JP4856454B2

JP4856454B2 - 太陽電池設置評価装置、太陽電池設置評価プログラム、及び太陽電池設置評価算出方法

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Publication number: JP4856454B2
Application number: JP2006073366A
Authority: JP
Inventors: 友裕黒木; 好幸田ノ畑; 祥明樋口; 憲男井川; 惠司芳村; 正和林; 哲之白井
Original assignee: Kyocera Corp; Takenaka Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Takenaka Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP2007249693A

Description

本発明は、太陽電池設置評価装置、太陽電池設置評価プログラム、及び太陽電池設置評価算出方法に係り、特に、太陽電池パネルを建物の屋根に設置することに関する評価指標を出力する太陽電池設置評価装置、太陽電池設置評価プログラム、及び太陽電池設置評価算出方法に関する。

従来、建物の屋根に太陽電池パネルが設置され、太陽電池パネルによって発電された電気が建物内の電気製品に利用されている。

太陽電池パネルは、設置する場所などによって発電量が変化するため、年間の発電量や特定期間の発電力を最大とすることを目的として、太陽電池モジュールのレイアウト情報に基づいて、太陽電池の発電能力及び収支金額を求めるレイアウト設計装置が知られている（特許文献１）。また、太陽電池及び周辺障害物の位置と大きさとに基づいて、太陽電池の発電電力量を得る出力特性予測プログラムが知られている（特許文献２）。

また、太陽電池を設置する建物の住所に関する周辺環境データを取得し、取得した周辺環境データに基づいて、太陽光発電システムの発電量を算出する発電量推定方法が知られている（特許文献３）。
特開２００４−１２６９４６特開２００４−１７８０９８特開２００３−２４２２３２

しかしながら、特許文献１記載のレイアウト設計装置、特許文献２記載の出力特性予測プログラム、及び特許文献３記載の発電量推定方法では、発電量のみを評価しており、太陽電池パネル設置による日射遮蔽によって生じる建物への熱的な影響を評価していないため、総合的な効果を考慮した精度の高い評価を行うことができない、という問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、太陽電池パネルの発電量だけでなく、設置による建物内への熱的な影響も考慮した総合的な評価指標によって、精度の高い評価を行うことができる太陽電池設置評価装置、太陽電池設置評価プログラム、及び太陽電池設置評価算出方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る太陽電池設置評価装置は、建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出する日射量算出手段を含み、前記太陽電池パネルの受光面面積及び前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、前記太陽電池パネルによる発電量を算出する発電量算出手段と、前記建物の屋根の構成と、前記受光面の方向と、前記受光面の面積と、前記太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、前記気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の前記屋根の第１の貫流熱を算出する第１の貫流熱算出手段と、前記建物の屋根の構成と、前記気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び前記風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の前記屋根の第２の貫流熱を算出する第２の貫流熱算出手段と、前記第１の貫流熱算出手段及び前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第１の貫流熱及び前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを前記建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出する設置時貫流熱算出手段と、前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出する非設置時貫流熱算出手段と、前記設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、前記太陽電池パネルが前記建物の屋根に設置されることによって削減される相当電力を算出する相当電力算出手段と、前記発電量算出手段によって算出された発電量及び前記相当電力算出手段によって算出された相当電力の和に基づいて算出された前記太陽電池パネルの設置に関する評価指標を出力する評価指標出力手段と、前記発電量及び前記相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの前記屋根に対する高さを算出する最適設置形態算出手段と、含んで構成されている。

また、本発明に係る太陽電池設置評価プログラムは、コンピュータを、建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出する日射量算出手段を含み、前記太陽電池パネルの受光面面積及び前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、前記太陽電池パネルによる発電量を算出する発電量算出手段、前記建物の屋根の構成と、前記受光面の方向と、前記受光面の面積と、前記太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、前記気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の前記屋根の第１の貫流熱を算出する第１の貫流熱算出手段、前記建物の屋根の構成と、前記気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び前記風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の前記屋根の第２の貫流熱を算出する第２の貫流熱算出手段、前記第１の貫流熱算出手段及び前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第１の貫流熱及び前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを前記建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出する設置時貫流熱算出手段、前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出する非設置時貫流熱算出手段、前記設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、前記太陽電池パネルが前記建物の屋根に設置されることによって削減される相当電力を算出する相当電力算出手段、前記発電量算出手段によって算出された発電量及び前記相当電力算出手段によって算出された相当電力の和に基づいて算出された前記太陽電池パネルの設置に関する評価指標を出力する評価指標出力手段、及び前記発電量及び前記相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの前記屋根に対する高さを算出する最適設置形態算出手段として機能させることを特徴としている。

