JP2015059923A - 日射量見積装置、日射量見積方法および日射量見積プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】日射を妨げる障害物の影響を考慮に入れて、正確かつ高速に日射量を見積もる。【解決手段】日射量見積装置１は、日射量の見積を行う時刻、地点および地点を基準とする視線方向を含む見積情報を取得する見積情報取得部２と、３Ｄモデル取得部３と、時刻および地点における太陽の方位を計算する太陽方位計算部４と、視線方向における全天を撮像して、二次元の天空図を生成する天空図撮像部５と、全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成し、各天空セクタを二次元の天空図の各ピクセルに対応づけるセクタ分割部６と、各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、太陽方位計算部で計算された方位に位置する太陽からの日射量を計算するとともに、日射を妨げる周辺地物が存在するか否かで日射量を調整するセクタ日射量計算部７と、各天空セクタに対応する各ピクセルの日射量を、すべての天空セクタ分積算して総日射量を計算する総日射量計算部８を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、日射量見積装置、日射量見積方法および日射量見積プログラムに関する。

日射量は都市環境やPVプラントの設計・評価のための基礎データであり、これを正確に見積もることは重要であるため、各種モデルが提案されている。

しかしながら、周辺地物が日射を遮ることに関しては、従来のいずれのモデルも無視しているか、天空率によって統計的に考慮するのみであり、正確に見積もる手法が提案されていない。これは、周辺地物の天空図を取得しなければならず、計算量が増大するためである。

周辺地物からは反射日射が生じるが、従来の日射量評価では、周辺地物を考慮に入れていないため、反射日射量を見積もる手法も提案されていない。総日射量に占める反射日射量の割合は大きくはないが、住環境では重要なファクターであり、また、特定の条件下では無視できなくなる。例えば雪の光の反射率は0.8で、豪雪地帯では全日射量に最大10%程度の影響を与える。

ただし、周辺地物や反射日射量を考慮した正確な日射量見積手法を実装するには、膨大な計算量が必要となり、従来モデルの日射量見積に比べて高速性が犠牲になる。

特開２０１２−１７３０５７号公報 特開２０１０−１６９６９９号公報 特開２０１１−５８８１４号公報

P. 2000. A Geometric Solar Radiation Model with Applications in Landscape Ecology. Ph.D. Thesis, Department of Geography, University of Kansas, Lawrence, Kansas, USA.

本発明が解決しようとする課題は、日射を妨げる障害物の影響を考慮に入れて、正確かつ高速に日射量を見積もることが可能な日射量見積装置、日射量見積方法および日射量見積プログラムを提供することである。

本実施形態では、日射量の見積を行う時刻、地点および前記地点を基準とする視線方向を含む見積情報を取得する見積情報取得部と、前記見積情報取得部で取得した地点における周辺の３Ｄモデルであって、周辺地物を含む３Ｄモデルを取得する３Ｄモデル取得部と、前記見積情報に基づいて、前記時刻および地点における太陽の方位を計算する太陽方位計算部と、前記見積情報に含まれる視線方向における全天を撮像して、二次元の天空図を生成する天空図撮像部と、前記全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成し、各天空セクタを前記二次元の天空図の各ピクセルに対応づけるセクタ分割部と、各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、前記太陽方位計算部で計算された方位に位置する太陽からの日射量を計算するとともに、日射を妨げる周辺地物が存在するか否かで前記日射量を調整するセクタ日射量計算部と、前記セクタ日射量計算部で計算された各天空セクタに対応する各ピクセルの日射量を、すべての天空セクタ分積算して総日射量を計算する総日射量計算部と、を備える日射量見積装置が提供される。

第１の実施形態に係る日射量見積装置１の概略構成を示すブロック図。 図１の日射量見積装置１をより具体化したブロック図。 環境マップの一例を示すキューブマップ２１を示す図。 仮想曲面鏡２０の表面に映り込んだ天空の様子を矢印で示す方向から天空図撮像部５が撮像する様子を示す図。 天空図撮像部５が撮像して生成した天空図２２を示す図。 （ａ）は仮想曲面鏡を３次元の座標空間に配置した図、（ｂ）は天空図を２次元の座標空間に配置した図。 曲面ｇ（ｘ）の断面形状を示す図。 曲面鏡の上側球面の９０度部分を示す図。 セクタ日射量計算部の処理動作を説明する図。 第２の実施形態に係る日射量見積装置１の処理手順を示すフローチャート。 第３の実施形態に係る日射量見積装置１の概略構成を示すブロック図。 第３の実施形態に係る日射量見積装置１の処理手順を示すフローチャート。 第４の実施形態による日射量見積装置１の概略構成を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る日射量見積装置１の概略構成を示すブロック図である。図１の日射量見積装置１は、見積情報取得部２と、３Ｄモデル取得部３と、太陽方位計算部４と、天空図撮像部５と、セクタ分割部６と、セクタ日射量計算部７と、総日射量計算部８とを備えている。

