JP2011216604A

JP2011216604A - 太陽光発電システムの発電量予測方法及び装置

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Publication number: JP2011216604A
Application number: JP2010082225A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ishida; 修一石田
Original assignee: IHI Scube Co Ltd
Current assignee: IHI Scube Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP5467206B2

Abstract

【課題】太陽光発電システムを導入するユーザが、太陽電池パネルの設置前に年間発電量と太陽電池パネルの最も効率的な配置方法を知ることができるようにする。
【解決手段】家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を入力する固定条件入力部４と、複数年での月次最高／最低晴天率、月次平均風速、月次平均最高／最低気温が入力される記憶部５と、太陽電池パネルの定格値、取付角度、屋根方位面、予定設置枚数又は設置可能枚数を入力する選定条件入力部６と、屋根方位面に対する太陽電池パネルの設置配分を順次変化させて夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求める演算部７と、月別の最大・最小発電量の最大値と１年間での最大・最小発電量の最大値を表示する表示部８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムを導入しようとしているユーザが、太陽電池パネルの設置前に太陽光発電システムの導入により得られる年間発電量を知ることができ、更に、家屋の屋根方位面に対する太陽電池パネルの最も効率的な配置方法を事前に知ることができるようにした太陽光発電システムの発電量予測方法及び装置に関する。

近年、大気中における二酸化炭素量の急激な増加が地球温暖化や異常気象を招来しているとして、自然エネルギーを利用した発電技術の開発が各方面で進められており、太陽光を利用した太陽光発電システムは費用対効果が高いことから、学校や工場及び一般家屋等の広範な方面での普及が急速に進められている。

図９は家屋１の屋根２に太陽電池パネルＰを設置している太陽光発電システムの一例を示すもので、太陽光発電システムは太陽電池パネルＰによる光起電力効果を利用して太陽の光エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。

しかし、この太陽光発電システムは、太陽電池パネルＰを設置する家屋１が位置する緯度、経度及び標高等からなる設置条件によって発電量が大きく異なるという問題がある。このため、太陽電池パネルＰを家屋１に設置する設置業者は、周辺の家屋に設置された過去の実績等を参考にして当該家屋１の方位等に応じて、太陽電池パネルＰを設置する屋根方位面、設置角度等を決定している。例えば、図９のように南向き方位の家屋１の場合には設置が可能であれば全ての太陽電池パネルＰを屋根２の南方位面２Ｓに設置することが一般に行われている。

しかし、家屋ごとの設置条件に応じて最も効率的な発電を行える太陽電池パネル設置のための屋根方位面及び設置配分が存在することが徐々に明らかになってきているが、太陽電池パネルの設置業者は好適な屋根方位面及び設置配分を予測することができないために、太陽電池パネルの好適な屋根方位面及び設置配分をユーザに伝えることができなかった。そのため、ユーザは太陽光発電システムを導入した際の季節における発電量、或いは年間を通した発電量が実際にどの程度得られるのかについて知ることができず、このために、太陽光発電システムの導入を検討しているユーザには不安があり、ユーザと設置業者との間に信頼関係を確立することができず、このことが太陽光発電システムを飛躍的に普及させることの阻害要因となっていた。

ここで、太陽光発電システムの発電量を電池特性値や日射強度等に加えて太陽電池温度上昇による損失を精度良く表わす温度補正係数を付加して補正することにより、正確な発電量の推定・評価が行えるようにしたものとしては太陽光発電システムの発電量の推定・評価方法がある（特許文献１等参照）。

特開２００６−０９３１７６号公報

しかし、特許文献１に示されるような太陽光発電システムの発電量の推定・評価方法は、単に太陽光発電システムの太陽電池パネルによる発電量を推定・評価するものであり、よって、太陽光発電システムをこれから導入しようとする家屋に対して、太陽電池パネル設置による最も効率的な発電が達成できる屋根方位面及び最適設置配分をユーザに提示するようなことはできなかった。

即ち、従来の太陽光発電システムでは、実際に家屋に設置される太陽電池パネルによる発電量を推定・評価することはできても、太陽電池パネルの設置前に太陽電池パネルの設置条件を変化させてシミュレートすることにより、ユーザが望む予定設置枚数における最適設置配分での最大の年間発電量をその場で得て、太陽光発電システムの導入を検討するようなことはできなかった。このように従来では、最も効率的な太陽電池パネル設置のための屋根方位面、最適設置配分を事前に知ることができなかったために、太陽光発電システムを導入したけれども予定した発電量が得られないといったユーザからの苦情も発生しており、このことも太陽光発電システムを普及させる上で弊害となっていた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、太陽光発電システムを導入しようとしているユーザが、太陽電池パネルの設置前に太陽光発電システムの導入により得られる年間発電量を知ることができ、更に、家屋の屋根方位面に対する太陽電池パネルの最も効率的な配置方法を事前に知ることができるようにした太陽光発電システムの発電量予測方法及び装置を提供するものである。

請求項１の発明は、太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を入力する固定条件入力部と、複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースが入力された記憶部と、家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、予定設置枚数又は設置可能枚数を入力する選定条件入力部とを備え、
太陽電池パネルを設置する予定の各屋根方位面に対し、太陽電池パネルの設置配分を順次変化させた際の夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求めるステップと、
得られた１年間での最大・最小発電量の最大値を求めるステップと、
得られた１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から太陽電池パネルの予定設置設枚数又は設置可能枚数に対する年間発電量を得るステップと
からなることを特徴とする太陽光発電システムの発電量予測方法である。

請求項２の発明は、前記太陽電池パネルを設置する屋根方位面は、南面と東面、南面と西面、南面と東面と西面のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法である。