本発明によれば、発電量算出手段によって、建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面面積及び太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、太陽電池パネルによる発電量を算出する。

また、貫流熱算出手段によって、太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の屋根の第１の貫流熱及び太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の屋根の第２の貫流熱を算出し、設置時貫流熱算出手段によって、算出された第１の貫流熱及び第２の貫流熱に基づいて、太陽電池パネルを建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出する。また、非設置時貫流熱算出手段によって、算出された第２の貫流熱に基づいて、太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出する。

そして、相当電力算出手段によって、設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、太陽電池パネルが建物の屋根に設置され、空調負荷が削減されることによって削減される相当電力を算出し、評価指標出力手段によって、発電量算出手段によって算出された発電量及び相当電力算出手段によって算出された相当電力の和に基づいて算出された太陽電池パネルの設置に関する評価指標を出力する。

従って、太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合としない場合の屋根の貫流熱に基づいて、太陽電池パネルを設置した場合としない場合の貫流熱を算出し、これらの貫流熱に基づいて相当電力を算出することにより、太陽電池パネルの発電量だけでなく、設置による建物内への熱的な影響も評価することができ、また、相当電力と太陽電池パネルの発電量との和をとって評価指標を算出することにより、太陽電池パネルの発電量と設置による建物内への熱的な影響とに関する総合的な評価指標を出力して、太陽電池パネルの設置に関する精度の高い評価を行うことができる。

なお、建物の屋根とは、建物の外皮部のことであり、陸屋根や傾斜屋根などの通常の屋根の他、外壁を含む。また、相当電力とは、太陽電池パネルが建物の屋根に設置されることにより、空調負荷が減り、削減された空調のための消費電力である。

また、本発明に係る発電量算出手段を、太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出する日射量算出手段を含んで構成し、貫流熱算出手段を、建物の屋根の構成と、受光面の方向と、受光面の面積と、太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、第１の貫流熱を算出する第１の貫流熱算出手段と、建物の屋根の構成と、気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び風速とに基づいて、屋根の第２の貫流熱を算出する第２の貫流熱算出手段とを含んで構成する。これにより、気象情報と受光面の方向とから受光面に入射される日射量を自動的に算出することができ、また、屋根の構成や太陽電池パネルに関する情報、気象情報に基づいて、貫流熱を自動的に算出することができる。

なお、屋根の構成に基づいて貫流熱を算出するとは、屋根の構成とその熱的な物性に基づいて貫流熱を算出することであり、更に具体的には、屋根を構成する各部材の厚さ等の形状及び寸法、熱伝導率等の熱的な物性に基づいて、貫流熱を算出することである。

また、本発明に係る貫流熱算出手段は、貫流熱算出手段は、日射による太陽電池パネルの熱吸収、太陽電池パネルから外界への放射熱伝達、外気と太陽電池パネルとの間の対流熱伝達、太陽電池パネルと太陽電池パネルの下部の空気との間の対流熱伝達、太陽電池パネルの下部の空気と屋根との間の対流熱伝達、太陽電池パネルと屋根との間の放射熱伝達、太陽電池パネルの下部の空気の熱移流、及び屋根の熱伝導に基づいて、第１の貫流熱量を算出し、日射による屋根の熱吸収、屋根から外界への放射熱伝達、外気と屋根との間の対流熱伝達、及び屋根の熱伝導に基づいて、第２の貫流熱量を算出することができる。

また、本発明に係る太陽電池設置評価装置は、発電量及び相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの屋根に対する高さを算出する最適設置形態算出手段を更に含む。これにより、太陽電池パネルの設置による発電量及び相当電力の和が最大になるような最適な設置形態を算出することができる。

また、本発明に係る太陽電池設置評価算出方法は、日射量算出手段によって、建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出し、発電量算出手段によって、前記太陽電池パネルの受光面面積及び前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、前記太陽電池パネルによる発電量を算出し、第１の貫流熱算出手段によって、前記建物の屋根の構成と、前記受光面の方向と、前記受光面の面積と、前記太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、前記気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の前記屋根の第１の貫流熱を算出し、第２の貫流熱算出手段によって、前記建物の屋根の構成と、前記気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び前記風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の前記屋根の第２の貫流熱を算出し、設置時貫流熱算出手段によって、前記算出された前記第１の貫流熱及び前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを前記建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出し、非設置時貫流熱算出手段によって、前記算出された前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出し、相当電力算出手段によって、前記設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、前記太陽電池パネルが前記建物の屋根に設置されることによって削減される相当電力を算出し、評価指標出力手段によって、前記算出された発電量及び前記算出された相当電力の和に基づいて、前記太陽電池パネルの設置に関する評価指標を算出し、最適設置形態算出手段によって、前記発電量及び前記相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの前記屋根に対する高さを算出することを特徴としている。

