JP5503818B1 - 太陽追尾装置および方法、太陽光発電装置、ならびに制御装置 - Google Patents

Abstract

本開示による太陽追尾装置は、集光型発電モジュールを有するソーラーパネルの向きを変化させ得る支持機構と、ソーラーパネルの発電量を測定する測定部と、任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得する太陽位置取得部と、太陽を追従するようにソーラーパネルの向きを変化させる制御駆動部と、ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するようにソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するディザ制御部と、ディザ動作中に測定された発電量の分布に基づいて決定される太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を測定する太陽位置ずれ測定部と、太陽位置ずれの測定された値に基づいて支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、太陽位置ずれの測定値の信頼度および姿勢誤差の信頼度に応じて姿勢誤差の推定値を更新する姿勢誤差推定部とを備える。制御駆動部は、姿勢誤差の更新された推定値に基づいて太陽の理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいてソーラーパネルの向きを制御する。

Description

本願は、太陽追尾装置および太陽追尾方法に関する。より詳しくは、ソーラーパネルが太陽を追尾しながら集光して発電する太陽光発電装置に使用され得る太陽追尾装置および太陽追尾方法に関する。また、本願は、このような太陽追尾装置を備える太陽光発電装置、太陽追尾装置に使用される制御装置、太陽追尾装置に使用される制御プログラムにも関している。

太陽光発電装置の一種として、追尾型の太陽光発電装置が知られている。追尾型の太陽光発電装置は、太陽光を受けて発電する単数または複数の集光型発電モジュールを太陽に向ける太陽追尾装置（ｓｏｌａｒ ｔｒａｃｋｅｒ）を備える。

典型的な集光型発電モジュールは、太陽光を集める集光レンズと、集光された太陽光を受けて発電する太陽電池（発電セル）とを備える。発電モジュールの受光面が太陽からの入射光の軸線に対して直角から外れると、太陽光の収束スポットが太陽電池の表面から外れてしまう。そうなると、発電の効率が低下するおそれがある。このため、太陽追尾装置が太陽を正確に追尾し、発電モジュールの受光面を正確に太陽に対向させることが好ましい。

特許文献１は、日付と時刻に基づいて太陽の方角を算出することを開示している。特許文献１に開示されている装置では、内蔵する時計の誤差を修正することにより、方位角や傾斜角を補正する。具体的には、太陽追尾装置が内蔵する時計の南中時刻と、発電モジュールの方位角が真南である時の時刻の差を算出する。そして、この時刻の差に基づいて、内蔵する時計を補正し、発電モジュールが正確に太陽に対向するように補正する。

特開平１１−１８３４４６号公報

日付と時刻に基づいて太陽の方角を算出する構成では、太陽光発電装置それ自体の向きが目標の向きからずれていると、その修正が極めて困難である。また、太陽光発電装置それ自体の向きが目標の向きからずれていると、たとえば、ある特定の日時においては正確に太陽位置を追尾するように追尾誤差を修正したとしても、他の日時においては、却って誤差が増大するという場合が生じ得る。

本開示の実施形態によれば、太陽追尾装置の設置時に発生する姿勢誤差があっても誤差を補正して太陽を追尾できる太陽追尾装置を提供することができる。

本開示による太陽追尾装置は、太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの向きを変化させ得るように前記ソーラーパネルを支持するように構成された支持機構と、前記ソーラーパネルの発電量を測定する測定部と、任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得する太陽位置取得部と、前記ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽を追従するように前記ソーラーパネルの向きを変化させる制御駆動部と、前記制御駆動部に接続され、前記ソーラーパネルの前記法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するディザ制御部と、前記ディザ動作中に前記測定部によって測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を測定する太陽位置ずれ測定部と、前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新する姿勢誤差推定部とを備え、前記制御駆動部は、前記姿勢誤差の更新された推定値に基づいて太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいて前記ソーラーパネルの向きを制御し、前記測定値の信頼度は、前記測定されたソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される。

本開示による太陽光発電装置は、上記の太陽追尾装置と、前記太陽追尾装置の前記支持機構に支持されたソーラーパネルとを備える。

本開示による太陽追尾装置に使用される制御装置は、上記の太陽追尾装置に使用される制御装置であって、ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽を追従するように前記ソーラーパネルの向きを変化させる制御駆動部と、前記制御駆動部に接続され、前記ソーラーパネルの前記法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するディザ制御部と、前記ディザ動作中に前記測定部によって測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を測定する太陽位置ずれ測定部と、前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新する姿勢誤差推定部とを備え、前記制御駆動部は、前記姿勢誤差の更新された推定値に基づいて太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいて前記ソーラーパネルの向きを制御する。

本開示による太陽追尾装置における姿勢誤差の推定方法は、太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの向きを変化させ得るように前記ソーラーパネルを支持する支持機構を土台に設置するステップと、任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得するステップと、前記ソーラーパネルの前記法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するステップと、前記ディザ動作中に前記ソーラーパネルの発電量を測定し、測定された発電量の分布に基づいて太陽の測定位置を決定し、決定された太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を求めるステップと、前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新するステップとを包含する。

本開示による太陽追尾方法は、上記の方法によって得られた前記姿勢誤差の更新された推定値に基づいて、太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいてソーラーパネルの向きを制御するステップを備える。

本開示による太陽追尾装置の制御プログラムは、任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得するステップと、太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの受光面の法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するステップと、前記ディザ動作中に前記ソーラーパネルの発電量を測定し、測定された発電量の分布に基づいて太陽の測定位置を決定し、決定された太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を求めるステップと、前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新するステップとを太陽追尾装置に実行させるように構成されている。

本開示の実施形態によれば、太陽追尾装置の姿勢誤差を推定し、太陽位置ずれを補正することが可能になるため、発電効率の向上を図ることができる。また、ある実施形態によれば、センサを用いることなく正確に太陽位置の追尾が可能となる。

さらに、本開示の実施形態によれば、太陽位置ずれをソフトウェア的に補正することも可能であるため、補正が容易である。姿勢誤差の推定値が得られれば、センサによって太陽位置を常にセンシングする必要もなくなる。