見積情報取得部２は、日射量の見積を行う時刻、地点およびこの地点を基準とする視線方向を含む見積情報を取得する。見積情報の具体的な取得方法は問わない。例えば、見積情報取得部２は、ユーザがキーボード等の入力装置を用いて入力した見積情報を取得してもよいし、有線または無線にて他の通信装置から見積情報を取得してもよい。

３Ｄモデル取得部３は、見積情報取得部２で取得された見積情報に含まれる地点の周辺の三次元画像データ（以下、３Ｄモデル）であって、周辺地物を含む３Ｄモデルを取得する。３Ｄモデルの具体的な取得方法は問わない。例えば、３Ｄモデル取得部３は、サーバ等にアクセスして、見積情報に含まれる地点の周辺の３Ｄモデルを取得してもよいし、３Ｄモデルを生成するツールを使用してもよい。ここで、地点の周辺とは、地点を中心とする予め定めた範囲でもよいし、地点を中心とする任意に設定可能な範囲でもよい。具体的な一例としては、地点を中心とする所定の半径の範囲である。

太陽方位計算部４は、上述した見積情報に基づいて、見積を行う時刻および地点における天空中の太陽の方位を計算する。ここでは、例えば、数値演算により、太陽の位置を計算する。

天空図撮像部５は、見積情報に含まれる視線方向における３Ｄモデルを含む全天を撮像して、二次元の天空図を生成する。より具体的には、天空図撮像部５は、３Ｄモデルを含む全天に、太陽方位計算部４で計算された太陽の位置から照射される太陽光の映り込む様子を撮像し、二次元の天空図を生成する。天空図は、後述するように、複数のピクセルからなる二次元画像データである。

セクタ分割部６は、全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成し、各天空セクタを天空図の各ピクセルに対応づける。

セクタ日射量計算部７は、各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、太陽方位計算部４で計算された方位に位置する太陽からの日射量を計算するとともに、日射を妨げる障害物すなわち周辺地物が存在するか否かで日射量を調整する。ここで、周辺地物とは、例えば、太陽光を遮蔽または反射する建物や樹木などである。

総日射量計算部８は、セクタ日射量計算部７で計算された各天空セクタに対応する各ピクセルの日射量を、すべての天空セクタ分積算して総日射量を計算する。

このように、第１の実施形態による日射量見積装置１は、日射量の見積を行う時刻、地点および視線方向と、太陽の方位と、周辺地物とを考慮に入れて、天空セクタごとに日射量を計算するため、正確に総日射量を見積もることができる。特に、本実施形態によれば、太陽からの日射が周辺地物により遮蔽されることを考慮に入れて日射量を計算できる。

（第２の実施形態）
太陽からの日射は、直射日射、一様日射、散乱日射および反射日射の４種類に分類することができる。このうち、直射日射は、太陽とその周辺の高輝度天空から直接届く日射成分であり、総日射量の約５０％を占める。一様日射は、全天で一様な日射成分であり、総日射量の約２５％を占める。散乱日射は、地平線付近からのレイリー散乱による日射成分であり、総日射量の約２５％である。反射日射は、太陽光を受けた周辺地物表面の反射による日射成分であり、総日射量に占める割合はわずかである。したがって、反射日射を考慮に入れずに総日射量を計算しても、それほど精度に影響はない。

以下に説明する第２の実施形態による日射量見積装置１は、総日射量に占める割合の大きい、直射日射、一様日射および散乱日射を考慮に入れて総日射量を計算することを特徴とする。

図２は図１の日射量見積装置１をより具体化したブロック図である。図２の日射量見積装置１は、図１の構成に加えて、環境マップ生成部９と、個別日射成分マスク生成部１０と、視線方向減衰マスク生成部１１と、仮想曲面鏡配置部１２と、ＧＰＵ制御部１３とを有する。

環境マップ生成部９は、見積情報取得部２で取得された見積情報に含まれる地点を中心として、見積情報に含まれる視線方向を向いたときに、その周辺の様子をレンダリングした環境マップを生成する。環境マップには、周辺地物の情報が含まれている。環境マップ生成部９は、ある地点の周辺のリフレクションマッピングを行えるものであれば、どのような手法で環境マップを生成してもよい。