以上説明したように、本発明の太陽電池設置評価装置、太陽電池設置評価プログラム、及び太陽電池設置評価算出方法によれば、太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合としない場合の屋根の貫流熱に基づいて、太陽電池パネルを設置した場合としない場合の貫流熱を算出し、これらの貫流熱に基づいて相当電力を算出することにより、太陽電池パネルの発電量だけでなく、設置による建物内への熱的な影響も評価することができ、また、相当電力と太陽電池パネルの発電量との和をとって評価指標を算出することにより、太陽電池パネルの発電量と設置による建物内への熱的な影響とに関する総合的な評価指標を出力して、太陽電池パネルの設置に関する精度の高い評価を行うことができる、という効果が得られる。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置１０は、各種プログラムやパラメータ等が記憶されたＲＯＭ１２、各種プログラムを実行するＣＰＵ１４、ＣＰＵ１４による各種プログラムの実行時におけるワークエリア等として用いられるＲＡＭ１６、後述する評価処理ルーチンなどのプログラムや後述する気象データなどのデータが記憶されたＨＤＤ１８、及びこれらを相互に接続するためのバス２０が設けられている。

また、太陽電池設置評価装置１０には、データを入力するためのキーボード２２やマウス２４、及び画像を表示するためのディスプレイ２６が設けられ、これらもバス２０に接続されている。

なお、太陽電池設置評価装置１０は、従来既知のコンピュータであればよく、他の構成や一般的な機能については説明を省略する。

次に、太陽電池パネル３０周りの熱収支関係について図２を用いて説明する。

まず、太陽からの日射は太陽電池パネル３０の上表面３０Ａに当たり、一部は反射、一部は吸収（上表面３０Ａや強化ガラス、セルに吸収）され、吸収熱が太陽電池パネル３０の上表面３０Ａ及び下表面３０Ｂの温度を上げる。また、太陽電池パネル３０の上表面３０Ａは、外気に対し対流と放射（長波）とによって熱が授受され、太陽電池パネル３０の下表面３０Ｂは、太陽電池パネル３０下の空気層３４への対流と屋根表面３２Ａへの放射とによって熱が授受される。なお、この空気層３４における対流熱伝達率は、この部分を流れる空気の流速によって定まる。

また、空気層３４自体も、外部から移流してくる外気と太陽電池パネル３０の下表面３０Ｂとからの熱伝達、屋根３２の表面３２Ａからの熱伝達によって熱が授受される。

屋根３２の表面３２Ａでは太陽電池パネル３０の下表面３０Ｂからの放射と、空気層３４からの熱伝達と、屋根３２の断面を構成する部材からの熱伝導とによって熱が授受される。

また、太陽電池パネル３０が設置されていない部分においては、太陽からの日射は屋根３２の表面３２Ｂに直接当たり、一部は反射、一部は吸収され、吸収熱が屋根３２の表面３２Ｂ及び屋根３２の断面を構成する部材の温度を上げる。また、屋根３２の表面３２Ｂは、外気に対し対流と放射（長波）とによって熱が授受され、この外気に対する対流熱伝達率は、この部分を流れる空気の流速によって定まる。

そして、屋根３２の断面においては深さ方向の各地点の温度勾配と部材の熱伝導率に基づいて熱が伝導し、屋根３２の下表面（または天井面）から室へ熱が伝達される。また、太陽電池パネル３０の各地点においても温度変動がおこり、この温度変動が、他の地点の熱収支に波及する。

上述したような熱収支関係によって、太陽電池パネル３０が日射を遮り、太陽電池パネル３０と屋根３２との間を空気が通過することにより、屋根３２の表面３２Aの温度を低下させ、ひいては建物内の冷房負荷を低減させる。また、夜間の放射による放熱を妨げる作用もあり、冬期夜間や朝の暖房立ち上がり時の暖房負荷を低減させる。