ソーラーパネル１１０を支持する支持機構１１２が地面などの土台１１４に固定されている状態を模式的に示す斜視図 土台１１４に対して支持機構１１２が傾斜している状態を模式的に示す斜視図である。 基準となる三次元直交座標の例を示す図 支持機構１１２を基準とする三次元直交座標（破線）が基準となる三次元直交座標（実線）から回転している様子を示す図 太陽位置８０１の方位角および仰角を示す図 本実施形態における太陽追尾装置の構成を示すブロック図 太陽位置取得部６で取得した太陽の理論位置［φ1、θ1］を起点とする所定範囲８００を示す図 受光強度分布を示す図 本開示の実施形態１における太陽追尾装置のシミュレーション結果を示すグラフ 本開示の実施形態１における太陽追尾装置のシミュレーション結果を示すグラフ 本開示の実施形態１における太陽追尾装置のシミュレーション結果を示すグラフ 本開示の実施形態１における太陽追尾装置のシミュレーション結果を示すグラフ 本開示の実施形態２における太陽追尾装置の構成図 本開示の実施形態２における太陽追尾装置のシミュレーション結果を示すグラフ 本開示の実施形態３におけるディザ面積削減のシミュレーション結果を示すグラフ 本開示の実施形態３の説明図

まず、太陽追尾装置における姿勢誤差の問題を説明する。

図１Ａは、ソーラーパネル１１０を支持する機構（以下、「支持機構」と称する）１１２が地面などの土台１１４に固定されている状態を模式的に示す斜視図である。支持機構１１２は、例えば支柱であり得る。ソーラーパネル１１０は、その向きを変えられるように支持機構１１２に取り付けられており、支持機構１１２を基準としてソーラーパネル１１０の向きを変化させることができる。ソーラーパネル１１０は、複数の集光型発電モジュールが基板上に配列された構成を備えている。図１Ａの状態では、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線１１６が太陽の位置を向いている。言い換えると、太陽からの光線は、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａに垂直に入射している。本願では、ソーラーパネル１１０における受光面１１０ａの法線１１６の方向を「ソーラーパネル１１０の向き」と称する。

地球が自転しているため、太陽の位置は刻々と変化する。太陽追尾装置は、天空を移動する太陽を追尾するようにソーラーパネル１１０の向きを制御する。太陽の位置は、「太陽追尾装置の緯度、経度、高度」および「現在の日時」に基づいて正確に求めることができる。このため、時間の経過に伴って太陽の位置が変化していく間も、計算によって求められた太陽位置にソーラーパネル１１０の向きを合わせれば、太陽からの光線をソーラーパネル１１０の受光面１１０ａに対して常に垂直に入射させることが可能になる。太陽を追尾するとき、ソーラーパネル１１０の向きは、支持機構１１２を基準として制御される。このため、支持機構１１２は、土台１１４に対して、本来の目的とする正しい姿勢（設計位置）で固定されるべきである。

支持機構１１２は、典型的には、地面に固定される。しかし、支持機構１１２が固定される対象は、地面に限定されず、建築物の側壁や屋根、建築物の土台、高速道路、橋、その他の構造物であり得る。本明細書では、支持機構１１２が固定される地面または構造物を、総称して「土台」と称することとする。支持機構１１２が土台１１４に固定されるとき、支持機構１１２の姿勢は、図１Ｂに示すように、目的とする姿勢からずれる場合がある。また、支持機構１１２が土台１１４上に固定された後でも、強風や地震などの外力によって支持機構１１２の姿勢が変化することもあり得る。

図１Ｂは、支持機構１１２が、土台１１４に対して、本来の目的とする正しい姿勢から傾斜している状態を模式的に示す斜視図である。この状態では、計算によって求められた太陽位置に対応するように、支持機構１１２に対するソーラーパネル１１０の向きを調整しても、支持機構１１２の姿勢がずれているため、ソーラーパネル１１０の向きは太陽の位置に正確には合っていない。すなわち、図１Ｂにおけるソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線１１６は、太陽位置の方向を向いておらず、太陽からの光線は、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａに対して斜めに入射することになる。後に詳しく説明するように、集光型発電モジュールに対して太陽からの光線が斜めに入射すると、発電量は著しく低下しやすい。

本明細書において、支持機構１１２の実際の姿勢と目的の姿勢との間に存在するズレの大きさを「姿勢誤差」と呼ぶ。この姿勢誤差は、支持機構１１２の３次元空間内の「姿勢」によって定まるため、３個のパラメータによって表現され得る。この３個のパラメータは、例えば、基準となる三次元直交座標に対する、支持機構に固有の三次元直交座標の「回転」を特定する３個の数値の組によって規定され得る。

図２Ａは、基準となる三次元直交座標の例を示す。原点から東の方向にＸ軸、北の方向にＹ軸、天頂に向かってＺ軸が延びている。原点は、支持機構１１２の設置位置に相当する。

図２Ｂは、支持機構１１２の姿勢誤差が生じ、その結果、支持機構１１２を基準とする三次元直交座標（破線）が、基準となる三次元直交座標（実線）から回転している様子を示す。なお、２個の三次元直交座標の原点は一致している。図２Ｂに示されるように、２つの三次元直交座標の間にあるズレは、Ｚ軸周りの回転８０５である「ロール」、Ｙ軸周りの回転８０６である「ピッチ」、Ｘ軸周りの回転８０７である「ヨー」によって表現され得る。

本開示の実施形態では、支持機構１１２の実際の姿勢の、本来の姿勢からのズレを規定するピッチ、ロール、ヨーの３個の数値の組を「姿勢誤差」として用いる。姿勢誤差を計測器具によって正確に決定することは困難である。本開示の実施形態では、設置後に太陽光発電を実行しながら、姿勢誤差を推定することができる。

図３に示されるように、太陽位置８０１は、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線１１６の方位角φおよび仰角（高度）θの二次元のパラメータによって表現される（北基準直交座標系）。ここで、方位角φは、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線１１６をＸＹ平面に垂直に投影した直線の、Ｙ軸に対する角度である。仰角θは、法線１１６をＸＹ平面に垂直に投影した直線と法線１１６との間の角度である。太陽位置８０１を測定することにより、方位角および仰角の２個の数値が得られる。これらの方位角および仰角の２個の数値は、三次元直交座標に依存し、三次元直交座標はソーラーパネル１１０の支持機構１１２によって定められる。

図２Ｂに示すように、支持機構１１２の姿勢が本来の姿勢から傾いていた場合、計算などによって求められた太陽の位置（太陽の理論位置）に合わせてソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線１１６の方位角φ１および仰角θ１を求めたとしても、それらの方位角φ１および仰角θ１は、図２Ｂの実線で示される正しい座標系を前提として求められた値である。従って、支持機構１１２の姿勢が本来の正しい姿勢から傾いていた場合は、基準となる座標系が図２Ｂの破線で示されるように未知の角度で回転しているため、その座標系（破線）を基準とする現実の太陽位置８０１に対応する方位角φａおよび仰角θａとの間で誤差が生じる。本明細書では、この誤差を「追尾誤差」と称し、この追尾誤差を方位角φおよび仰角θの２つの数値の誤差［Δφ、Δθ］＝［φａ−φ１、θａ−θ１］によって規定することができる。このような追尾誤差が生じる原因は、図２Ｂに示す座標系の回転であり、座標系の回転は支持機構１１２の姿勢誤差に起因している。