図３は環境マップの一例を示すキューブマップ２１を示す図である。図３のキューブマップ２１は、ある地点の周辺を、それぞれ９０°ずつ異なる６つの平面からなる立方体で表したものである。例えば、ある地点で東に向いている場合は、立方体の上面は天の方向、下面は地の方向、残り３つの側面は北、南、西の方向になる。

個別日射成分マスク生成部１０は、３Ｄモデルを含む天空上の各天空セクタに対応する天空図の各ピクセルごとに、直射日射、一様日射および散乱日射の３種類の日射成分を計算してマスクデータを生成する。ここで、マスクデータとは、ＧＰＵが処理可能なテクスチャデータである。後述するように、本実施形態では、各天空セクタにおける３種類の日射成分を、二次元画像データからなる天空図の対応ピクセルの色の値として表現したマスクデータを生成する。

個別日射成分マスク生成部１０は、各天空セクタ内に日射を妨げる何らかの障害物すなわち周辺地物があれば、その天空セクタの日射成分を特定の値に設定する。すなわち、ある天空セクタ内の少なくとも一部に障害物があれば、直射日射、一様日射および散乱日射をゼロとして、日射成分を特定の値に設定する。セクタ日射量計算部７は、個別日射成分マスク生成部１０が生成したマスクデータを合算して、各天空セクタの日射量を計算する。個別日射成分マスク生成部１０の詳細な処理動作は後述する。

視線方向減衰マスク生成部１１は、見積情報に含まれる視線方向と、各天空セクタの方向との為す角度に応じて日射量に減衰をかけるためのマスクデータを生成する。典型的には、視線方向減衰マスク生成部１１は、視線方向の天空セクタに対応するピクセルは白、視線方向と直交する方向の天空セクタに対応するピクセルは黒、その間の方向の天空セクタに対応するピクセルは視線方向との為す角度の余弦に比例した灰色になるような白黒濃淡画像からなるマスクデータを生成する。なお、視線方向減衰マスク生成部１１は、必須の構成部ではなく、省略してもよい。

仮想曲面鏡配置部１２は、鏡面からなる曲面を有するデータ構造である仮想曲面鏡を、見積情報に含まれる地点で、見積情報に含まれる視線方向に向けて配置する。天空図撮像部５は、仮想曲面鏡配置部１２が配置した仮想曲面鏡を上方から撮像して天空図を生成する。

図４は仮想曲面鏡２０の表面に映り込んだ天空の様子を矢印で示す方向から天空図撮像部５が撮像する様子を示す図、図５は天空図撮像部５が撮像して生成した天空図２２を示す図である。図５の天空図２２には、３Ｄモデル内の周辺地物（例えば、建物）が太陽光を受けて白黒の濃淡で表示されている。黒は太陽光の陰になっている部分、白は太陽光を受けて反射している部分を示している。

図２の日射量見積装置１は、ハードウェアとソフトウェアのいずれでも構成可能であるが、ソフトウェアで構成する場合、例えば、不図示のＣＰＵとＧＰＵが分担して図２の日射量見積装置１の処理を実行することができる。この場合、ＣＰＵは、３Ｄモデル取得部３、見積情報計算部、太陽方位計算部４、仮想曲面鏡配置部１２、ＧＰＵ制御部１３および総日射量計算部８の各処理を行う。ＧＰＵ制御部１３は、ＧＰＵの動作を制御する。また、ＧＰＵは、環境マップ生成部９、個別日射成分マスク生成部１０、天空図撮像部５、およびセクタ日射量計算部７の各処理を行う。

ＧＰＵは、並列演算処理を行うことができるため、同種の処理を複数の天空セクタやピクセル等について繰り返し行う必要がある場合に、その処理をＧＰＵが行うことで、処理の高速化が図れる。環境マップ生成部９、個別日射成分マスク生成部１０、天空図撮像部５およびセクタ日射量計算部７のいずれの処理も、多数の天空セクタやピクセル等について、同種の処理を繰り返さなければならないため、これらの処理をＧＰＵに任せることで、ＣＰＵの負担を軽減できるとともに、処理の高速化が図れる。

ＧＰＵは、ピクセル演算機能を備えており、画素（ピクセル）単位で、ＲＧＢの各色の画像処理を並行して行うことができる。そこで、３種類の日射（直射、一様、散乱）成分を例えばＲＧＢの各色に割り当てて、個別日射成分マスク生成部１０の処理をＧＰＵにて同時並行的に行わせることができる。