請求項３の発明は、前記予定設置枚数が、予定発電量に対応した予定設置枚数であり、予定発電量に対応した予定設置枚数による１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から求めた年間発電量が、前記予定発電量に一致しない時には、予定設置枚数を変更し、年間発電量が予定発電量と同等になるまで年間発電量を求める前記操作を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法である。

請求項４の発明は、前記太陽電池パネルの定額値を変更して前記操作を行うことにより、異なる太陽電池パネル定額値での年間発電量を得ることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法である。

請求項５の発明は、１年間での最大・最小発電量を求めるステップが、
太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方角を示す固定条件から、太陽電池パネルを設置する家屋での１日の太陽高度、方位、大気外日射量変化を求め、これらの値から時刻により変化する法線面直達日射量を求め、この時系列値から各屋根方位面に供給される傾斜面直達光日射量、散乱光日射量をシミュレートして加算することにより時刻で変化する各屋根方位面での全日射量を求める瞬時日射量計算ステップと、
時刻により変化する全日射量を太陽電池パネルの定格計測基準値により除算し、選択した太陽電池パネルの定格値を乗算することにより時刻で変化する太陽電池パネルの発電量を求める瞬時発電量計算ステップと、
太陽電池パネルの面積で除算した時系列で変化する各屋根方位面の傾斜面直達光日射量と、時系列で変化する太陽電池パネルの発電量に月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースの値から時系列で変化する太陽電池パネル表面の温度変化をシミュレートして温度変化による電力損失率を求め、同時刻の電力損失率を同時刻の太陽電池パネルの発電量に乗算して温度損失を含む太陽電池パネルの発電量を求め、この値を太陽高度＞０°である時間で積分を行い１日の全発電量を求める温度補正発電量計算ステップと、
１日の全発電量を求める演算を該当月の日数分順次計算して月次全発電量を求める、もしくは、月内で日照時間が平均的な１日を選択し該当月の日数を乗算することにより月次全発電量を求め、次いで、月次全発電量に複数年の月次最高／最低晴天率データベースから与えられる最大日照率、最小日照率を乗算し、月次最大・最小発電量を求める晴天率補正発電量計算ステップと、
太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、設置枚数に基づき、屋根方位面ごとに対する月次最大・最小発電量に当該屋根方位面に設置する太陽電池パネル枚数を乗算して、順次、東面、西面、南面の各屋根方位面について発電量を計算し、求めた結果を加算して太陽光発電システムとしての月次最大・最小発電量を求める操作を１月から１２月まで順次行い、太陽光発電システムとしての１年間での最大・最小発電量を求める１年間の最大・最小発電量計算ステップと
からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法である。

請求項６の発明は、太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を示す固定条件を入力する固定条件入力部と、
複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースが入力される記憶部と、
家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、取付角度、屋根方位面、予定設置枚数又は設置可能枚数を入力する選定条件入力部と、
太陽電池パネルを設置する予定の各屋根方位面に対し、太陽電池パネルの設置配分を順次変化させて夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求める演算部と、
前記月別の最大・最小発電量の最大値と１年間での最大・最小発電量の最大値を表示する表示部と
を備えたことを特徴とする太陽光発電システムの発電量予測装置である。

本発明の太陽光発電システムの発電量予測方法及び装置によれば、太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を示す固定条件と、複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースからなる記録と、家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、予定設置枚数又は設置可能枚数からなる選定条件入力条件とから、太陽電池パネルを設置する予定の各屋根方位面に対して太陽電池パネルの設置配分を順次変化させて夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求め、得られた１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から予定設置枚数又は設置可能枚数に対する年間発電量を得るようにしたので、太陽光発電システムを提供する業者は太陽光発電システムの導入前に、あらゆる地域・条件での家屋に最適な太陽電池パネルの設置方法と、最適配置のときの年間発電量を直接現地でユーザに提示することができ、一方、ユーザは、太陽光発電システムの導入前に太陽電池パネルの最良の設置条件と年間発電量を知ることができるので、予算内で最も効率の高い太陽光発電システム導入の投資対効果を検討することができて、明確な投資回収計画が構築できるという優れた効果を奏し得る。従って、ユーザは安心して太陽光発電システムの導入を検討することができるため、太陽光発電システムの普及に大きく貢献することができ、結果、太陽光発電システムの普及を促進して二酸化炭素の排出削減に貢献できるという優れた効果を奏し得る。

又、既に太陽光発電システムを導入しているユーザに対しては、稼動している当該太陽光発電システムの年次定期点検時等に、稼働している太陽光発電システムの実績発電量と、本発明により予測した発電量とを比較することにより、稼動している太陽光発電システムの健全性を客観的に確認することができ、早期の故障診断や増設計画などの運用にも適用でき、更に、このように健全性が確認できることにより、太陽光発電システムの保守サイクルの適正化、稼動率の向上にも寄与でき、よって保守ツールとしても有効に利用できるという効果がある。

本発明を実施する太陽光発電システムの発電量予測装置の形態の一例を示すブロック図である。南向き方位の家屋の屋根に太陽電池パネルを配置する場合の平面図である。東南向き方位の家屋の屋根に太陽電池パネルを配置する場合の平面図である。南西向き方位の家屋の屋根に太陽電池パネルを配置する場合の平面図である。本発明の発電量予測装置に備えている表示画面の一例を示す説明図である。図１の演算部で行われる演算フローチャートである。本発明の発電量予測装置によって求められる月次の最大・最小発電量と実プラントの発電量を示した線図である。本発明の発電量予測装置によって求められる１年間累計した最大・最小発電量と実プラントの発電量を示した線図である。家屋の屋根に太陽電池パネルを設置している太陽光発電システムの一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図１は、本発明を実施する太陽光発電システムの発電量予測装置の形態の一例を示すもので、この発電量予測装置３は、汎用ノートパソコン等の持ち運びが可能な移動ツールにより構成されており、この発電量予測装置３には、太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を示す固定条件を入力する固定条件入力部４と、複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースが入力される記憶部５と、家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、予定設置枚数又は設置可能枚数を入力する選定条件入力部６と、上記の各条件に基づいて月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求める演算部７と、演算部７による演算結果を表示する表示部８とから主に構成されている。