図２Ｂに示すように、支持機構１１２の姿勢が本来の姿勢から傾いていた場合において、太陽位置８０１の追尾誤差を検出したとしても、その追尾誤差を規定する２個の数値［Δφ、Δθ］に基づいて、姿勢誤差を規定する３個の未知数［ロール、ピッチ、ヨー］を一義的に決定することはできない。測定によって得た数値の個数（２個）よりも、未知数の個数（３個）が多いからである。

本開示の太陽追尾装置は、追尾誤差を規定する２個の数値（測定値）から、姿勢誤差を規定する３個の未知数［ロール、ピッチ、ヨー］を推定する機能を有している。

以下、本開示の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
本実施形態における太陽追尾装置は、図４に示す構成を備えている。図４の太陽追尾装置は、ソーラーパネル１１０の向きを変化させ得るようにソーラーパネル１１０を支持する支持機構１１２と、ソーラーパネル１１０の発電量を測定する発電量測定部５と、任意の日時における太陽の理論位置［φ1、θ1］を示す情報を取得する太陽位置取得部６と、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線方向が太陽を追従するようにソーラーパネル１１０の向きを変化させる制御駆動部３４とを備える。

ソーラーパネル１１０は、複数の集光型発電モジュールが受光面上に２次元的に配列された構成を有する。個々の発電モジュールは、太陽光を電気エネルギに変化する光起電力素子（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）と、その素子に太陽光を収束するレンズなどの光学素子とを備えている。本実施形態で使用される光起電力素子は、個々の発電モジュールの受光エリアに比べて十分に小さなサイズを有している。１個の光起電力素子の受光領域は、典型的には、一辺が２ｍｍ〜１０ｍｍの矩形領域に収まるサイズを有している。このように小型の光起電力素子に対して、相対的に広い領域の太陽光を光学素子が集めて入射する。１個の光起電力素子の受光領域の面積に対する、光学素子の開口領域の面積の比率は、例えば５００〜１０００である。レンズなどの光学素子の光軸の方向が太陽の方向から例えば０．１°ずれると、光起電力素子に対する適切な集光が実現されなくなる場合がある。

支持機構１１２は、少なくとも２軸方向にソーラーパネル１１０を回転させることができる構成を備えている。典型的には、２軸の軸受でソーラーパネルを支持し、制御駆動部３４の働きによって各軸の周りに任意の角度でソーラーパネルを回転させることができる。

発電量測定部５は、ソーラーパネル１１０の発電量の一部または全部を測定するように構成されている。例えばソーラーパネル１１０の短絡電流Ｉｓｃを測定することにより発電量を測定することができる。

太陽位置取得部６は、設置位置（経度、緯度、高度）及び日時に基づいて、ソーラーパネル１１０の法線方向の太陽位置を規定する方位角φ１および仰角θ１を取得する。太陽位置取得部６によって取得された、太陽位置を規定する方位角φ１および仰角θ１の組を、ベクトルの［φ1、θ1］で表現することができる。［φ1、θ1］は、太陽の理論位置を示している。太陽位置を規定する方位角φ１および仰角θ１は、計算によって求めても良いし、データベースから取得しても良い。計算によって求める場合、太陽位置計算のための種々のアルゴリズムが公開されており、任意にアルゴリズムを採用することが可能である。また、データベースは、設置位置（経度、緯度、高度）及び時刻と、太陽位置を規定する方位角φおよび仰角θとを関連づけたテーブルであり得る。このようなデータベースは、太陽位置取得部６に内蔵されていても良いし、太陽位置取得部６に接続された外部メモリまたはサーバに格納されていても良い。

太陽位置取得部６によって所得された太陽の理論位置［φ1、θ1］に基づいて、制御駆動部３４を動作させて、ソーラーパネル１１０を駆動しても、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線は、正確な太陽位置の方向に一致しないことが起こり得る。これは、支持機構１１２の姿勢誤差が考慮されていないためである。支持機構１１２の姿勢誤差があることによって、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線が正確な太陽位置の方向に一致しないと、結果として、ソーラーパネル１１０は期待どおりの発電効率、即ち発電量を実現できない。

制御駆動部３４は、ソーラーパネル１１０の設置位置を原点として、任意の方位角φおよび仰角θによって定まる方向にソーラーパネル１１０の法線の方向を一致させるように、ソーラーパネル１１０を回転させる駆動部と、例えば後述する姿勢誤差推定部１２の出力に基づいてソーラーパネル１１０の法線方向が太陽位置の方向を向くように駆動部を制御する制御部とを含み得る。このような制御部は、ハードウェアによって実現されていても良く、また、汎用または専用のプロセッサとソフトウェアプログラムとの組み合せによって実現されていても良い。

この太陽追尾装置は、更に、ディザ制御部７を備えている。ディザ制御部７は、ソーラーパネル１１０の法線方向が太陽の理論位置［φ1、θ1］によって決まる所定範囲内を走査するように、ソーラーパネル１１０の向きを変化させるディザ動作を実行する。より具体的には、図５に示すように、太陽位置取得部６で取得した太陽の理論位置［φ1、θ1］を起点として、その起点を含むように設定された所定範囲８００内を走査するように、ソーラーパネル１１０の法線１１６の方位角φ及び仰角θを所定のステップで変化させる。このような動作を本明細書では「ディザ動作」と称する。

ソーラーパネル１１０のディザ動作を行っている間に、発電量測定部５は、ソーラーパネル１１０の発電量を逐次測定する。本実施形態によれば、このようにして、ソーラーパネル１１０の受光面の向きと発電量との関係（発電量の分布）が得られる。

図６は、ソーラーパネル１１０の受光強度分布の一例を示すグラフである。ここで、縦軸は受光強度を示す。横軸は、ディザ動作による方位角方向の移動量Δφ（度：ｄｅｇｒｅｅ）および仰角方向の移動量Δθ（度）を示す。

本実施形態で使用される集光型発電モジュール１００は、０．１度（０．００１６ラジアン）程度の受光角度を持つため、受光強度分布は０．１度毎のピークを示す。受光強度分布のピーク幅１０３は、ピーク値１０４に対して所定のレベルをとる領域の大きさである。ピーク幅１０３は、例えば半値全幅（半値幅）であり得るが、これに限定されない。なお、「受光角度」とは、入射する太陽光線を電気エネルギに変化することが可能な入射角度の幅（範囲）を意味する。