次に、太陽電池設置評価装置１０の作用について説明する。

太陽電池設置評価装置１０では、ＣＰＵ１４によって図３に示す評価処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１００において、図４に示す入力画面がディスプレイ２６に表示され、ステップ１０２で、データが入力されたか否かが判定され、入力が完了しない場合には、ステップ１００へ戻るが、ユーザがキーボード２２やマウス２４を操作することにより、例えば、所在地、屋上面積、太陽電池パネル３０の受光面面積、屋根３２の傾斜角、屋根３２の方位、屋根３２の断面構成、太陽電池パネル３０の受光面の方向（例えば、傾斜方位角や角度）、太陽電池パネル３０の受光面の幅、奥行き、太陽電池パネル３０間の間隔、架台の高さ、直下階空調条件、及び評価指標計算条件が入力され、計算ボタンをクリックすると、ステップ１０４へ移行し、評価日を示す変数ｄを初期値の１に設定すると共に、時刻を示す変数ｔを初期値の０：００：００に設定する。

そして、ステップ１０６では、第ｄ日の気象データをＨＤＤ１８から読み込み、ステップ１０７で時刻ｔの気象データを読み取り、ステップ１０８において、太陽電池パネル３０設置時の屋根３２の貫流熱を算出する。ここで、貫流熱は、前述の熱収支関係に基づき図５に示すような熱収支モデルに基づいて算出される。

まず、日射によって太陽電池パネル３０が吸収する熱量Ｑ₁は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₁＝ｆ１（Ｊ）
ここで、Ｊは日射量とする。

また、外界から太陽電池パネル３０に対流熱伝達される熱量Ｑ₅は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₅＝ｆ５（Ｔ₀、Ｔ₁、Ｖ０）
＝α０Ａｐｖ（Ｔ₀−Ｔ₁）
α０＝５．３＋３．６Ｖ０
ここで、外界の気温Ｔ₀、太陽電池パネル３０の温度Ｔ₁、外界の風速Ｖ０とする。また、α０は対流熱伝達率（Ｗ／ｍ²℃）であり、Ａｐｖは太陽電池パネル３０の受光面面積である。α０は風速の関数式によって定まり、風速が大きいほど対流熱伝達率が大きくなり、例えば、上記のように、対流熱伝達率と風速との関係を示すユルゲスの実験式によって表される。

そして、太陽電池パネル３０から外界に長波放射される熱量Ｑ₂は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₂＝ｆ２（Ｔ₁）
また、太陽電池パネル３０から、太陽電池パネル３０により日影となる屋根３２の部分である表面３２Ａに長波放射される熱量Ｑ₈は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₈＝ｆ８（Ｔ₁、Ｔ₃）
＝ε１ε３σ（Ｔ₁ ⁴−Ｔ₃ ⁴）φ１３
ここで、Ｔ₃を屋根３２の表面温度とし、ε１を太陽電池パネル３０下面の放射率とし、ε３を屋根表面３２Ａの放射率とする。また、σはステファン・ボルツマン定数であり、φ１３は太陽電池パネル３０から見た屋根表面３２Ａの形態係数とする(ここでは、屋根表面３２Ａから見た太陽電池パネル３０の形態係数とほぼ同一とする）。

また、移流によって移動する熱量Ｑ₄は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₄＝ｆ４（Ｔ₀、Ｔ₂、Ｖ１）
＝ｃγ_aＶ１（Ｔ₀−Ｔ₂）
Ｖ１＝ｆ３（Ｖ０、設置形態）
ここで、Ｔ₂を空気層３４の温度とし、ｃγ_aを空気の容積比熱（Ｊ／ｍ³℃）とする。また、Ｖ１は単位時間あたりに太陽電池パネル３０下部に流入する空気（ｍ³／ｓ）であり、上記の式のように、外界の風速Ｖ０と太陽電池パネル３０下部の風速Ｖ１との関係式によって表され、太陽電池パネル３０の架台の高さ、受光面の傾斜角などの設置形態によって変化する式として実験を元に表現される。

また、太陽電池パネル３０から空気層３４への対流熱伝達する熱量Ｑ₆は、以下の関数式から求められる。
Ｑ₆＝ｆ６（Ｔ₁、Ｔ₂、Ｖ１）
＝α１Ａｐｖ（Ｔ₁−Ｔ₂）
α１＝５．３＋３．６Ｖ１
ここで、α１を対流熱伝達率（Ｗ／ｍ²℃）とする。