演算部７では、その概略を示すと、上記の各条件に基づき、時刻で変化する各屋根方位面での全日射量を求める瞬時日射量計算ステップと、時刻で変化する太陽電池パネルの発電量を求める瞬時発電量計算ステップと、１日の全発電量を求める温度補正発電量計算ステップと、月次最大・最小発電量を求める晴天率補正発電量計算ステップと、太陽光発電システムとしての１年間での最大・最小発電量を求める１年間の最大・最小発電量計算ステップの演算を行うようになっている。

記憶部５には、表１に示すように、地域毎に気象台から出される複数年（表１では１９年間）での月次晴天率表のデータ（府中気象台データ例）が入力されていると共に、この月次晴天率表から求めた月次最高／最低晴天率データが入力されている。尚、表１では、上位５データ平均と下位５データ平均を求めて月次最高／最低晴天率データとしている。又、表１には中間９データ平均も合わせて示している。

又、前記記憶部５には、表２に示すように、地域毎に気象台から出される年間の月次平均風速データが入力されていると共に、表３に示すように、地域毎に気象台から出される年間の月次平均最高／最低気温データが入力されている。

太陽光発電システムの導入を希望しているユーザが、太陽光発電システムの導入前に、太陽電池パネルの最良の設置方法と発電量を知ることができれば非常に好ましい。

図２〜図４は家屋の屋根２の平面図であり、図２に示すように、南向き方位の家屋の屋根２に太陽電池パネルＰを設置する場合、全ての太陽電池パネルＰを南方位面２Ｓに設置するよりも、例えば、南方位面２Ｓに６０％、東方位面２Ｅに２０％、西方位面２Ｗに２０％のように配分して設置した方が全体での発電量が増加することが判明した。

又、図３に示すように、東南向きの方位の家屋に対しては東南方位面２ＥＳと南西方位面２ＳＷに太陽電池パネルＰを配分して設置することが好ましく、同様に、図４に示すように、南西向き方位の家屋に対しても東南方位面２ＥＳと南西方位面２ＳＷに太陽電池パネルＰを配分して設置することが好ましいことが判明した。

このため、図１の発電量予測装置３に備えた前記演算部７では、ユーザの予算等に基づいて家屋に設置される太陽電池パネルの予定設置枚数を、図２〜図４に示した各屋根方位面に対して、設置配分を１枚ずつ順次変化させた時の月別及び１年間での最大・最小発電量の最大値を求めるようにしている。

即ち、図２に示す南向き方位の家屋の場合には、南方位面２Ｓに予定設置枚数の全ての太陽電池パネルＰを設置した状態と、この状態から、東方位面２Ｅと西方位面Ｗに対して太陽電池パネルＰを１枚ずつ移動、２枚ずつ移動、３枚ずつ移動のように順次配分を変えて得られる１年間の最大・最小発電量の中で最も大きな値を示すものを、この家屋での最大の年間発電量として得る。

図３に示す東南向き方位の家屋の場合には、東南方位面２ＥＳに予定設置枚数の全ての太陽電池パネルＰを設置した状態と、この状態から、南西方位面２ＳＷに対して太陽電池パネルＰを１枚移動、２枚移動、３枚移動のように順次配分を変えて得られる１年間の最大・最小発電量の中で最も大きい値を示すものを、この家屋での最大の年間発電量として得る。図４の南西向き方位の家屋の場合にも同様にして最大の年間発電量を得る。

尚、家屋の方位は南向き方位、東南向き方位、南西向き方位とは限らず、中間の種々の方向を向いている。このため、図２を例にとって説明すると、南方位面２Ｓに予定設置枚数の全ての太陽電池パネルＰを設置した状態と、東方位面２Ｅに予定設置枚数の全ての太陽電池パネルＰを設置した状態と、西方位面２Ｗに予定設置枚数の全ての太陽電池パネルＰを設置した状態の夫々について最大・最小発電量の最大値を得、得られた夫々の最大値を比較することにより、各屋根方位面相互の発電比率を求めることができる。

このようにして、各屋根方位面での発電比率を予め求めておくと、前記したように、全ての配分を順次行うことなく、得られた発電比率に対応した設置配分、或いはその発電比率に近い設置配分での１年間の最大・最小発電量の最大値を求めることにより、演算時間を短縮することができる。

尚、図２〜図４においては、ユーザの予算等に基づいた予定設置枚数の太陽電池パネルＰを屋根２に設置する場合について説明したが、ユーザが当該家屋での最大発電量を望む場合には屋根２に設置できる太陽電池パネルＰの最大設置可能枚数に基づいて上記操作を行うことにより、設置可能枚数での最大発電量を求めることができる。このとき、太陽電池パネルＰの設置配分を変化させた時の１年間の最大・最小発電量の値から、最も効率的な設置配分に基づいた効率の良い設置可能枚数を選定することもできる。

図５は、前記発電量予測装置３に備えている表示画面の一例を示すもので、固定条件入力部４である固定条件入力欄９と、選定条件入力部６である選定条件入力欄１０と、演算結果を表示する表示部８である結果表示欄１１を有している。

前記固定条件入力欄９では、家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角の夫々を、緯度入力窓１２、経度入力窓１３、標高入力窓１４及び方位入力窓１５に備えたスライダ１６をマウス等によるポインタで移動させることにより選定して入力することができる。このとき、発電量予測装置３にＧＰＳ機能を搭載している場合にはその表示データを入力することができ、又、ＧＰＳ機能を搭載していない場合には、別に備えたＧＰＳ装置やその他から得られる情報及び方位磁石等を用いて入力する。