発電量の分布がピークを示すのは、ソーラーパネル１１０の受光面１１０ａの法線１１６の方向が実際の太陽位置の方向に一致しているときである。ディザ動作中に発電量測定部５によって測定されたソーラーパネル１１０の発電量の分布に基づいて「太陽の測定位置」を決定することができる。

受光強度分布のピーク値１０４を示す方向を規定するΔφおよびΔθは、姿勢誤差が無ければ、いずれも、零を示す。図６の測定例では、ΔφおよびΔθはいずれも零ではなく、姿勢誤差が発生していることを示している。太陽位置取得部６によって得られた太陽の理論位置［φ1、θ1］にソーラーパネル１１０を一致させる制御を行った場合、姿勢誤差に起因する追尾誤差を充分に小さくすることはできない。

図４に示すように、本実施形態の太陽追尾装置は、太陽位置ずれ測定部８を備えており、太陽位置ずれ測定部８は、ディザ動作中に得られた「太陽の測定位置」と「太陽の理論位置」との間にある太陽位置ずれの値Ｙｔを測定する。より具体的には、太陽位置ずれ測定部８は、発電量測定部５によって測定される発電量とディザ制御部７の制御パラメータである方位角、仰角の変化量とを取得し、ソーラーパネル１１０の受光強度分布を決定することができる。「太陽の測定位置」と「太陽の理論位置」との間にある太陽位置ずれの値Ｙｔを、以下、ベクトルの［Δφｍ、Δθｍ］によって表すことにする。ΔφｍおよびΔθｍは、それぞれ、図６において受光強度分布がピーク値１０４を示す方位角方向の移動量Δφの値および仰角方向の移動量Δθの値に相当する。

本実施形態における太陽追尾装置は、姿勢誤差推定部１２を備えており、この姿勢誤差推定部１２は、太陽位置ずれの測定された値Ｙｔに基づいて、支持機構１１２の姿勢誤差の推定値Ｘｔ＝［ロール、ピッチ、ヨー］を得る。そして、この推定値Ｘｔ＝［ロール、ピッチ、ヨー］を、太陽位置ずれの測定値Ｙｔの信頼度Ｒｔおよび姿勢誤差の信頼度Ｐｔに応じて、更新する（Ｘｔ→Ｘｔ＋１）。このようにして推定値を得ては推定値を更新するための方法は、後述する。

制御駆動部３４は、姿勢誤差の更新された推定値Ｘｔ＋１に基づいて太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいてソーラーパネル１１０の向きを制御することができる。

本実施形態および後述する他の実施形態において、制御駆動部３４の制御部のみならず、太陽位置取得部６、ディザ制御部７、太陽位置ずれ推定部８、および姿勢誤差推定部１２の各々の一部または全部は、ハードウェアによって実現されていても良く、また、汎用または専用のプロセッサとソフトウェアプログラムとの組み合せによって実現されていても良い。また、制御駆動部３４の制御部、太陽位置取得部６、ディザ制御部７、太陽位置ずれ推定部８、および姿勢誤差推定部１２の一部または全部の機能は、１個または複数のプロセッサによって実行されるコンピュータプログラムの処理ステップによって実現されても良い。従って、制御駆動部３４の制御部、太陽位置取得部６、ディザ制御部７、太陽位置ずれ推定部８、および／または姿勢誤差推定部１２は、別々の部品によって実現されている必要は無く、１個の演算処理装置の機能的なモジュールによって実現されていてもよい。

図６に示した受光強度分布の形状は、天候などの外的要因により変化し得る。例えば、雲の影響により太陽光が拡散すればピーク値１０４が低下するとともにピーク幅１０３も大きくなる。このような形状変化は、太陽位置ずれ測定部８の測定精度を低下させる。このため、太陽位置ずれ測定部８が測定したΔφｍおよびΔθｍの値が、それぞれ、測定バラツキを含み、その測定値に十分な信頼度を期待できない場合がある。そのような場合、姿勢誤差推定部１２では正確な誤差推定を行うための信頼度の設定を行うことができる。具体的には、図４に示す外的要因１０を各種方法により抽出し、太陽位置ずれ測定部８の測定結果に対する信頼度を設定すれば、姿勢誤差推定の精度を高めることができる。例えば、気象条件等の外的要因１０を信頼度設定のために入力すればよい。

ここで、図６に示される受光強度分布のピーク幅およびピーク値の少なくとも一方に基づいて信頼度を設定する例を説明する。

分光強度分布のピーク幅が大きくなることは光強度分布の形状が広がることを意味する。そのことは信頼度の低下に対応する。このため、例えば表１に示すように、検出されたピーク幅に応じて信頼度を設定すればよい。この例では、ピーク幅の測定値が０．１度単位で数値化されているとする。ここで、信頼度は太陽位置ずれ測定値Ｙｔ（単位：度）に対する誤差がどのくらいかを表すように設定される。例えばカルマンフィルタの処理過程では、この信頼度の二乗値がＹｔの共分散行列Ｒｔの対角成分に入る。

同様に、光強度分布のピーク値に応じて、表２に示すように信頼度を設定してもよい。

ピーク値は、理論値（設置場所と季節で期待される最大発電量）に対する測定値の割合として規定され得る。ピーク値の低下は測定値ＹｔのＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）比を低下させるため、信頼度の低下に対応付けられる。表２の例では、ピーク値が０．３以下のとき、信頼度が∞に設定される。なお、ピーク値としては、光強度分布の測定値のうち、最も大きな１つの値が選択されてもよいが、最も大きな複数の値（例えば３個）の平均値が選択されてもよい。測定値がばらついているとき、このような平均化が有効である。

ピーク値およびピーク幅の両方に基づいて信頼度を設定してもよい。この場合、例えば表３に示されるようにピーク値の範囲およびピーク幅の範囲によって決まる数値が信頼度として与えられ得る。表３の例では、ピーク値およびピーク幅が最良の範囲に含まれるとき、信頼度は０．１°（＝０．１度）に設定されている。ピーク値が０．３以下のときは、ピーク幅の値によらず、信頼度は∞に設定されている。表３において、０．３°〜０．９°の信頼度は、いずれも、対応するピーク値の信頼度と対応するピーク幅の信頼度とを単純に加算した値である。

なお、信頼度の設定は、上記の表１〜３の例に限定されない。ピーク値およびピーク幅の範囲をより細かく区分し、それぞれに異なる信頼度を設定してもよい。信頼度の設定の仕方には種々の態様があり得る。