また、空気層３４と屋根３２の表面との間で、対流熱伝達する熱量Ｑ₇は、以下の関数式から求められる。
Ｑ₇＝ｆ７（Ｔ₂、Ｔ₃、Ｖ１）
＝α１Ａｐｖ（Ｔ₃−Ｔ₂）
α１＝５．３＋３．６Ｖ１
そして、屋根３２の深さ方向ｘにおける温度勾配及び屋根３２を構成している部材の熱伝導率λ（ｘ）によって貫流熱Ｑ₉（Ｗ／ｍ²）が算出される。
Ｑ₉＝λ（ｘ）・ｄＴ₄／ｄｘ
さらに、屋根３２（又は天井）の室内側表面温度Ｔ₅と室温Ｔ₆及び室内熱伝導率α₂により、太陽電池パネル３０の影となる部分における屋根３２（又は天井）の室内側表面から室への流入熱流Ｑ_10Aが以下のように求められる。
Ｑ_10A＝α₂（Ｔ₅−Ｔ₆）
これに太陽電池パネル３０の影となる部分の屋根表面３２Ａの面積を乗算することにより、太陽電池パネル３０によって日射遮蔽されている屋根表面３２Ａにおける室への貫流熱を算出する。

次に、日射遮蔽されていない部分である屋根表面３２Ｂの貫流熱を算出方法について説明する。ここで、この貫流熱は、図６に示すような熱収支モデルに基づいて算出される。

まず、日射によって屋根表面３２Ｂが吸収する熱量Ｑ₁‘は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₁‘＝ｆ‘１（Ｊ）
また、外界と屋根３２の表面３２Ｂとの間で対流熱伝達される熱量Ｑ₃‘は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₃‘＝ｆ‘３（Ｔ₀、Ｔ₃、Ｖ０）
＝α０Ａｐｖ（Ｔ₀−Ｔ₃）
α０＝５．３＋３．６Ｖ０
そして、屋根表面３２Ｂから外界に長波放射される熱量Ｑ₂‘は、以下の関数式によって求められる。
Ｑ₂‘＝ｆ‘２（Ｔ₃）
そして、屋根３２の深さ方向ｘにおける温度勾配及び屋根３２を構成している部材の熱伝導率λ（ｘ）によって貫流熱Ｑ₉‘（Ｗ／ｍ²）が算出される。
Ｑ₉‘＝λ（ｘ）・ｄＴ₄／ｄｘ
さらに、屋根３２（又は天井）の室内側表面温度Ｔ₅と室温Ｔ₆及び室内熱伝導率α₂により、太陽電池パネル３０の影とならない部分における屋根３２（又は天井）の室内側表面から室への流入熱流Ｑ_10Bが以下のように求められる。
Ｑ_10B＝α₂（Ｔ₅−Ｔ₆）
これに太陽電池パネル３０の影とならない屋根表面３２Ｂの面積を乗算することにより、太陽電池パネル３０によって日射遮蔽されていない屋根表面３２Ｂの貫流熱を算出する。そして、上記の太陽電池パネル３０によって日射遮蔽されている屋根表面３２Ａにおける室への貫流熱と、日射遮蔽されていない屋根表面３２Ｂの貫流熱とを合計して、太陽電池パネル３０を設置したときの屋根３０からの貫流熱Ｑを算出する。

なお、太陽電池パネル３０内部の熱のやり取りについては、以下に説明する簡易化したモデルによって求められる。太陽電池パネル３０は、図７（Ａ）に示すように、ガラス、充填材、セル、充填材、裏面シートなど何層もの素材から構成されており、ガラスで構成される層では、界面での多重反射を考慮し、最終的な短波吸収率を求めておく。この図７（Ａ）のモデルから、図７（Ｂ）に示すように、仮想吸収率、仮想吸収位置、仮想熱抵抗によって単純なモデルに簡易化する。ここで、仮想吸収位置は、吸収される全ての日射がある仮想面で吸収されると仮定した場合の位置であり、仮想熱抵抗は、太陽電池パネル３０が均一の熱抵抗となっていると仮定した場合の熱抵抗である。

また、上記の日射量は、気象データの「法線面直達日射量」と「天空日射量」、日時から算出される太陽の方位角、仰角によって東西南北鉛直面、水平面の日射量を算出する。これらの日射量と太陽電池パネル３０の受光面の方向（方位角及び傾斜角）とから太陽電池パネル３０の受光面に垂直に入る日射量を算出する。

