パネルを利用した日射計。上：受光面、下：三脚に取り付けた全体写真。

林内の日射量を測る場合は、パネルに接着された水平の塩ビ管に、別のＬ字型の塩ビ管を差し込み、手で持って移動観測する。あるいは、図112.2（下）に示す垂直のアルミ伸縮棒を三脚から離して、手で持って移動観測する。

林内では、原則として約30ｍ×30ｍの面積の４隅に標識を置き、「のろのろ歩き」で測定し、6分間（データ数＝30個×6＝180個）を2回行なって1観測とする。詳細は次章で述べる（「Ｋ113.林内の日射量と木漏れ日率の測定」）。

（1）直線性
日射量と出力電圧が直線関係であるかを調べた。１日中が快晴のことは稀であるので、今回は2015年９月11日～13日の快晴時の電圧を記録した。いっぽう、「地表面に近い大気の科学」（近藤、2000）の付録Ｅに示した「快晴日日射量の日変化」の計算プログラムで計算し、図112.3の赤線で表した。ただし、計算条件として、day=255（9月12日、1月1日からの日数）、緯度＝35.3°、大気圧P＝1000hP、日平均気温Ｔ＝24.5℃、日平均水蒸気圧Vp＝23.5hP、付近一帯の地表面アルベド ref＝0.15、ロビンソンの大気混濁係数Dust＝0.05を用いた。

この計算プログラムは「水環境の気象学」（近藤純正編著、1994）の4.9節の式（4.69）～（4.74）をもとに作成されている。

図112.3のプロットは、電圧（Ｖ）に係数225 W m^-2 V^-1 を掛算して単位をW m^-2 に変換してある。たとえば、出力電圧＝１Ｖのとき225 W m^-2、出力電圧＝4Ｖのとき900 W m^-2 となる。

なお、この係数は日射量の日変化を計算するに際して、周辺一帯の地表面アルベドと混濁係数を仮定し、大気全層の水蒸気量を地上の日平均水蒸気圧から推定したものである。それゆえ、係数は概略値である。

図112.3　太陽光パネルを利用した日射計による日射量の日変化の観測値（プロット）。
赤線は快晴日の計算値（9月12日、緯度＝35.3°、大気圧P＝1000hP、日平均気温Ｔ＝24.5℃、日平均水蒸気圧Vp＝23.5hP、付近一帯の地表面アルベドref＝0.15、ロビンソンの大気混濁係数Dust＝0.05）。

備考1：ロビンソンの混濁係数
日本における大気混濁係数（Yamamoto et al,1968 の混濁係数）は1970年ころ最大で、その後は減少する傾向にあり、最近は年平均値で0.1程度である（「身近な気象」の「M59. 都市気候」の図59.8を参照）。

いっぽう、上記の日射量の計算式に用いる混濁係数はRobinson(1966)の混濁係数であり、Yamamoto et al.（1968）の値のほうが0.02～0.04程度大きめに出る（「水環境の気象学」の4.4節参照）。

このことから今回の計算には、神奈川県平塚市の9月11～13日（空は比較的に澄んでいた）のロビンソンの混濁係数として Dust=0.05を用いた（「水環境の気象学」の表4.3）。

図中のプロットのうち、赤線で示す計算値から大きく下方にずれたプロットは、雲片が太陽直射光を遮ったときの値である。

これらを除く観測値（プロット）と計算値（赤線）の比較から、この日射計の出力と日射量はほとんど直線関係にあることがわかる。

（2）温度依存性
太陽光パネルを用いた発電装置では、発電効率がパネル温度に依存することが欠点とされており、パネルの温度が高温にならぬよう工夫する研究が行われている。各メーカによって異なるが、最大出力電力はパネル温度1℃の上昇に対して 0.3～0.45％/℃低下、すなわち、最大出力温度係数＝-0.3～-0.45％/℃と言われている。

しかし、この係数をもとめた条件（温度はどこの温度でどのようにして測ったか、光源として何を用いたかなど）が不明である。

つまり、最大出力温度係数がこの日射計にも適用できるかどうか、太陽光を利用した自然の条件について確かめる。

備考2：パネル面の温度上昇
日射が注がれている状態で、パネル面はその寸法が大きいほど熱交換係数（まわりの空気との顕熱交換係数）が小さくなるので、温度上昇は大きくなる。今回用いるパネルは、大規模発電に用いているパネルに比べて寸法が小さいので、温度上昇はそれほど大きくならない。