より具体的には、太陽光とともに周辺地物が写し込まれた仮想曲面鏡を、天空図撮像部５で撮像して得られた天空図の各ピクセルの色情報に３種類の日射量を割り振り、ＧＰＵのピクセル演算処理により、総日射量を計算させる。この場合、天空図の各ピクセルごとに障害物があるか否かを考慮するとともに、必要に応じて視線方向と天空セクタの方向との為す角度に応じて日射量を減衰させる。

図６（ａ）は仮想曲面鏡を３次元の座標空間に配置した図、図６（ｂ）は天空図を２次元の座標空間に配置した図である。仮想曲面鏡の半径をＲ、微小領域のｘ軸からの為す角度をθ、ｚ軸からの為す角度をφとすると、仮想曲面鏡の表面上の微小領域のｘ方向の一辺の長さは、Ｒｓｉｎφｄθで表される。また、微小領域のｚ方向の一辺の長さは、Ｒｄφで表される。よって、微小領域の面積は、Ｒ^２ｓｉｎφｄθｄφで表される。

仮想曲面鏡の微小領域に対応する天空図中の微小面積は、天空図の中心位置からこの微小面積までの長さをｆ(φ)、中心位置から微小面積の両端までの為す角度をΔθとすると、微小面積の一辺は、ｆ'(φ)ｄφで表され、他辺は、ｆ(φ)ｄθで表される。よって、微小面積は、ｆ(φ)ｆ'(φ)ｄθｄφで表される。

仮想曲面鏡の表面上の微小領域の面積Ｒ^２ｓｉｎφｄθｄφと、天空図中の微小面積ｆ(φ)ｆ'(φ)ｄθｄφとは比例することから、微分方程式を解くと、以下の（１）式が得られる。

ｆ(φ)＝ｋ・ｓｉｎ(ｘ／２) …（１）

仮想曲面鏡の表面上の微小領域の面積と天空図中の微小面積とが比例関係にあることは等積射影と呼ばれる。仮想曲面鏡への映り込みの結果が等積射影となるような曲面形状をｇ(ｘ)とする。すなわち、仰角φの方角にある物体からの光が、この曲面の中央の凸部から水平方向にｆ(φ)離れた地点Ａで反射した場合、カメラ方向（垂直方向）に向かっていく曲面ｇ(ｘ)を求める。この曲面は回転形状であり、その断面形状は図７で表される。

入射光と反射光の関係から、この地点Ａの傾き角度ａは、φ／２になる。この傾き角度ａをグラフ上の傾きとして表現すると、ｇ'(ｆ(φ))となる。これら２つは一致するため、以下の（２）式が得られる。

ｇ'(ｆ(φ))＝−ｔａｎ(φ／２) …（２）

ここで、ｘ＝ｆ(φ)と置くと、上述した（１）式は以下の（３）式のように書き換えることができる。

よって、（２）式と（３）式から、以下の（４）式が成り立つ。

（４）式の微分方程式を解くと、以下の（５）式が得られる。

ただし、

（５）式と（６）式は、上述した曲面鏡の上側球面の９０度部分の鏡（図８を参照）を用いることで、天空図中の微小面積が天空セクタの面積と常に比例することを示している。

このように、天空セクタの面積と天空図中の微小面積が比例する天空図（等積天空図）を用いることで、セクタ日射量計算部７は、重み付き積算ではなく、単なる積算処理をすればよくなり、より高速に日射量を計算できる。また、天空図は二次元画像であり、歪みがないことから、天空図の各ピクセルの情報量をくまなく活用でき、計算精度を向上できる。

次に、個別日射成分マスク生成部１０の処理動作について詳述する。個別日射成分マスク生成部１０は、各天空セクタごとに、直達日射成分、一様日射成分および散乱日射成分を、それぞれ異なる色（例えば、赤、緑および青）の値として表現する。すなわち、個別日射成分マスク生成部１０は、各天空セクタの各日射成分をピクセル画像として表現する。これにより、ＧＰＵのピクセル演算機能を効率的に生かすことができる。なお、各日射成分をそれぞれ異なる色の値として表現することは、ＧＰＵでの処理を行いやすくするための一例であり、必須の処理ではない。

本明細書では、直達日射成分、一様日射成分および散乱日射成分を計算で求めた値をそれぞれ、直達日射量、一様日射量および散乱日射量と呼ぶ。直達日射量、一様日射量および散乱日射量の計算手法は、公知の計算手法を用いればよい。以下では、非特許文献１に開示された計算手法を用いて各日射量を計算する例を説明する。