上記のように、太陽電池パネル３０設置時の屋根３２の貫流熱Ｑが算出される。この貫流熱は、直下階の天井表面温度と室温との温度差、及び天井表面付近の熱伝達率により直下階への貫流熱となり、この貫流熱が、屋根３２を伝って室に入ってくる熱であり、空調によって冷房している時期であればそのまま空調負荷増となる。

そして、ステップ１１２において、図６で説明した熱収支モデルに基づいて、太陽電池パネル３０を設置していないときの屋根３２の貫流熱Ｑ‘（Ｗ／ｍ²）を算出する。貫流熱Ｑ‘は、上記で説明した太陽電池パネル３０の影とならない部分における屋根３２（又は天井）の室内側表面から室への流入熱流Ｑ_10Bに対して、屋根３２の面積（屋根３２の表面全体の面積）を乗じて算出される。

そして、ステップ１１６で、空調負荷の削減量を算出する。削減量ΔＱは、ステップ１０８で算出された貫流熱Ｑ及びステップ１１２で算出された貫流熱Ｑ‘に基づいて、以下の式によって算出され、これは太陽電池パネル３０の設置によって削減された屋根３０からの貫流熱であり、冷房している時期であればそのまま空調負荷の削減量となる。
ΔＱ＝Ｑ−Ｑ‘
そして、ステップ１１８において、ステップ１１６で算出された空調負荷削減量に相当する電力Ｐｓを以下の式によって算出する。
Ｐｓ＝ΔＱ×（１／ＣＯＰ）
ここで、ＣＯＰは、空調システムの成績係数（空調の効率）であり、例えば、ＣＯＰ＝２の空調システムでは、１０００Ｗの熱を処理するには５００Ｗの電力が必要となる。

次のステップ１２０では、太陽電池による発電量を算出する。発電量は、以下の式に基づいて算出される。
発電量[Ｗ]＝太陽電池パネル受光面面積×日射量×発電効率×変換効率×低減係数
ここで、日射量は、太陽電池パネル３０に対して垂直に入ってくる成分を示し、発電効率は、日射を電力に変換する際の効率であって、太陽電池パネル３０温度に依存し、１℃上昇すると０．５％効率が下がる。また、変換効率は、太陽電池パネル３０によって得られた直流電流を交流に変換する際の効率であり、低減係数は太陽電池パネル３０のメンテナンス状態（汚れなど）による低減を考慮するための係数である。なお、発電効率の元となる太陽電池パネル３０の温度は、上記ステップ１０８の処理過程で算出された太陽電池パネル３０の温度を用いればよい。

そして、ステップ１２２において、ステップ１１８で算出された相当電力Ｐｓとステップ１２０で算出された発電量とを合計して、総合発電量を算出し、ステップ１２４で、総合発電量に基づいて、評価指標を算出する。評価指標としては、例えば、電力料金やＣＯ２削減量、原油換算量などであり、評価指標に対応する換算係数を総合発電量に乗算することによって、評価指標を算出する。

次のステップ１２５では、時刻ｔが２４：００：００より前であるか否かを判定し、２４：００：００を過ぎていなければ、ステップ１２６において、ｔをインクリメントして、ステップ１０７に戻り、上記ステップ１０７〜ステップ１２４の処理を行う。時刻ｔが２４：００：００を過ぎた場合には、次のステップ１２７へ移行する。ステップ１２７では評価日ｄがＤ（例えば３６５）未満であるか否かを判定し、Ｄ未満であるとｄをインクリメントして、ステップ１０６へ戻り、上記ステップ１０６〜ステップ１２６の処理を行う。ｄがＤ以上になるとステップ１３０へ移行し、図８に示すような評価指標出力画面をディスプレイ２６に表示する。

評価指標出力画面には、例えば、１年間で低減されるコストやＣＯ₂換算又は原油換算による環境負荷低減効果が表示され、低減コストについては、月ごとに表示される。また、外気温、日射量などの気象データや、屋根表面温度、貫流熱負荷、空調電力量、発電量などの上記処理の過程で算出されたパラメータが月ごと表示される。

そして、ステップ１３２で、入力データを変更するか否かを判定し、ユーザが入力データを変更して再度評価指標出力することを指示すると、ステップ１００へ戻り、入力画面において、入力データが変更されるが、入力データを変更する指示がない場合には、評価処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置によれば、太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合としない場合の屋根の貫流熱に基づいて、太陽電池パネルを設置した場合としない場合の貫流熱を算出し、これらの貫流熱に基づいて相当電力を算出することにより、太陽電池パネルの発電量だけでなく、設置による建物内への熱的な影響も評価することができる。