このように本実施形態では、姿勢誤差推定部１２が、太陽位置ずれ測定部８から方位角方向のずれΔφｍ、仰角方向のずれΔθｍの測定結果を受け、当該装置自身の姿勢誤差に関わる信頼度と、気象条件等の外的要因１０を入力情報として得る。また、方位角方向のずれΔφｍ、仰角方向のずれΔθｍの測定値の信頼度をも考慮する。そして、支持機構１１２の姿勢誤差の正確な推定値を求めながら、その推定値を更新する。その後、再度、太陽位置取得部６の計算結果である太陽位置に対する方位角、仰角の補正値を求め、制御駆動部３４に入力する。その結果、制御駆動部３４は、補正値をもとにソーラーパネル１１０を制御することが可能になる。推定値の更新を繰り返すことにより、最終的には、ソーラーパネル１１０の法線方向と太陽光線のソーラーパネル１１０に対する照射方向を正確に一致させ、ソーラーパネル１１０の発電効率、即ち発電量が最良の状態を維持し得るようになる。

以下、本実施形態において、支持機構２の姿勢誤差の推定値を求める方法の一例を説明する。

本実施形態における姿勢誤差推定部１２は、カルマンフィルタを備えている。支持機構１１２の姿勢誤差をＸｔ（［ロール，ピッチ，ヨー］の転置で表現される三次元ベクトル）、支持機構１１２の姿勢誤差Ｘｔの共分散行列をＰｔとし、その標準偏差をもってその信頼度とする。一方、太陽位置ずれ測定部８が得た太陽位置ずれ測定値をＹｔ（［Δφｍ、Δθｍ］の転置で表現される二次元ベクトル）、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列をＲｔとし、その標準偏差をもってその信頼度とする。

姿勢誤差Ｘｔと太陽位置ずれ測定値Ｙｔとを関連付ける関数ｈｔは、Ｙｔ＝ｈｔ（Ｘｔ）によって定義される。姿勢誤差Ｘｔがわかると、関数ｈｔから、太陽位置ずれ測定値Ｙｔが求められる。その時刻におけるソーラーパネル１１０の法線方向の向きが姿勢誤差Ｘｔによってどの程度ずれるのかは、座標計算（ロール，ピッチ，ヨー各軸の回転変換）よって求めることができる。

姿勢誤差推定部１２のカルマンフィルタは、よく知られた以下の手順で推定作業を進めていく。

まず、下記の（数１）により、測定値をどの程度信頼すべきかを決定するカルマンゲインＫｔを求める。（数１）に現れるＨｔは関数ｈｔのヤコビアンであり、カルマンフィルタの推定過程において都度計算される。

カルマンゲインＫｔが求められた後は、下記の（数２）に示すように、太陽位置ずれ測定値Ｙｔと太陽位置ずれ測定値ｈｔ（Ｘｔ）との差を求める。そして、この差にカルマンゲインＫｔを乗じて、姿勢誤差Ｘｔに加えることにより、Ｘｔの新たな推定値Ｘｔ＋１を得る。

次に、下記の（数３）に示すように、再びカルマンゲインＫｔを用いて、姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔを新たな共分散行列Ｐｔ＋１に更新する処理を行う。

以上説明したような処理を行うことにより、太陽位置ずれの測定値Ｙｔを一回求める毎に太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔに応じて姿勢誤差Ｘｔはより正しい値に収束していくこととなる。

姿勢誤差Ｘｔの収束値Ｘが得られた後は、関数ｈｔを用いて、Ｙ（［Δφｃ、Δθｃ］の転置で表現される二次元ベクトル）を求め、太陽位置取得部６からの計算結果に対する補正値Δφｃ、Δθｃとして制御駆動部３４に入力すればよい。その結果、制御駆動部３４は、前記補正値に基づいてソーラーパネル１１０の向きを制御することができ、ソーラーパネル１１０の向きを太陽の位置に追従させることが可能になる。

次に、図７を参照しながら、本実施形態について、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔと姿勢誤差Ｘｔの収束速度の関係を調べた実験結果を説明する。図７のグラフの縦軸は、姿勢誤差の推定値、横軸は測定回数を示している。

図７に示す実験結果は、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔをさまざまな一定値に変えたときのＸｔの収束状況を示すグラフである。姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔの初期値は、姿勢誤差の標準偏差が０．６度（１／１００ラジアン）程度であるとの想定をもとに設定した。太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの対角行列には０．１度、０．３度、１．０度（順に信頼度が低くなることを表している）の二乗値を代入した。姿勢誤差の標準偏差が０．６度（１／１００ラジアン）程度であると想定した理由は、当該装置は数ｍ程度の構造物であるため、建築分野においては通常、この程度の建築バラツキを考慮しているからである。

図７の曲線２０１、２０２、２０３は、支持機構１１２のロールの姿勢誤差成分について、曲線２０４、２０５、２０６は、支持機構１１２のピッチの姿勢誤差成分について、曲線２０７、２０８、２０９は、支持機構１１２のヨーの姿勢誤差成分について、上記のように初期値と信頼度（番号が若いほど信頼度は高い）を設定したときの収束状況を示している。これからわかるように、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの値がいずれの場合でも、姿勢誤差Ｘｔは真値に収束するが、その収束速度は大きく異なり、信頼度が高いほど収束速度が速い。即ち、信頼度が高いほど、真値へ効率良く収束できる。また、信頼度が高いほど、太陽追尾装置のような屋外設置の装置で課題となる外乱、即ち前述したようなソーラーパネル１１０に照射される直達光の減少の影響を信頼度というパラメータで最小化できる。これは、信頼度を姿勢誤差Ｘｔの推定値に反映させることにより得られる効果である。

姿勢誤差を規定するロール、ピッチ、ヨーの推定が一定値に収束したとき、それらの収束値が正しい推定値である可能性が高く、それらの推定値が分かると、太陽位置の理論値を適切に補正できるため、太陽の追尾を高い精度で実行することが可能になる。一度、正しい推定値が得られると、その後、姿勢誤差が変動しない限り、その推定値に基づいて太陽位置の理論値を適切に補正できる。

図４のソーラーパネル１１０によって太陽光から変換された電気エネルギは、公知の太陽光発電装置と同様に、不図示の配線を介して任意の電気機器で使用されたり、蓄電池に蓄えられたり、売電されたりし得る。