天空図上の各ピクセルに対応する天頂角θ（垂直線からの角度）と方位角（北からの角度）に対し、天空セクタからの直達日射量Dirθ,αは、以下の（７）式で計算される。

Dirθ,α = Sconst × βm(θ) × SunDurθ,α × SunGapθ,α × cos(AngInθ,α) …（７）

ただし、m(θ) = EXP(-0.000118 × Elev - 1.638*10^-9 × Elev2) / cos(θ)、
AngInθ,α = acos(cos(θ) × cos(Gz) + sin(θ) ×sin(Gz) × cos(α-Ga) )

（７）式中の各定数および関数の具体的内容は、以下の通りである。
SConstは、地球と太陽間の平均距離における大気圏外の太陽エネルギー束。βは、最短距離（天頂角の方向）での大気圏の透過率（波長全体での平均値）。m(θ)は、天頂角の光路長に対する比率として計測される相対光路長。ただしθは太陽天頂角、Elevは標高（単位: メートル）。SunDurθ,αは、天空セクタが表す時間。SunGapθ,αは、太陽軌道図セクタのギャップ比率。AngInθ,αは、天空セクタの重心とサーフェスに垂直な軸との間の入射角。Gzは、サーフェスの天頂角。
一様日射量Uniは、天空セクタの天頂角および方位角に関わらず、一定の値になる。

散乱日射量Difθ,αは、以下の（８）式で計算される。

Difθ,α = Rglb × Pdif × Dur × SkyGapθ,α × Weightθ,α × cos(AngInθ,α) …（８）

ただし、Rglb = (SConst Σ(βm(θ))) / (1 - Pdif)、
Weightθ,α = (2cosθ2 + cos2θ2 - 2cosθ1 - cos2θ1) / 4 × Divazi

（８）式中の各定数および関数の具体的内容は、以下の通りである。
Rglbは全天標準日射量。Pdiは 全天標準日射量のうち散乱する比率。Durは解析の時間間隔。SkyGapθ,αは天空セクタのギャップ比率（全天可視領域の割合）。Weightθ,αは指定した天空セクタを起点とする散乱日射の、すべてのセクタに対する比率。AngInθ,αは天空セクタの重心と入射面との間の入射角。θ1 と θ2は天空セクタの境界の天頂角。Divaziは天空図の方位角方向の分割数。

セクタ日射量計算部７は、図９に示すように、個別日射成分マスク生成部１０と視線方向減衰マスク生成部１１で生成された各マスクデータを乗算し、さらに、天空図内で障害物により日射が遮蔽されている場合はその分を減衰させることにより、天空セクタごとの日射量を計算する。天空セクタごとの直達、一様および散乱の各日射量を合算した日射量Globalθ,αは以下の（９）式のようになる。

Globalθ,α＝Dirθ,α＋Uni＋Difθ,α …（９）

（９）式の天空セクタごとの日射量Globalθ,αを、全天空セクタ分集計することで、以下の（１０）式のように、総日射量が計算できる。

Global＝ΣGlobalθ,α×ｋθ,α×Ｓθ,α …（１０）

ただし、ｋθ,αは天空セクタの面積に応じた比率、Ｓθ,αは天空セクタの方向が障害物により遮蔽されているか否かを表すパラメータである。視線方向による減衰を考慮に入れる場合は、その分のパラメータを天空セクタごとに上述した（１０）式に掛け合わせることになる。

図１０は第２の実施形態に係る日射量見積装置１の処理手順を示すフローチャートである。まず、見積情報取得部２は、日射量の見積を行う時刻、地点および視線方向を含む見積情報を取得する（ステップＳ１）。次に、３Ｄモデル取得部３は、見積情報に含まれる地点の周辺の３Ｄモデルを取得する（ステップＳ２）。

次に、太陽方位計算部４は、見積情報に基づいて、見積を行う時刻および地点における天空中の太陽の方位を計算する（ステップＳ３）。次に、環境マップ生成部９は、見積情報に含まれる地点を中心として、視線方向を向いた環境マップを生成する（ステップＳ４）。

次に、仮想曲面鏡配置部１２は、鏡面からなる曲面を有するデータ構造である仮想曲面鏡を生成する（ステップＳ５）。次に、仮想曲面鏡配置部１２は、生成した仮想曲面鏡を、見積情報に含まれる地点で視線方向に向けて配置するための計算を行う（ステップＳ６）。この仮想曲面鏡の表面には、環境マップのレンダリング画像が映り込まれることになる。これは、仮想曲面鏡の表面に、仮想曲面鏡の周辺地物と太陽光が映り込まれることと等価である。