また、相当電力と太陽電池パネルの発電量との和をとって評価指標を算出することにより、太陽電池パネルの発電量と設置による建物内への熱的な影響とに関する総合的な評価指標を出力して、太陽電池パネルの設置に関する精度の高い評価を行うことができる。

また、気象データと太陽電池パネルの受光面の方向（方位及び傾斜角）とから受光面に入射される日射量を自動的に算出することができ、また、屋根の断面構造や太陽電池パネルの受光面積、架台の高さ、気象データに基づいて、屋根の貫流熱を自動的に算出することができる。

なお、上記の実施の形態では、１月から１２月までの毎日の発電量、削減負荷量から月ごとの発電量、削減負荷量を算出して、評価指標を出力する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、たとえば気象データの入力において、各月の平均的な日変動を先に計算し、これを与条件とすることも考えられる。また、計算期間についても、例えば、６月から９月までの夏季期間に限定して発電量、空調負荷の削減量、及び相当電力を算出して、評価指標を出力するようにしてもよい。

また、簡易な計算として定常計算を行うようにしてもよく、また、ピーク時の評価指標を算出するようにしてもよい。また、何通りかの外界条件で評価指標を算出し、適宜補間することである期間の評価指標を簡易に算出するようにしてもよい。

次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、算出される総合発電量に基づいて、総合発電量が最大となるように、太陽電池パネルの設置形態を最適化して、最適な設置形態を出力する点が第１の実施の形態と異なっている。

なお、太陽電池設置評価装置の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

次に、第２の実施の形態の作用について説明する。

まず、上述した評価処理ルーチンのように、ユーザが太陽電池パネル３０の受光面面積や方位、傾斜角などのデータを入力し、総合発電量を算出する。

そして、受光面の傾斜角や方位、架台の高さなどのデータを変更し、再び、総合発電量を算出し、このデータ変更と総合発電量の算出とを複数回繰り返し行う。そして、算出された総合発電量のうち、総合発電量が最大となるときの傾斜角、方位、架台の高さの組み合わせを選び、選ばれた傾斜角、方位、架台の高さの組み合わせに対して、さらにデータを変更して、総合発電量を算出する。

上記の傾斜角等の変更及び相互発電量の算出を繰り返し行って、総合発電量を最大にする最適な傾斜角、方位、及び架台の高さの組み合わせを算出し、これらの算出値及びそのときの総合発電量をディスプレイ２６に表示するとともに、評価指標を算出して出力する。

なお、上記の最適化方法は、他の既存の最適化方法を用いてもよい。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置によれば、太陽電池パネルの設置による評価指標を最大にする最適な設置形態を算出することができる。

なお、傾斜角、方位、及び架台の高さを最適化する場合を例に説明したが、これらのデータ以外に太陽電池パネルの設置間隔を最適化するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置の構成を示す概略図である。太陽電池パネル周りの熱収支関係を示すイメージ図である。本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置の評価処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置の入力画面のイメージ図である。太陽電池パネルによって日射遮蔽された部分の熱収支モデルを示すイメージ図である。太陽電池パネルが設置されていない部分の熱収支モデルを示すイメージ図である。（Ａ）太陽電池パネルの内部の熱のやり取りをモデル化したイメージ図、及び（Ｂ）簡易化したモデルを示すイメージ図である。本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池設置評価装置の出力画面のイメージ図である。

符号の説明

１０太陽電池設置評価装置
１２ＲＯＭ
１４ＣＰＵ
１６ＲＡＭ
１８ＨＤＤ
２２キーボード
２４マウス
２６ディスプレイ
３０太陽電池パネル
３０Ａ上表面
３０Ｂ下表面
３２屋根
３２Ａ屋根表面
３４空気層