前記選定条件入力欄１０では、屋根２の各方位面に取り付ける太陽電池パネルＰの取付角度、設置枚数、出力電力定額、縦横の寸法の夫々を、取付角度入力窓１７ａ，１７ｂ，１７ｃ、設置枚数入力窓１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、出力電力定額入力窓１９及び縦横の寸法入力窓２０，２１に備えた増・減マーク２２をマウス等によるポインタでクリックすることにより入力することができる。２３はマウス等によるポインタで増・減マーク２２をクリックすることで設定月を選定入力する月別入力窓である。

前記結果表示欄１１には、月別の最大発電量と最小発電量が、棒グラフ表示窓２４ａ，２４ｂと数値表示窓２５ａ，２５ｂに色分けして表示されており、更に、１年間の最大発電量と最小発電量（年度累計）が、同様に棒グラフ表示窓２６ａ，２６ｂと数値表示窓２７ａ，２７ｂに色分けして表示されるようになっている。２８はセル表面温度表示窓、２９は時刻表示窓、３０は計算開始窓、３１は印刷開始窓である。

以下に図１に示した演算部７において、１年間での最大・最小発電量を求めるステップの計算方法を、図６の演算フローチャートを参照して説明する。

１）太陽方位、高度演算ブロック（Ｓ１）
太陽光発電システムの導入予定現地の緯度ψ、経度λを発電量予測装置３に入力し、この地点における太陽方位；Ψ１(t)、高度α(t)の時刻変化を次の式により求める。
元旦からの通し日数Dｎにより(1)式からΘ0を求める。
Θ0(t)＝２π（Ｄｎ−１）／３６５・・・ (1)
(1)式より定めたΘ0を用い、日々の太陽赤緯δ、地心太陽距離ｒ/ｒ*、均時差Ｅｑを次の(2)、(3)、(4)式により求める。
δ(t)＝0.006918-0.399912cos(Θ0)+0.070257sin(Θ0)−0.006758cos(Θ0)+0.000907sin(2Θ0)−0.002697(3Θ0) ・・・ (2)
ｒ/ｒ*(t)＝１／{1.000110＋0.034221cos(Θ0)＋0.001280sin(Θ0)＋0.000719cos(2Θ0)＋0.000077sin(2Θ0)}＾0.5 ・・・ (3)
Eｑ(t)＝0.000075＋0.001868cos(Θ0)−0.032077sin(Θ0)−0.014615cos(2Θ0)−
0.040849sin(2Θ0) ・・・ (4)
太陽の時角ｈを日本標準時ＪＳＴから(5)式により求める。
ｈ＝（JST−12）π／１２＋標準子午線からの経度差＋均時差（Eｑ）・・・ (5)
太陽方位Ψ１、高度αを太陽赤緯δ、緯度ψ、時角ｈから(6)、(7)式により求める。
α(t)＝arcsin{sin(ψ)sin(δ)＋cos(ψ)cos(δ)cos(h)} ・・・ (6)
Ψ１(t)＝arctan〔cos(ψ)cos(δ)sin(h)／{sin(ψ)sin(α)−sin(δ)}〕・・・ (7)
Dn ：元旦からの通し日数
ψ ：緯度〔rad〕
λ ：経度〔rad〕
Ψ１(t) ：太陽方位，（rad）
α(t) ：高度（rad）
ｒ/ｒ*(t) ：地心太陽距離
JST ：シミュレーション開始時間（初期値），；04:00〜20:00に設定

２）大気外日射量演算ブロック（Ｓ２）
設定した地点の大気外日射量Q(t)を地心太陽距離ｒ/ｒ*(t)，太陽高度α(t)から(8)式より求める。
Q(t)＝1,367(１／ｒ/ｒ*(t))＾(2)sinα(t)〔W／m^2〕・・・ (8)
上記、1,367は、太陽定数；1,367W／m^2である。

３）法線面直達日射量演算ブロック（Ｓ３）《Ｂｏｕｇｕｅｒの式を参照》
設定した地点の法線面直達日射量を大気外日射量；Q(t)，大気透過率；P，大気質量；ｍ(t)から(9)式により求める。（大気外日射量は大気層を通過するにつれて散乱、吸収を受けて減少し、その減少量は透過経路中における大気中に含まれる空気の質量と、日射の強さとの双方に比例する。）
Jn(t)＝Q(t)×P^m(t) ・・・ (9)
Jn(t) ：法線面直達日射量〔W／m^2〕
Q(t) ：大気外日射量〔W／m^2〕
P ：大気透過率
ｍ(t) ：大気質量
大気質量ｍは、大気外日射量が地表に到達するまでの空気抵抗で、太陽が天頂時に(10)式により求めるが、太陽高度が低くなった時の大気の曲率の影響を考慮してｍ0(t)は(11)式により求める。
ｍ(t)＝η×ｍ0(t) ・・・ (10)
ηは標高に対する修正で、次式により求める。
η＝（１−Ｚ／44308）^5.527
Ｚ：標高（ｍ）
ｍ0(t)＝｛sinｈ＋0.15（α(t)＋3.885.）^（-1.263）｝^-1 ・・・ (11)
大気透過率は、表４、理科年表に示されている値に時刻変化を加えた木村・滝沢両氏の提案した(12)式により求めた。
Ｐ(t)＝Ｐ0＋a(t-12)^2 ・・・ (12)
ｔ：時刻（時）

赤道付近では水蒸気量が高いことから透過率が年間を通じて小さくなり、赤道から離れると大きくなる傾向があるが、本書においては日本国内のみを対象としており、上記の表４を採用する。ここで、４，５，６，７月の間は黄砂，スギ花粉の増加など、季節的な特徴や火山噴火などによる降灰などは、大気透過率への影響が分析された資料が無いため、本設計には反映しない。