次に、天空図撮像部５は、仮想曲面鏡配置部１２が配置した仮想曲面鏡の直交射影を撮像するためのカメラの位置を計算し（ステップＳ７）、計算したカメラの位置から仮想曲面鏡を撮像して、二次元画像データからなる天空図を生成する（ステップＳ８）。

次に、個別日射成分マスク生成部１０は、３Ｄモデルを含む天空の各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、直射、一様、散乱日射のマスクデータを生成する（ステップＳ９）。次に、視線方向減衰マスク生成部１１は、見積情報に含まれる視線方向と、各天空セクタの方向との為す角度に応じて日射量に減衰をかけるためのマスクデータを生成する（ステップＳ１０）。

次に、セクタ分割部６にて、３Ｄモデルを含む全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成して、各天空セクタを二次元の天空図の各ピクセルに対応づける。そして、各天空セクタに対応する天空図の各ピクセルごとに、直射、一様、散乱日射のマスクデータと、視線方向減衰のためのマスクデータと、天空セクタの面積に応じた比率と、障害物で日射が遮蔽しているか否かを示すパラメータとを掛け合わせて、各天空セクタの日射量を計算する（ステップＳ１１）。

次に、天空図中の全ピクセルについて、ステップＳ９〜Ｓ１１の処理を行ったか否かを判定し（ステップＳ１２）、全ピクセルについての日射量が計算されるまでステップＳ９〜Ｓ１１の処理を繰り返す。

天空図中の全ピクセルについて日射量が計算できると、これらを積算して総日射量を計算して出力する（ステップＳ１３）。

なお、視線方向減衰マスク生成部１１は省略することも可能であり、この場合は、ステップＳ１０の処理は不要となり、ステップＳ１１の処理では障害物で日射が遮蔽しているか否かを示すパラメータを掛け合わせる必要がなくなる。

このように、第２の実施形態では、仮想曲面鏡の微小領域の面積と天空図中の微小面積とが比例する仮想曲面鏡と天空図を用いることで、セクタ日射量計算部７では、重み付けした積算処理ではなく、単なる積算処理を行えばよくなり、迅速に日射成分を計算可能となる。また、変換後の天空図には歪みがないため、天空図内の各ピクセルの情報量をくまなく活用でき、日射分布を精度よく計算できる。

さらに、第２の実施形態では、二次元画像データからなる天空図内の各ピクセルの色情報に、直射日射、一様日射および散乱日射に関する情報を割り当てるため、ＧＰＵが複数のピクセルの処理を並行して行いやすくなり、総日射量を迅速に計算できる。

（第３の実施形態）
図１１は第３の実施形態に係る日射量見積装置１の概略構成を示すブロック図である。図１１の日射量見積装置１は、図２の構成に加えて、反射日射成分マスク生成部１４を備えている。反射日射成分マスク生成部１４は、３Ｄモデルを含む天空の各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、周辺地物からの反射日射成分のマスクデータを生成する。

セクタ日射量計算部７は、各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、個別日射成分マスク生成部１０が生成したマスクデータと、反射日射成分マスク生成部１４が生成したマスクデータとを合算して、各ピクセルの日射成分のマスクデータを計算する。

上述したように、個別日射成分マスク生成部１０は、直射、一様、散乱の３種類の日射成分を、各ピクセルのそれぞれ異なる色情報に割り当てたが、反射日射成分マスク生成部１４は、生成したマスクデータを、各ピクセルの透明情報に割り当てる。これにより、個別日射成分マスク生成部１０が生成したマスクデータと反射日射成分マスク生成部１４が生成したマスクデータとを、各ピクセルの色および透明情報として割り当てることができ、ＧＰＵが得意とするピクセル演算にて処理を行うことができ、高速処理が可能となる。

図１２は第３の実施形態に係る日射量見積装置１の処理手順を示すフローチャートである。図１２のフローチャートは、図１０のフローチャートのステップＳ８とＳ９の間に、ステップＳ１４を追加したものである。このステップＳ１４では、反射日射成分マスク生成部１４は、各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、反射日射に関するマスクデータを生成する。

ステップＳ１４の後は、図１０のステップＳ９以降と同様の処理が行われる。なお、ステップＳ１４の処理は、ステップＳ９〜Ｓ１１の間に設けてもよい。

このように、第３の実施形態では、反射日射成分マスク生成部１４を設けて、周辺地物からの反射日射を考慮に入れて日射量を計算するため、太陽光の直接光だけでなく、間接光も考慮に入れて日射量を計算でき、日射量の計算精度を向上できる。