Claims

建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出する日射量算出手段を含み、前記太陽電池パネルの受光面面積及び前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、前記太陽電池パネルによる発電量を算出する発電量算出手段と、
前記建物の屋根の構成と、前記受光面の方向と、前記受光面の面積と、前記太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、前記気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の前記屋根の第１の貫流熱を算出する第１の貫流熱算出手段と、
前記建物の屋根の構成と、前記気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び前記風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の前記屋根の第２の貫流熱を算出する第２の貫流熱算出手段と、
前記第１の貫流熱算出手段及び前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第１の貫流熱及び前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを前記建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出する設置時貫流熱算出手段と、
前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出する非設置時貫流熱算出手段と、
前記設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、前記太陽電池パネルが前記建物の屋根に設置されることによって削減される相当電力を算出する相当電力算出手段と、
前記発電量算出手段によって算出された発電量及び前記相当電力算出手段によって算出された相当電力の和に基づいて算出された前記太陽電池パネルの設置に関する評価指標を出力する評価指標出力手段と、
前記発電量及び前記相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの前記屋根に対する高さを算出する最適設置形態算出手段と、
を含む太陽電池設置評価装置。
前記貫流熱算出手段は、日射による前記太陽電池パネルの熱吸収、前記太陽電池パネルから外界への放射熱伝達、外気と前記太陽電池パネルとの間の対流熱伝達、前記太陽電池パネルと前記太陽電池パネルの下部の空気との間の対流熱伝達、前記太陽電池パネルの下部の空気と前記屋根との間の対流熱伝達、前記太陽電池パネルと前記屋根との間の放射熱伝達、前記太陽電池パネルの下部の空気の熱移流、及び前記屋根の熱伝導に基づいて、前記第１の貫流熱量を算出し、
日射による前記屋根の熱吸収、前記屋根から外界への放射熱伝達、外気と前記屋根との間の対流熱伝達、及び前記屋根の熱伝導に基づいて、前記第２の貫流熱量を算出する請求項１項記載の太陽電池設置評価装置。
コンピュータを
建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出する日射量算出手段を含み、前記太陽電池パネルの受光面面積及び前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、前記太陽電池パネルによる発電量を算出する発電量算出手段、
前記建物の屋根の構成と、前記受光面の方向と、前記受光面の面積と、前記太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、前記気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の前記屋根の第１の貫流熱を算出する第１の貫流熱算出手段、
前記建物の屋根の構成と、前記気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び前記風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の前記屋根の第２の貫流熱を算出する第２の貫流熱算出手段、
前記第１の貫流熱算出手段及び前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第１の貫流熱及び前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを前記建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出する設置時貫流熱算出手段、
前記第２の貫流熱算出手段によって算出された前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出する非設置時貫流熱算出手段、
前記設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、前記太陽電池パネルが前記建物の屋根に設置されることによって削減される相当電力を算出する相当電力算出手段、
前記発電量算出手段によって算出された発電量及び前記相当電力算出手段によって算出された相当電力の和に基づいて算出された前記太陽電池パネルの設置に関する評価指標を出力する評価指標出力手段、及び
前記発電量及び前記相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの前記屋根に対する高さを算出する最適設置形態算出手段
として機能させるための太陽電池設置評価プログラム。
日射量算出手段によって、建物の屋根に設置された太陽電池パネルの受光面の方向と気象情報に基づく日射量と太陽の方位角及び仰角とに基づいて、前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量を算出し、
発電量算出手段によって、前記太陽電池パネルの受光面面積及び前記太陽電池パネルの受光面に入射される日射量に基づいて、前記太陽電池パネルによる発電量を算出し、
第１の貫流熱算出手段によって、前記建物の屋根の構成と、前記受光面の方向と、前記受光面の面積と、前記太陽電池パネルの前記屋根に対する高さと、前記気象情報に基づく日射量、外気温、及び風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽した場合の前記屋根の第１の貫流熱を算出し、
第２の貫流熱算出手段によって、前記建物の屋根の構成と、前記気象情報に基づく日射量、前記外気温、及び前記風速とに基づいて、前記太陽電池パネルによって日射遮蔽されない場合の前記屋根の第２の貫流熱を算出し、
設置時貫流熱算出手段によって、前記算出された前記第１の貫流熱及び前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを前記建物の屋根に設置した場合の設置時貫流熱を算出し、
非設置時貫流熱算出手段によって、前記算出された前記第２の貫流熱に基づいて、前記太陽電池パネルを設置しない場合の非設置時貫流熱を算出し、
相当電力算出手段によって、前記設置時貫流熱及び前記非設置時貫流熱の差から、前記太陽電池パネルが前記建物の屋根に設置されることによって削減される相当電力を算出し、
評価指標出力手段によって、前記算出された発電量及び前記算出された相当電力の和に基づいて、前記太陽電池パネルの設置に関する評価指標を算出し、
最適設置形態算出手段によって、前記発電量及び前記相当電力の和が最大となるときの太陽電池パネルの受光面の方向及び太陽電池パネルの前記屋根に対する高さを算出する
ことを特徴とする太陽電池設置評価算出方法。