４）水平面天空日射量演算ブロック（Ｓ４）
設定した地点の（水平面天空日射量）Ish(t)として(13)，(14)式により求める。
ここで、水平面天空日射量の日射エネルギーは、前記３）のごとく大気外日射量の日射エネルギーは大気中の微粒子により散乱され減衰する。この散乱された日射エネルギーが天空全体からの輻射となって再び地表に達する。これが水平面天空日射量［散乱光日射エネルギー］である。
Ish(t)＝Q(t)×sinα(t)(1−P^{cos ec ｈ})×K_SD(t)) ・・・ (13)
K_SD(t)＝(0.66−0.32sinα(t))×｛0.5＋(0.4-0.3P)sinα(t)｝・・・ (14)
Ish(t) ：水平面天空日射量〔W／m^2〕
Q(t) ：大気外日射量〔W／m^2〕
P ：大気透過率
α(t) ：太陽高度〔ｒａｄ〕

５）傾斜面全天日射量演算ブロック（Ｓ５）
設定した家屋の立地方位角を東面，西面，南面の方位角に各方位面毎に加算し東面，西面，南面3方位面の、実斜面法線の方位角Ψ２を求め、3方位の日射入射角の余弦Cos i(t)をそれぞれ演算する。設定した地点の傾斜面直達日射量は、この日射入射角の余弦Cos i(t)と法線面直達日射量Jn(t)から(15)式により求める。
IDi(t)＝Jn(t)^cosi(t) ・・・ (15)
IDi(t) ：傾斜面直達日射量〔W／m^2〕
Jn(t) ：法線面直達日射量〔W／m^2〕
ｉ(t) ：日射入射角〔ｒａｄ〕
日射入射角の余弦ｃｏｓｉは、次式による。
Cos i(t)= sinα(t) cosY + cosα(t) cosΨ1(t) sinY cosΨ2 + cosα(t) sinΨ1(t) sinY sinΨ2
α(t) ：太陽高度〔ｒａｄ〕
Ψ１(t) ：太陽方位角〔ｒａｄ〕
Ｙ：斜面傾斜角〔ｒａｄ〕
Ψ２：斜面法線の方位角〔ｒａｄ〕
個別に演算された西，南，東の傾斜面直達日射量は、次の６）項の太陽電池パネル面積を乗じた上で合算する。

６）太陽電池パネル全入力日射量演算ブロック（Ｓ６）
発電量予測装置３の表示画面に入力した項目で本ブロックにて使用する項目を次に示す。
１．投資額を勘案し選択した、太陽電池パネル型式
２．投資額を勘案し選択した、太陽電池パネルの予定設置枚数
３．東面、南面、西面の３方位面に設置可能な太陽電池パネルの最大設置可能枚数
選択した太陽電池パネル型式と各方位面の太陽電池パネルの設置枚数から、３方位毎の太陽電池パネル面積を求める。
この各方位の面積に傾斜面直達日射量IDi(t)を乗じ、３方位毎の全体傾斜面直達日射量を求める。
同様に各方位の面積に水平面天空日射量Ish(t)を乗じて３方位毎の全体水平面天空日射量を求め影の影響からなる散乱光日射量を得る。
この各方位の全体傾斜面直達日射量，全体水平面天空日射量を全て合算し、計画する太陽光発電システムに入力される一日（時刻04:00〜20:00）の全日射エネルギー変化量を求める。

７）太陽光発電システム出力電力演算ブロック（Ｓ７）（Solar system power output）
前記６）項で求めた1日の全日射エネルギー変化量を、太陽電池パネルの定格出力計測条件^注３）の、直達エネルギー光；1,000W/hｍ^-2で除算し、この値に太陽電池パネル型式の定格発電量を乗算し、1日の太陽光発電システム電力量変化ｅa(W/h)に変換する。
注３）太陽電池パネル定格の計測条件（太陽電池パネルの定格発電量は下記条件下で計測する。）
・直達エネルギー光；1,000W/hｍ^-2
・気温；25℃
・エアマス；AM；1.5（エアマス；空気質量）

８）太陽電池パネル温度変化演算ブロック（Ｓ８）
前記７）項の太陽電池パネル定格の計測条件の気温25℃が太陽電池パネルの表面温度として定格出力を発電することを太陽電池パネルは仕様としている。
よって、太陽電池パネルは表面温度が+1℃上昇する毎に効率が0.4%低下し、表面温度が−1℃降下する毎に効率が0.4%上昇する。このため、季節、時刻毎の太陽電池パネルの表面温度変化を推定し、1日の太陽光発電システム発電量変化に反映する必要が有る。
この推定方法を次に示す。

・太陽電池パネル表面温度変化の推定
太陽電池パネル表面温度変化Tc（℃）は傾斜面直達日射量IDi(t)、大気温度変化、月次平均風速の関係から(16)式により求める。
大気温度変化と月次平均風速は、現地の緯度、経度に近接する気象台の月次平均風速、月次平均最低、最高大気温度を各気象台の月次平均数速データベースから取得する。（表２，表３参照）
太陽電池パネルの表面温度；Tcを(16)式により演算する。
Tc(t)＝Ｔ＋{57／（0.38／（（0.38・Ｖ^0.8）＋２））＊ＨA−２} ・・・ (16)
Tc(t)：太陽電池パネル表面温度変化（deg）
ＨA：傾斜面直達日射量（Mj/h）
V：風速（ｍ／ｓ）
Ｔ：大気温度（℃）