次に、図４に示す外的要因１０を具体的に導入し、それによる信頼度がどのように姿勢誤差Ｘｔの収束に影響するかを調べた実験結果を説明する。

ここでは、外的要因１０を直達光のソーラーパネル１１０に対する到達度合いとする。そして、その到達度合いにより変化する、受光強度分布（図６参照）のピーク幅（例えば半値幅）について信頼度を設定する。設定の仕方は、以下のとおりである。

まず、雲の切れ間から薄明かりが漏れるような天候を考える。雲は太陽光を散乱するため、結果として受光強度分布のピーク幅が大きくなる。雲の切れ間の位置は太陽位置と一致するとは限らず、ピークの位置もずれることが予想される。シミュレーションでは、表４に示す測定回数１、２の測定について、ピーク位置のずれとピーク幅が表４のように変動すると仮定した。そして、ピーク幅に応じて、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを比例的に変化させた。

表４において、ピーク位置のずれの行の上段は、図６に示す方位角方向の移動量Δφの値の変化量を示し、下段は仰角方向の移動量Δθの値の変化量を示す。表４において測定回数の行に記した「１」から「１１」までの数字は、７時から１７時の間で１時間毎に１回ずつ測定を行ったときの何番目の測定かを示す数値である。例えば測定回数が「７」とは、その日の７回目の測定を意味している。測定日は２０１２年９月１日であり、測定場所はおよそ北緯３４度、東経１３４度の地点である。これらの事項は、後述する表５〜７に関するシミュレーションについても成立する。

このシミュレーションでも、支持機構１１２の姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔの初期値を、姿勢誤差の標準偏差が０．６度程度であるとの想定をもとに設定した。

太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを上記のように設定したときの姿勢誤差Ｘｔの収束状況の結果を図８に示す。

図８の曲線３０２、３０４、３０５は太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔをピーク幅に応じて比例的に変化させたときの支持機構１１２のそれぞれの姿勢誤差成分についての姿勢誤差Ｘｔの収束状況を示している。比較のため、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを変化させなかった場合の姿勢誤差Ｘｔの収束状況も、それぞれの姿勢誤差成分について、曲線３０１、３０３、３０６で示している。

図８によると、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを比例的に変化させた場合は、姿勢誤差Ｘｔは真値に収束する。しかし、そのように変化させなかった場合、姿勢誤差Ｘｔは誤った値に収束している。このことは、発電量分布のピーク幅を信頼度として適用することの効果を示している。

上記の実験では、受光強度分布のピーク幅に応じて、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを比例的に変化させた。本実施形態は、このような場合に限定されない。発電モジュールの角度依存性を表すデータベースを当該装置が備えていてもよい。また、そのようなデータベースを外部に設け、ネットワークを通じて当該装置がその情報にアクセスするような方法をとってもよい。その場合、発電モジュールの角度依存性から期待できる受光強度分布のピーク幅と、実際のディザ動作によって得られる受光強度分布のピーク幅とを比較する。そして、測定されたピーク幅が相対的に広い場合、信頼度を低下、即ち、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを信頼度が低下する方向に変化させることができる。なお、データベースの形態は図６のように受光強度分布を示すグラフであっても良いし、そのグラフを関数値で表したものであってもよい。太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔをこのように変化させる場合でも、姿勢誤差Ｘｔは真値に収束させることができる。

なお、上記データベースを当該装置に備える場合は、例えば図４に示す姿勢誤差推定部１２の内部に設けても良いし、必要に応じて、推定作業に伴って逐次データを取り出すようにしても良い。

次に、外的要因１０を直達光のソーラーパネルに対する到達度合いとして、その到達度合いにより変化する、前述したディザ動作の結果得られる受光強度分布（図６参照）のピーク値そのものに対して信頼度を設定する。この実験でも、図６に示したディザ動作の結果得られる受光強度分布を利用する。

まず、この実験の背景を説明する。太陽から地球に降り注ぐエネルギは一定であり、地球上の緯度・経度が決まれば、そこでの太陽光発電の最大量は前述した太陽位置計算によって求めることができる。よって、この値に対して測定のピーク値が何割程度減衰しているかを判断することにより、太陽光の直達光がソーラーパネル１１０に対して理想的に届いているか否か、あるいは、何らかの障害により散乱・遮蔽されているかを判断することができる。

本実施形態では、受光強度分布のピーク値の予想値からの減衰量を、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔに反映させる。こうすることにより、誤った測定データ（たとえば、ビル等の反射光に対して測定を行ったなど）に対して収束が遅れるであろうことが予想できる。具体的には、ピーク値が、たとえば理論値の１／３未満になったとき、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの計測データは誤りであると判断する。そして、その太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの対角要素を∞（信頼度はない）に設定し、姿勢誤差Ｘｔの推定値の改訂に使われないものとする。

シミュレーションでは、測定回数１、２の測定について、ピーク値が表５のように変動すると仮定し、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを上記のように変化させた。

このシミュレーションでも、支持機構１１２の姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔの初期値は、姿勢誤差の標準偏差が０．６度程度であると想定した。シミュレーションの結果を図９に示す。

図９の曲線４０２、４０４、４０５は支持機構１１２のそれぞれの姿勢誤差成分について太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを上記設定の仕方にもとづいて変化させた場合の姿勢誤差Ｘｔの収束状況を示している。比較のため、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを比例的に変化させなかった場合の姿勢誤差Ｘｔの収束状況も、それぞれの姿勢誤差成分について、曲線４０１、４０３、４０６で示している。

図９によると、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔに関して上記のようにピーク値に応じた処理を行った場合は、姿勢誤差Ｘｔは真値へ収束するが、そのような処理をしなかった場合は真値に収束しないことが確認できる。このことは、受光強度分布のピーク値を信頼度として適用することにより得られる効果を示している。

上記実験では、ピーク値が、たとえば理論値の１／３未満となったときを太陽位置ずれ測定値Ｙｔの計測データは誤りであるとの信頼度に関わる判断基準とした。その判断基準を、例えば、装置の設置地域および時期において期待される最大発電量のデータベースを当該装置が持ち、そのデータベースからのデータに基づいた期待される発電量に対する受光強度分布（図６）のピーク値の割合が高いほど太陽位置ずれ測定値Ｙｔの信頼度を高く設定してもよい。またそのようなデータベースを外部に設け、ネットワークを通じて当該装置がその情報にアクセスするような方法をとってもよい。このような判断基準を設けることにより、姿勢誤差Ｘｔは真値に収束するとともにその収束速度も速まるという効果が期待できる。なお、データベースの形態は図６のように受光強度分布を示すグラフであっても良いし、そのグラフを関数値で表したものであってもよい。このようなデータベースを当該装置に備える場合は、例えば図４に示す姿勢誤差推定部１２の内部に設けることが可能であり、必要に応じ、推定作業に伴って逐次データを取り出すようにしておけばよい。

