日照時間が6時間の日と3時間の日なら、地面が受け取った太陽のエネルギーも二倍でしょうか。日照時間は、一定以上の直射日光があった時間の長さです。一方、日射量は受け取った太陽放射の量に関係します。光の強さが違えば、同じ時間でも受け取る量は変わります。
中学入試で二つの表が並んでいたら、数値の大きい順に同じ順位を付ける前に、単位を確かめましょう。「時間」と「面積当たりのエネルギー」は別の量です。晴れていた時間だけで、一日の総エネルギーまで決めることはできません。
日照は、決められた強さを超えた時間
気象庁の定義では、直達日射量が0.12kW/平方m以上のときを日照とします。0.12kWは120Wです。ここで大切なのは、日照時間が「明るさを全部足した値」ではなく、基準を満たした時間を数える値であることです。
基準を上回る0.2kW/平方mが一時間続いても、0.8kW/平方mが一時間続いても、この条件で数える日照時間は一時間です。強い方を四時間と数えることはありません。反対に、基準に届かない時間でも太陽からの光が完全にゼロになるとは限りません。
直達、散乱、全天を区別する
太陽から直接届く光を直達日射、大気などで散乱されて届く光を散乱日射といいます。地表が受ける太陽光には両方があり、全天日射はそれらを含みます。雲があって太陽の輪郭がはっきり見えないときでも、散乱した光が届くことがあります。
日照の判定に使う値と、水平面で受け取る全天日射の値を、同じ列だと思って計算しないようにしてください。向きの違う面で測った直達日射をそのまま水平面の値へ足すには、面の傾きも考慮が必要です。以下の例題では、計算対象の値と面を明示して単純化します。
例題1：二つの日の「時間」と「量」
説明用の模型で、直達日射の値が、A日は0.20kW/平方mで6時間、B日は0.80kW/平方mで3時間続きました。それ以外の時間の値は0とします。日照の基準は0.12kW/平方mです。日照時間と、指定した受光面1平方m当たりの直達日射の積算値を求めてください。
答え・解説： 日照時間はAが6時間、Bが3時間です。積算値はAが0.20×6＝1.2kWh/平方m、Bが0.80×3＝2.4kWh/平方m。日照時間はAが二倍ですが、積算値はBが二倍です。これは同じ定義の受光面について示された値を積算する計算で、水平面の全天日射量そのものを求めたわけではありません。
WやkWは、その時点のエネルギーの受け取り方の大きさを示します。時間を掛けるとWhやkWhになります。「kWの値が大きい日」と「一日合計のkWhが大きい日」が常に一致するとは限らないことも、この例から分かります。
途中で強さが変わるなら、区間ごとに足す
太陽の光は一日中同じ強さではありません。表で一時間ごとの平均値が示されているなら、その区間の長さを掛けた量を足します。二時間の区間と一時間の区間を、同じ一個の数として単純平均しないよう注意します。
また、瞬間値を一時間の平均と読み替えることもできません。ちょうど正午に測った値が800W/平方mでも、その前後一時間ずっと同じ値だったとは限りません。問題が区間内一定とするのか、平均値を与えるのかを確かめてから積算します。
例題2：三つの区間のエネルギー
ある水平面で測った全天日射の平均値は、9〜10時が200W/平方m、10〜12時が500W/平方m、12〜13時が300W/平方mでした。この4時間で1平方mが受け取ったエネルギーをWhとkWhで求めてください。また、この表だけで日照時間が求められますか。
答え・解説： 200×1＋500×2＋300×1＝1500Wh/平方m、つまり1.5kWh/平方mです。中央の区間は二時間なので二倍して足します。三つの値の単純平均を4時間に掛ける方法では、区間の長さが違うことを無視してしまいます。
この表だけでは日照時間は求められません。値は全天日射の平均であり、直達日射が基準以上だった時間の記録ではないためです。500Wという数字が120Wより大きいから、その区間全部を日照と判断することはできません。そもそも比べる量の種類が異なります。
受け取った光と、使える電気も別
太陽電池が面積1平方mで1.5kWhの光エネルギーを受けたとしても、1.5kWhの電気を取り出せるとは限りません。変換効率や設置条件などが関わります。発電量を求める設問なら、必要な条件が別に示されます。日射の表だけから効率を想像して補わないでください。
気温の上がり方も、日射だけでなく、地面が失う熱や風、水分などの影響を受けます。日照時間が長かったという一つの事実から、発電量も最高気温も全部決めないことが大切です。
時間を数える表なのか、エネルギーを積み上げる表なのか。それを区別した上で、列の見出し、面の向き、区間の長さを読む。この順序を身に付けると、気象とエネルギーが組み合わされた初見資料でも、必要な式を選びやすくなります。