（第４の実施形態）
以下に説明する第４の実施形態は、日射量見積装置１を太陽光発電パネルの設置に応用するものである。

図１３は第４の実施形態による日射量見積装置１の概略構成を示すブロック図である。図１３の日射量見積装置１は、図１の構成に、最適条件検索部１５を追加したものである。

太陽光発電パネルは、太陽光に対して最適な方位角および傾斜角に設置しないと、発電効率が落ちることが知られている。ところが、太陽光の方角は、時刻および季節によって変化するため、太陽光発電パネルを最適な方位角および傾斜角に設定するのは容易ではない。

そこで、本実施形態では、見積情報取得部２で取得する視線方向を、太陽光発電パネルの方位角および傾斜角の少なくとも一方とみなして、太陽光発電パネルに照射される総日射量が最大になるような最適条件を、最適条件検索部１５で検索する。

より詳細には、最適条件検索部１５は、太陽光発電パネルの設置場所、方位角および傾斜角の少なくとも一つを変えて、太陽光発電パネルに照射される総日射量が最大となる最適条件を検索する。

太陽光発電パネルの最適な方位角および傾斜角を求めることは、大域的最適化問題であり、単純な解決手法としては、太陽光発電パネルのすべての方位角および傾斜角を一定の単位（例えば１０度おき）で変えて、網羅的に試行することが考えられる。その他、太陽光発電パネルの現在の方位角および傾斜角を少しずらして試行し、より日射量が増える方向に方位角および傾斜角を変える山登り法や焼きなまし法などを用いてもよい。

また、太陽光発電パネルは、複数のパネルを直列接続したストリング単位で実装することが多く、各ストリング内で最低の発電量のパネルにより、そのストリングの発電量が決まってしまう。よって、各ストリング内の各パネルに照射される日射量にばらつきがない方が望ましい。あるいは、各パネルごとに撮像した天空図に基づいて、太陽光を受ける時間帯および日射量が同じ傾向のパネルを、同じストリングとしてまとめるようにしてもよい。

このように、第４の実施形態によれば、日射量見積装置１を利用して太陽光発電パネルの設置場所、方位角および傾斜角を最適化することができ、太陽光発電パネルの発電効率を向上できる。また、日射量見積装置１を用いることで、一つのストリングとしてまとめるのに最適な複数の太陽光発電パネルを選定でき、各ストリングでの発電量を増大できる。

上述した実施形態で説明した日射量見積装置１の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、日射量見積装置１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。

また、日射量見積装置１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 日射量見積装置、２ 見積情報入力部、３ ３Ｄモデル取得部、４ 太陽方位計算部、５ 天空図撮像部、６ セクタ分割部、７ セクタ日射量計算部、８ 総日射量計算部、９ 環境マップ生成部、１０ 個別日射成分マスク生成部、１１ 視線方向減衰マスク生成部、１２ 仮想曲面鏡配置部、１３ ＧＰＵ制御部、１４ 反射日射成分マスク生成部、１５ 最適条件検索部

Claims (12)