・太陽電池パネル表面温度変化による発電量損失の推定演算；Lptの演算
太陽電池パネル表面温度変化による発電量損失は、1日の太陽光発電システム発電量変化ｅa(t)，太陽電池パネルの表面温度Tc(t)および、温度の損失変換係数αpmaxの関係から(17)式によって求める。
Ｌpt(t)＝ｅat−ｅa(t)＝{（αpmax（25−Tc））／（１＋αpmax（Tc−25））}＊ｅa(t)・・・(17)
ｅat(t) ：温度補正後の1日の太陽光発電システム発電量変化
ｅa(t) ：1日の太陽光発電システム発電量変化
αpmax ：温度の損失変換係数（0.4%／℃）
演算モデルには(17)式を(18)式に変形し組込む。
1日の太陽光発電システム積算電力量を直接求める。
ｅat(t)＝［{（αpmax（25−ｔc））／（１＋αpmax（ｔc−25））}＋１］＊ｅa ・・・(18)
上記式(18)により温度補正後の太陽光発電システム電力量変化ｅat(t) (W/h)を得る。

９）気象条件＆高速化演算ブロック（Ｓ９）
前記８）項で求めた温度補正後の1日の太陽光発電システム電力量変化ｅat(t) (W/h)を04:00〜20:00に渡り積分し1日の積算発電量Ed(W/d)を求める。
この演算ルーティーンを元旦から12月31日まで365日間繰り返し行うことによって月次発電量；Em(kW)、年次発電量Ey(kW)を演算する。

・高速演算方法
演算の高速化を目的とした処理として、次の方法が選択できる。
当該月で平均的な日照時間となる日を各月毎に設定し、1日の太陽光発電システム積算発電量Ed(W/d)を演算する。この値に当該月の日数を乗算し、概略の月次積算発電量；Em'(kW/m)を演算する。次に、この値を1月〜１２月までの演算ルーティーンとして繰り返すことにより概略の年次発電量；Ey'(kW/y)を得る。

１０）直達光発電量演算ブロック（Ｓ１０）
現地の緯度、経度に近接する気象台の月次晴天率を気象台の月次平均晴天率データベースから取得し（表１参照）、月次で上位５データの平均を最大発電量係数とし、下位５データの平均を最小発電係数として求める。
この係数を、前記９）項の月次発電量；Em，Em'(kW)，年次発電量Ey，Ey'(kW)に対して乗算する。この結果が気象条件を含めた太陽光発電システムの月次と年次の最大直達光発電量Em，Em' max(kW)と最小直達光発電量 Ey，Ey' min(kW)となる。

１１）散乱光発電量演算ブロック（Ｓ１１）
晴天日時以外の発電量を、水平面天空日射量に対して全日射量計算と同様に前記６）項〜９）項までの演算を行うことにより得る。
この水平面天空日射量のみの月次発電量；Esm，Esm'(kW)，年次発電量Esy，Esy'(kW)を求める。この月次発電量；Esm，Esm'(kW)，年次発電量Esy，Esy'(kW)に最大／最小散乱光日射量係数を乗算し、月次，年次の最大散乱光発電量Esm，Esm'， Esy，Esy' ，max(kW)，最小散乱光発電量Esm，Esm'，Esy，Esy' ，min(kW)を求める。
・最小散乱光日射量係数＝１−最大発電量係数
・最大散乱光日射量係数＝１−最小発電量係数

１２）太陽光発電システム全発電量演算ブロック（Ｓ１２）
前記１０）項で求めた月次と年次の最大直達光発電量Em，Em' max(kW)，Ｅy，Ｅy' max(kW)と最小直達光発電量 Em，Em' min(kW)， Ey，Ey' min(kW)と、前記１１）項で求めた月次と年次の最大散乱光発電量Esm，Esm' max(kW)，Esy，Esy' max(kW)と最小散乱光発電量Esm，Esm' min(kW)，Esy，Esy' min(kW)を、それぞれ加算する。
・月次最大，最小発電積算量
ＥM max＝Em max＋Esm max（365日累積演算、月次累積最大発電量）
ＥM' max＝Em' max＋Esm' max（代表1日演算、月次概算累積最大発電量）
ＥM min＝Em min＋Esm min（365日累積演算、月次累積最小発電量）
ＥM' min＝Em' min＋Esm' min（代表1日演算、月次概算累積最小発電量）
・年次最大，最小発電積算量
ＥY max＝Ey max＋Esy max（365日累積演算、年次累積最大発電量）
ＥY' max＝Ey' max＋Esy' max（代表1日演算、年次概算累積最大発電量）
ＥY min＝Ey min＋Esy min（365日累積演算、年次累積最小発電量）
ＥY' min＝Ey' min＋Esy' min（代表1日演算、年次概算累積最小発電量）

１３）時間管理ブロック（Ｓ１３）（Time management）
本ブロックは、気象台の日照時間計測条件と合わしてシミュレーション内での日照時間を管理する。太陽方位、高度演算ブロック（Ｓ１）から時刻（day time）と太陽高度αを入力、太陽光発電システム全発電量演算ブロック（Ｓ１２）からＥmax，Ｅmin＞１２０Ｗ／ｍ^2となる条件と太陽高度α＞０とのＡＮＤ条件で、この間の時間を月次の最大，最小日照時間として積算する。

１４）結果比較演算記録ブロック（Ｓ１４）
本ブロックは、上記の項までで演算した結果を前回の演算と比較するブロックであり、太陽光発電システムとして設置可能な方法の内、最も発電量の多い設置方法を選択するブロックである。
ｉｆＥM max［or ＥM' max］（n）−ＥM max［orＥM' max］（n-1）＞０
ＡＮＤ
ＥY max［or ＥY' max］(n) −ＥY max［or ＥY' max］(n-1) ＞０
ＡＮＤ
ＥM min［or ＥM' min］（n）−ＥM min［orＥM' min］（n-1）＞０
ＡＮＤ
ＥY min［or ＥY' min］(n) −ＥY min［or ＥY' min］(n-1) ＞０
であれば、ｎ回目の設置条件を最適条件として選択する。
これは、予定設置枚数、又は、設置可能枚数に合わせて実行され、以上の結果であればｎ回目の設置条件を選択して表示する。