次に外的要因１０を風の影響とする場合を説明する。

風は追尾システムにとって最大の障害である。本実施形態の装置全体は最大風速６０ｍ／ｓを想定して設計されているものの、風による構造の振動や撓みはソーラーパネルにとって、その集光特性を劣化させる要因となりうる。このため、風速が大きいときの太陽位置ずれ測定値Ｙｔの信頼度は低くなるべきである。

風の抵抗は風速の二乗に比例するため、風速の二乗を太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの対角成分に乗算する形も考えられる。しかし、本実施形態では、風の影響による太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの設定を、表６に示すように風速２０ｍ／ｓの風が間欠的に発生したと仮定して行った。

表６によると、風は測定回数が奇数のときに２０ｍ／ｓの強風となる。測定回数が奇数回目のとき、装置は風にあおられ、太陽電池パネルは方位角方向に３度、仰角方向に３度方向がずれたと想定する。結果として、受光強度分布のピークは、ピーク値・ピーク幅が変わらないまま、方位角方向に３度、仰角方向に３度だけずれることになる。信頼度Ｒｔの設定は風速が１０ｍ／ｓ以上になった場合は、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを（１／１００）２に縮小するものとしている。

上記の条件による姿勢誤差Ｘｔの収束状況のシミュレーション結果を図１０に示す。

図１０の曲線５０２、５０４、５０５は支持機構１１２のそれぞれの姿勢誤差成分について太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを上記設定の仕方にもとづいて変化させた場合の姿勢誤差Ｘｔの収束状況を示している。比較のため、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを比例的に変化させなかった場合の姿勢誤差Ｘｔの収束状況も、それぞれの姿勢誤差成分について、曲線５０１、５０３、５０６で示している。

図１０によると、上記のように風速が１０ｍ／ｓ以上になった場合、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを（１／１００）２に縮小するように変える（信頼度に反映させる）と収束速度はゆっくりとなるものの、真値へ正しく収束していることがわかり、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを変更しない（信頼度に反映させない）場合は、風が吹くたびに姿勢誤差Ｘｔの推定値が誤差を持つようになり、真値への収束が難しくなることがわかる。このことは、風速を信頼度として適用することにより得られる効果を示している。

以上説明したように、本発明は外的要因にもとづく受光分布より測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを変化させる、あるいは風の影響を考慮して信頼度を変化させることにより、効率的に姿勢誤差Ｘｔの推定値を真値に収束させることが可能である。

なお、上記実験は風速１０ｍ／ｓ超を太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを縮小（上記実験では（１／１００）２に縮小）することの判断基準としているが、当該装置の風耐性より定まる風速の限界値を装置内部に持っておき、風速がその限界値を超えたとき太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを縮小する方法も有効である。

このような判断基準を設けることにより、基準値を超える強風時も姿勢誤差Ｘｔは真値に収束することが期待できる。

なお、風速の限界値は当該装置の設計仕様に基づくものであり、その値は、例えば図１に示す姿勢誤差推定部１２内部に包含しておくことが可能であり、推定作業に伴って逐次取り出すようにしておけばよい。

（実施形態２）
実施形態１では、姿勢誤差Ｘｔを推定するにあたって、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの設定を外的要因１０に基づいて行った。しかしながら、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの設定を当該装置のオペレータが自ら行ってもよい。オペレータは、一般的に現場を熟知しており、どのタイミングで装置が測定を行ったときが最も高い信頼度の測定値が得られるかを五感全体で判断できるからである。

図１１は、実施形態２の構成を示すブロック図である。図１１の例では、図４における姿勢誤差推定部１２に入力されている外的要因１０の代わりに、オペレータが操作する操作部３０が接続されている。操作部３０は、オペレータが装置に対して太陽位置ずれの測定（その測定値はＹｔ）を指示するボタンまたはスイッチであり得る。このようなボタンが押されたときは、姿勢誤差Ｘｔを推定するにあたって「高い」信頼度が設定される。ここでの「高い」信頼度とは、オペレータが経験値として把握している日差しの強さや風速などの平均的な状況から感覚的に把握している信頼度を標準偏差で０．１とすると、それの１／１０とした値に設定している。

実施形態２でも、前述した姿勢誤差推定部１２は、カルマンフィルタの基本構成を備えている。従って、姿勢誤差推定部１２は太陽位置ずれ測定部８が測定した太陽位置取得部６からの計算結果による太陽位置と測定された見かけの太陽位置との差Δφ、Δθを求め、さらに太陽位置ずれ測定値Ｙｔの信頼度の設定、即ち太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの設定をオペレータ自らが行う。こうして、支持機構１１２の姿勢誤差Ｘｔの正確な推定値を求めながら、推定値を更新する。その結果、太陽位置取得部６が得た太陽位置に対する方位角、仰角に対する補正値を得て、制御駆動部３４に入力することができる。制御駆動部３４は、ソーラーパネル１１０を、前記補正値をもとに制御し、それによってソーラーパネル１１０の法線方向と太陽光線のソーラーパネル１１０に対する照射方向とを一致させることが可能となる。

以下、オペレータが手動で測定タイミングを指示する場合において、測定の信頼度が高く設定されるときの姿勢誤差Ｘｔの推定値の収束を説明する。

前述したように、オペレータは一般的に現場を熟知しており、どのタイミングで装置が測定を行うべきかを五感全体で判断できると仮定する。そして、図１１に示す操作部３０に測定を指示するボタンを設けて、オペレータが「よいタイミング」と思った時にそのボタンを押せば、高い信頼度が設定される。そのため、環境からの外乱を最小限に抑えた姿勢誤差推定が可能になると予想される。表７に示した条件でシミュレーションを行った。

シミュレーションでは、表７に示す２個のケースについて行った。ケース１では、オペレータが、環境が測定に最適であると判断のもと、測定回数２以降は一定時刻毎に測定を指示する釦（ボタン）を押し、高い信頼度を設定する場合である。その際の太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの対角成分はシステムの通常値の（１／１０）２となる。その理由は、先に「高い」信頼度とはオペレータが経験値として把握している日差しの強さや風速などの平均的な状況から感覚的に把握している信頼度を標準偏差で０．１とすると、それの１／１０とした値としていると述べたことによる。

ケース２では、オペレータの介在はなく、システムは太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを一定値として推定を行った。