1. 日射量の見積を行う時刻、地点および前記地点を基準とする視線方向を含む見積情報を取得する見積情報取得部と、
   前記見積情報取得部で取得した地点における周辺の３Ｄモデルであって、周辺地物を含む３Ｄモデルを取得する３Ｄモデル取得部と、
   前記見積情報に基づいて、前記時刻および地点における太陽の方位を計算する太陽方位計算部と、
   前記見積情報に含まれる視線方向における全天を撮像して、二次元の天空図を生成する天空図撮像部と、
   前記全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成し、各天空セクタを前記二次元の天空図の各ピクセルに対応づけるセクタ分割部と、
   各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、前記太陽方位計算部で計算された方位に位置する太陽からの日射量を計算するとともに、日射を妨げる周辺地物が存在するか否かで前記日射量を調整するセクタ日射量計算部と、
   前記セクタ日射量計算部で計算された各天空セクタに対応する各ピクセルの日射量を、すべての天空セクタ分積算して総日射量を計算する総日射量計算部と、を備える日射量見積装置。
2. 前記セクタ日射量計算部は、前記複数の天空セクタのそれぞれごとに、直射日射量、散乱日射量および一様日射量を合算する請求項１に記載の日射量見積装置。
3. 前記セクタ日射量計算部は、前記複数の天空セクタのそれぞれごとに、前記周辺地物からの反射日射量を、直射日射量、散乱日射量および一様日射量と合算する請求項２に記載の日射量見積装置。
4. 前記天空図の各ピクセルは、一つの前記天空セクタに対応づけられており、
   前記セクタ日射量計算部は、前記複数の天空セクタのそれぞれごとの直射日射量、散乱日射量および一様日射量を、各天空セクタに対応する前記天空図上のピクセルのそれぞれ異なる色の値として計算する請求項２または３に記載の日射量見積装置。
5. 前記天空図の各ピクセルは、一つの前記天空セクタに対応づけられており、
   前記セクタ日射量計算部は、前記複数の天空セクタのそれぞれごとの直射日射量、散乱日射量および一様日射量を、各天空セクタに対応する前記天空図上のピクセルのそれぞれ異なる色の値として計算し、かつ前記周辺地物からの反射日射量を、対応するピクセルの透明値として計算する請求項３に記載の日射量見積装置。
6. 前記天空図の各ピクセルは、一つの前記天空セクタに対応づけられており、
   前記天空図の各ピクセルは、太陽からの光が障害物により妨げられているか否かを示す２値データであり、
   前記総日射量計算部は、前記天空図の各ピクセルの二値データと、対応する天空セクタの日射量と、前記天空図の各ピクセル値を対応する天空セクタの面積に応じた比率とを乗じた値を、全天空セクタ分積算して前記総日射量を計算する請求項１乃至５のいずれかに記載の日射量見積装置。
7. 前記セクタ日射量計算部は、前記見積情報に含まれる視線方向と各天空セクタとの為す角度に応じて、日射量の減衰度を計算し、この減衰度に応じて日射量を調整する請求項１乃至６のいずれかに記載の日射量見積装置。
8. 鏡面からなる曲面を有するデータ構造である仮想曲面鏡を、前記見積情報に含まれる地点および視線方向に配置する仮想曲面鏡配置部と、
   前記見積情報に含まれる地点で、前記見積情報に含まれる視線方向を向いた場合に、周辺の様子をレンダリングした環境マップを生成する環境マップ生成部と、を備え、
   前記天空図撮像部は、前記仮想曲面鏡配置部が配置した前記仮想曲面鏡の表面に映り込まれる前記環境マップの様子を撮像して前記天空図を生成する請求項１乃至７のいずれかに記載の日射量見積装置。
9. 前記仮想曲面生成部は、球面の鏡を９０°角で切り取った形状のデータ構造である前記仮想曲面鏡を生成する請求項８に記載の日射量見積装置。
10. 前記見積情報取得部は、太陽光発電パネルの設置場所を前記地点とし、前記太陽光発電パネルの方位角および傾斜角を前記視線方向として、前記見積情報を繰り返し取得し、
    前記太陽光発電パネルの設置場所、方位角および傾斜角の少なくとも一つを変えて、総日射量が最大となる最適条件を検索する最適条件検索部を備える請求項１乃至９のいずれかに記載の日射量見積装置。
11. 日射量の見積を行う時刻、地点および前記地点を基準とする視線方向を含む見積情報を取得するステップと、
    前記見積情報に含まれる地点における周辺の３Ｄモデルであって、周辺地物を含む３Ｄモデルを取得するステップと、
    前記見積情報に基づいて、前記時刻および地点における太陽の方位を計算するステップと、
    前記見積情報に含まれる視線方向における全天を撮像して、二次元の天空図を生成するステップと、
    前記全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成し、各天空セクタを前記二次元の天空図の各ピクセルに対応づけるステップと、
    各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、前記太陽方位計算部で計算された方位に位置する太陽からの日射量を計算するとともに、日射を妨げる周辺地物が存在するか否かで前記日射量を調整するステップと、
    前記計算された各天空セクタに対応する各ピクセルの日射量を、すべての天空セクタ分積算して総日射量を計算するステップと、を備える日射量見積方法。
12. 日射量の見積を行う時刻、地点および前記地点を基準とする視線方向を含む見積情報を取得するステップと、
    前記見積情報に含まれる地点における周辺の３Ｄモデルであって、周辺地物を含む３Ｄモデルを取得するステップと、
    前記見積情報に基づいて、前記時刻および地点における太陽の方位を計算するステップと、
    前記見積情報に含まれる視線方向における全天を撮像して、二次元の天空図を生成するステップと、
    前記全天を複数に分割して複数の天空セクタを生成し、各天空セクタを前記二次元の天空図の各ピクセルに対応づけるステップと、
    各天空セクタに対応する各ピクセルごとに、前記太陽方位計算部で計算された方位に位置する太陽からの日射量を計算するとともに、日射を妨げる周辺地物が存在するか否かで前記日射量を調整するステップと、
    前記計算された各天空セクタに対応する各ピクセルの日射量を、すべての天空セクタ分積算して総日射量を計算するステップと、をコンピュータに実行させる日射量見積プログラム。