ここで、図７は本発明の発電量予測装置３によって求められる月次の最大・最小発電量と実プラントの発電量を示した線図、図８は本発明の発電量予測装置３によって求められる１年間累計した最大・最小発電量と実プラントの発電量を示した線図である。図８から明らかなように、実プラントの発電量は本発明によって得られる１年間での最大発電量と最小発電量の略中間位置を示していることから、１年間での最大・最小発電量の中間値を求めることにより、実プラントの発電量と略同じ高い精度での年間発電量を予測することができる。

次に、上記実施例の作動を説明する。

太陽光発電システムの設置業者は、移動ツールである発電量予測装置３を携帯してユーザの家屋に移動する。この発電量予測装置３の記憶部５には、複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースからなるデータが記憶されている。

前記発電量予測装置３に備えた図５の表示画面を用いて、固定条件入力欄９の緯度入力窓１２に家屋の緯度を入力し、経度入力窓１３に経度を入力し、標高入力窓１４に標高を入力し、方位入力窓１５に家屋の方位を入力する。このとき、発電量予測装置３にＧＰＳ機能を搭載している場合にはその表示データを入力することができ、又、ＧＰＳ機能を搭載していない場合には、別に備えたＧＰＳ装置やその他から得られる情報及び方位磁石等を用いて入力することができる。

又、選定条件入力欄１０の取付角度入力窓１７ａ，１７ｂ，１７ｃと設置枚数入力窓１８ａ，１８ｂ，１８ｃには、前記家屋の方位に応じて太陽電池パネルを設置する東面、南面、西面の各屋根方位面への設置角度と、太陽電池パネルの設置枚数を入力する。更に、出力電力定額入力窓１９、及び縦横の寸法入力窓２０，２１には選定した太陽電池パネルの定額値を入力する。

上記した太陽電池パネルの設置枚数は、ユーザが予算等に基づいて設定した予定設置枚数でもあってもよく、或いは、最大発電量を希望する場合には設置することができる最大枚数である設置可能枚数であってもよい。設置枚数の入力に当たっては、先ず、全ての太陽電池パネルを屋根方位面の一つ、例えば東面に設置するように入力する。

続いて、計算開始窓３０をクリックして計算を開始すると、演算部７では図６に示した演算により月別の最大・最小発電量がシミュレートされて求められ、その演算結果が棒グラフ表示窓２４ａ，２４ｂと数値表示窓２５ａ，２５ｂに色分けして表示されると共に、１年間の最大・最小発電量が演算されて棒グラフ表示窓２６ａ，２６ｂと数値表示窓２７ａ，２７ｂに色分けして表示される。この表示データは印刷開始窓３１をクリックすることでプリントアウトすることができる。尚、上記１年間での最大・最小発電量を求める操作は数秒程度で行われる。

続いて、計算開始窓３０をクリックすると、太陽電池パネルの設置配分が１枚ずつ自動的に変更され、変更された各設置配分での演算が行われて全ての設置配分における月別と１年間での最大・最小発電量が順次求められ、更に、このようにして求められた月別と１年間での最大・最小発電量の最大値が求められ、図５に示す結果表示欄１１の棒グラフ表示窓２４ａ，２４ｂと数値表示窓２５ａ，２５ｂに、月別と１年間の最大・最小発電量の最大値が色分けして表示される。

このように表示された１年間の最大・最小発電量の最大値から、その中間値を計算で求めることにより、予定設置枚数又は設置可能枚数での年間発電量を求めることができる。ここで、図８に示すように、１年間の最大・最小発電量の中間に実プラントでの発電量が位置しているので、前記１年間の最大・最小発電量の最大値の中間値を求めることにより、信頼できる精度の高い年間発電量を予測することができる。

又、上記１年間の最大・最小発電量の最大値のときの屋根方位面に対する太陽電池パネルの設置枚数が設置枚数入力窓１８ａ，１８ｂ，１８ｃに表示されるので、この表示から太陽電池パネルを屋根に設置する際の好適な設置配分を知ることができる。

更に、ユーザが予定発電量を設定した場合には、予定発電量に対応した予定設置枚数による１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から求めた年間発電量を求め、この求めた年間発電量が前記予定発電量に一致しない時には、予定設置枚数を変更し、年間発電量が予定発電量と同等になるまで年間発電量を求める操作を繰り返すことにより、ユーザ希望する予定発電量を得ることができる設置枚数と設置配分とを知ることができる。

又、前記太陽電池パネルの定額値が異なるものを使用する場合につても、図５の選定条件入力欄１０の出力電力定額入力窓１９、及び縦横の寸法入力窓２０，２１に選定した太陽電池パネルの定額値を入力することにより、異なる太陽電池パネル定額値での年間発電量を得て比較することができる。

上記したように、本発明によれば、太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を示す固定条件と、複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースからなる記録と、家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、予定設置枚数からなる選定条件入力条件とから、太陽電池パネルを設置する予定の各屋根方位面に対し、予定設置枚数の太陽電池パネルの設置配分を順次変化させて夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求め、得られた１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から予定設置枚数に対する年間発電量を得るようにしたので、太陽光発電システムを提供する業者は太陽光発電システムの導入前に、あらゆる地域・条件での家屋に最適な太陽電池パネルの設置方法を直接現地でユーザに提示することができ、一方、ユーザは、太陽光発電システムの導入前に太陽電池パネルの最良の設置条件と発電量を知ることができるので、予算内で最も効率の高い太陽光発電システムの導入した場合の投資対効果を検討して、明確な投資回収計画が構築できるという優れた効果を奏し得る。従って、ユーザは安心して太陽光発電システムの導入を検討することができるため、太陽光発電システムの普及に大きく貢献することができ、結果、太陽光発電システムの普及を促進して二酸化炭素の排出削減に貢献できる。