備考3；出力のレスポンス
出力電圧を電圧計で見ていると、電圧計も含めて、追従時間は1～2秒程度である。また、パネル面の肉厚は約3ｍｍで、直接空気に触れて熱交換も容易に行なわれる構造であり、パネル本体の温度のレスポンスは3～5分程度である。

備考4：パネル上面の温度測定の方法
日射が当たっている状態で、日陰にならぬよう、パネルの真上から放射温度計（Hioki、FT3700、波長＝8～14μｍ）で面平均の温度を測定する。この放射温度計は、赤色レーザー光が測定範囲を示すので、パネルの範囲を出ないように注意する。ボタンを押している時間の平均温度が表示される測器である。

野外の条件では、この日射計の温度は気温に比べて20℃ほど上昇するので、上記の温度係数と同じならば6～9％ほど感度が低下することになる。しかし、ここで製作した日射計では、最大出力電力付近ではなく、それよりはるかに小さい出力電力の範囲を利用している。

日射計に直射光が当たっているときのパネル上面の温度を放射温度計で測定する。風を当てたときと微風時のパネル面温度の違いと、出力電圧の違いを調べた。

図112.4は窓際に設置した太陽光パネルに送風装置で風を当てる実験の写真である。送風装置は、プラスチックのバルダンで作った筒状の箱にファンモータ3台を並べてある。ファンモータの電源オフ時はパネル面上の風速はゼロに近く（≒0.2～0.6m/s）、電源オン時は3.5～4.0m/sである。風速は熱線風速計で測った値である。この風速変化に対して、パネル面の温度差と出力の電圧差を測定した。

温度係数をもとめる実験

図112.4　パネル面（左）と送風装置（右）。送風装置はファンモータ3台を使い、うち２台は下段に横に並べ、１台は上段に重ねてある。実験時は窓ガラスを開けて、パネル面に太陽直射光を当てて行なう。送風装置で風を当てないとき、窓辺は微風（0.1～0.6m/s）である。

実験は、2015年9月22日と23日の快晴時に行なった。図112.5（上）と図112.6（上）に日射計の出力電圧の時間変化を示した。22日は雲片のかかる10時過ぎまで、 23日は薄い雲片が太陽面にかかった時間帯（10－11時）は欠測としてある。各図の上のプロット1点は2秒間隔で記録した6分間（データ数＝180個）の平均値である。

温度依存性、9月23日

図112.5　日射計出力の温度依存性の実験（9月22日）。
上：出力電圧の時間変化、赤印は微風時、黒印は風を当てた時の値。
下：放射温度計による太陽光パネル面の温度、赤印は微風時、黒印は風を当てた時の値。

温度依存性、9月22日

図112.6　前図に同じ（9月23日）。

図112.5～112.6からわかることは、微風時とパネル面に風を当てた時のパネル面の温度差は10～12℃ほどある。このときの出力電圧の差は明瞭ではない。温度係数が -0.3％/℃ならば、10℃の温度差で縦軸の差は1目盛ほど変化するはずだが、不明瞭である。

温度依存性があるとすれば、10℃の温度差につき、大きく見積もっても3％、またはそれ以下である。

（3）応答性
この日射計の応答性は、通常の日射計に比べて、非常に早い。その理由は、通常の日射計は受感部の温度変化を測るのに対し、この日射計ではパネルの受感部が光エネルギーに反応することによる。また、受感部は直接空気にふれて周囲の大気との熱交換を盛んにする。

出力電圧の応答性については「備考3；出力のレスポンス」に記したように、電圧計も含めて、レスポンスは1～2秒程度である。

測定時に林内を歩く早さは「のろのろ歩き」で、原則として30ｍ×30ｍ範囲を縦横に6分間かけて測る。詳細は次章の「Ｋ113.林内の日射量と木漏れ日率の測定」で説明される。

112.3 まとめ

林内の日射量を測定する目的で、131ｍｍ平方の太陽光パネルを利用した日射量を作った。実用性が十分にあることがわかった。

（1）日射量と出力電圧は直線関係である。

（2）出力電圧の温度依存性は小さく、温度係数の正確な値は見出すことができなかったが、パネル面の温度10℃の変化に対して、大きくても3％である。

参考文献

近藤純正（編著）、1994：水環境の気象学－地表面の水収支・熱収支－．朝倉書店、pp.350.

近藤純正、2000：地表面に近い大気の科学―理解と応用．東京大学出版会、pp.324.

Robinson, N.(ed.), 1966: Solar radiation. Elservier, 347pp.

Yamamoto, G., M. Tanaka and K. Arao, 1968: Hemispherical distribition of turbidity coefficient as estimated from direct solar radiation measurements. J. Meteor. Soc.Jpn., 46, 287-300.

　

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