又、既に太陽光発電システムを導入しているユーザに対しては、稼動している当該太陽光発電システムの年次定期点検時等に、稼働している太陽光発電システムの実績発電量と、本発明により予測した発電量とを比較することにより、稼動している太陽光発電システムの健全性を客観的に確認することができ、早期の故障診断や増設計画などの運用にも適用でき、更に、このように健全性が確認できることにより、太陽光発電システムの保守サイクルの適正化、稼動率の向上にも寄与でき、よって保守ツールとしても有効に利用できる。

又、既存の太陽光発電システムユーザの立地条件や仕様条件が事前に判れば、本発明を用いて長期的な発電量の推測も可能であるため、今後、新設される太陽光発電システムによる発電量も含めて、温暖化効果ガスの削減量予測も可能になる。

尚、本発明の太陽光発電システムの発電量予測方法及び装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１家屋
２屋根
２Ｅ東方位面
２ＥＳ東南方位面
２Ｓ南方位面
２ＳＷ南西方位面
２Ｗ西方位面
３発電量予測装置
４固定条件入力部
５記憶部
６選定条件入力部
７演算部
８表示部
９固定条件入力欄
１０選定条件入力欄
１１結果表示欄

Claims

太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を入力する固定条件入力部と、複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースが入力された記憶部と、家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、予定設置枚数又は設置可能枚数を入力する選定条件入力部とを備え、
太陽電池パネルを設置する予定の各屋根方位面に対し、太陽電池パネルの設置配分を順次変化させた際の夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求めるステップと、
得られた１年間での最大・最小発電量の最大値を求めるステップと、
得られた１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から太陽電池パネルの予定設置設枚数又は設置可能枚数に対する年間発電量を得るステップと
からなることを特徴とする太陽光発電システムの発電量予測方法。
前記太陽電池パネルを設置する屋根方位面は、南面と東面、南面と西面、南面と東面と西面のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法。
前記予定設置枚数が、予定発電量に対応した予定設置枚数であり、予定発電量に対応した予定設置枚数による１年間での最大・最小発電量の最大値の中間値から求めた年間発電量が、前記予定発電量に一致しない時には、予定設置枚数を変更し、年間発電量が予定発電量と同等になるまで年間発電量を求める前記操作を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法。
前記太陽電池パネルの定額値を変更して前記操作を行うことにより、異なる太陽電池パネル定額値での年間発電量を得ることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法。
１年間での最大・最小発電量を求めるステップが、
太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を示す固定条件から、太陽電池パネルを設置する家屋での１日の太陽高度、方位、大気外日射量変化を求め、これらの値から時刻により変化する法線面直達日射量を求め、この時系列値から各屋根方位面に供給される傾斜面直達光日射量、散乱光日射量をシミュレートして加算することにより時刻で変化する各屋根方位面での全日射量を求める瞬時日射量計算ステップと、
時刻により変化する全日射量を太陽電池パネルの定格計測基準値により除算し、選択した太陽電池パネルの定格値を乗算することにより時刻で変化する太陽電池パネルの発電量を求める瞬時発電量計算ステップと、
太陽電池パネルの面積で除算した時系列で変化する各屋根方位面の傾斜面直達光日射量と、時系列で変化する太陽電池パネルの発電量に月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースの値から時系列で変化する太陽電池パネル表面の温度変化をシミュレートして温度変化による電力損失率を求め、同時刻の電力損失率を同時刻の太陽電池パネルの発電量に乗算して温度損失を含む太陽電池パネルの発電量を求め、この値を太陽高度＞０°である時間で積分を行い１日の全発電量を求める温度補正発電量計算ステップと、
１日の全発電量を求める演算を該当月の日数分順次計算して月次全発電量を求める、もしくは、月内で日照時間が平均的な１日を選択し該当月の日数を乗算することにより月次全発電量を求め、次いで、月次全発電量に複数年の月次最高／最低晴天率データベースから与えられる最大日照率、最小日照率を乗算し、月次最大・最小発電量を求める晴天率補正発電量計算ステップと、
太陽電池パネルの定格値、屋根方位面、取付角度、設置枚数に基づき、屋根方位面ごとに対する月次最大・最小発電量に当該屋根方位面に設置する太陽電池パネル枚数を乗算して、順次、東面、西面、南面の各屋根方位面について発電量を計算し、求めた結果を加算して太陽光発電システムとしての月次最大・最小発電量を求める操作を１月から１２月まで順次行い、太陽光発電システムとしての１年間での最大・最小発電量を求める１年間の最大・最小発電量計算ステップと
からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの発電量予測方法。
太陽電池パネルを設置する家屋の緯度、経度、標高、家屋方位角を示す固定条件を入力する固定条件入力部と、
複数年での月次最高／最低晴天率データベース、月次平均風速データベース、月次平均最高／最低気温データベースが入力される記憶部と、
家屋に取り付ける太陽電池パネルの定格値、取付角度、屋根方位面、予定設置枚数又は設置可能枚数を入力する選定条件入力部と、
太陽電池パネルを設置する予定の各屋根方位面に対し、太陽電池パネルの設置配分を順次変化させて夫々の設置配分での月別の最大・最小発電量をシミュレートして求めることにより１年間での最大・最小発電量を求める演算部と、
前記月別の最大・最小発電量の最大値と１年間での最大・最小発電量の最大値を表示する表示部と
を備えたことを特徴とする太陽光発電システムの発電量予測装置。