図１２は、上記状況を条件としてシミュレーションを行った結果を示している。

図１２において、オペレータの判断のもと、ボタンを押した場合（ケース１）の姿勢誤差Ｘｔの収束状況を曲線６０２、６０４、６０５で示し、ボタンを押さない場合（ケース２）の姿勢誤差Ｘｔの収束状況を曲線６０１、６０３、６０６で示している。

これによると、ボタンを押した場合のほうが、姿勢誤差Ｘｔの収束が早くなっている。このことは、オペレータが自らの判断で信頼度の設定を行うことにより得られる効果を示している。

実施形態２における実験では、測定を指示するボタンを一つとし、そのボタンを押したとき高い信頼度が設定された。しかし、複数のボタンを設け、それぞれに、例えば「高」、「中」、「低」の信頼度をあらかじめ設定しておいてもよい。この場合、いずれかのボタンを押したとき、それぞれの信頼度が設定され、太陽位置ずれ測定部６が測定を実施し得る。このような構成をとることにより、例えば天候の悪い状況が継続しても、太陽位置ずれを補正する必要が生じた場合、オペレータの経験に基づく信頼度を上記ボタンにより設定して姿勢誤差Ｘｔの推定を行うことが可能となる。従って、周囲状況に応じた信頼度の設定がオペレータの経験に基づいてなされるため、姿勢誤差Ｘｔの推定に際し、環境からの外乱を最小限に抑えた姿勢誤差推定が可能となる。その結果、そのような状況下であっても、姿勢誤差Ｘｔは真値に収束するという効果が期待できる。なお、ボタンの種類についての制限はなく、その数を多くして、それぞれに異なる信頼度が設定できるようにしておけば、よりきめ細かな姿勢誤差Ｘｔの推定が可能となる。その場合、より早い姿勢誤差Ｘｔの収束のための選択肢をオペレータが有することになって、結果として追尾性能が向上する。

以上説明したように、本開示の実施形態は、オペレータの経験的判断をもとに、信頼度、即ち、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔを変化させることにより、効率的に姿勢誤差Ｘｔの推定値を真値に収束させることが可能である。

（実施形態３）
本開示の実施形態３は、ディザ制御部７の動作が上記の実施形態に対して特徴的である。実施形態１および２では、ディザ動作の範囲を一定に設定している。しかしながら、ディザ動作の範囲が必要以上に大きすぎると、ディザ動作に要する時間、ひいては姿勢誤差Ｘｔの推定にかかる時間の増大を招く可能性がある。実施形態３では、ディザ動作に要する時間を短縮することができる。

本実施形態では、姿勢誤差Ｘｔの推定値を更新していく過程において、その信頼度を表す共分散行列Ｐｔが求められる。そして、その信頼度が把握される。これにより、その信頼度に応じて、太陽位置測定部による太陽位置ずれを予測し、ディザ動作の範囲を決定する。その結果、ディザの動作範囲を適切な大きさに制限することが可能になる。

上述した信頼度に応じた太陽位置測定部による太陽位置ずれの予測の方法は、下記の（数４）に表現される。

（数４）において、関数ｄｉａｇは姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔの対角成分を抜き出して縦ベクトルをつくる関数である。関数ｄｉａｇの平方根を求めることにより、姿勢誤差Ｘｔ（ピッチ、ロール、ヨー）の各成分の標準偏差が求められる。（数４）では、関数ｄｉａｇの平方根のｎ倍の値を用いているが、一般的にはｎ＝３に設定され得る。これは、正規分布を仮定したときの±３σ（確率変数がその範囲にはいる確率が９９．７３％）に相当する。

（数４）における｜Ｘ−Ｘｔ｜の標記は、ベクトルのノルムではなく、各要素の絶対値を求める意である。つまり、姿勢誤差ベクトルＸの各要素が、Ｘｔに対して標準偏差の３倍以上離れないという意味である。

このような姿勢誤差Ｘの集合に対して、関数ｈｔを適用すると、想定される太陽位置ズレの集合が求められる。姿勢誤差Ｘの集合の最大値と最小値との間の幅を算出する関数ｍｉｎ＿ｍａｘを適用することにより、仰角方向の太陽位置ズレばらつき幅θＥ、方位角方向の太陽位置ズレばらつき幅φＥを求めることができる。ディザの動作範囲をθＥ、φＥに等しく設定することにより、ディザの所用時間を最小化でき、結果として効率的な姿勢誤差Ｘｔの推定を実行することができる。

次に、本発明者等が行った本実施形態の効果を示すシミュレーション実験を説明する。シミュレーション実験では、（数４）に示す姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔの対角成分の初期値を(０．６度)２に設定した。また、太陽位置ずれ測定値Ｙｔの共分散行列Ｒｔの対角成分を(０．３度)２に設定した。９月１日の朝７時より１時間毎に１１回の測定・推定を行った。

シミュレーション実験の結果を図１３に示す。図１３は、ディザ動作の範囲を示す面積（単位はｄｅｇｒｅｅの２乗）と測定回数との関係を示している。ディザ動作の範囲を示す面積を、以下、「ディザ面積」と称する。ディザ面積とは、（数４）に示すθＥとφＥの積として定義される。

図１３から分かるように、初回の測定では、略２０度の２乗のディザ面積を持つ広い範囲をスキャンする必要があった。この範囲が正方形である場合、その一辺は略４．５度である。測定回数が増えるに従い、ディザ面積は大きく減少した。これより、姿勢誤差Ｘｔの共分散行列Ｐｔ（姿勢誤差の信頼度）を用いてディザ動作の範囲を決定すると、ディザ面積の削減に効果があり、ひいては測定時間の短縮を達成することができる。

ディザ動作における方位角および仰角の変位のステップをソーラーパネル１１０の入射光に対する角度依存性から定まる入射許容角よりも狭くし、ディザ動作の測定点を密に設定してもよい。

図１４を参照して、θＥ、φＥとディザ動作のパターン（一例）との関連を説明する。

円形ポイント１００１は、ディザ動作中における発電量測定部５による発電量の測定位置を示している。円形ポイント１００１の間隔１００４は、ディザ間隔に相当する。幅１００２は、仰角方向の太陽位置ずれバラツキ幅θＥを示し、幅１００３は方位角方向の太陽位置ずれバラツキ幅φＥを示している。ディザの進む方向は点線の矢印の方向である。

ディザ動作に要する時間、ひいては姿勢誤差Ｘｔの推定に要する時間を減らしたい場合、ディザ点数、即ち、ディザ動作中における発電量測定部５による発電量の測定位置を減らすことができる。ディザ動作範囲があらかじめ決まっている場合、ディザ間隔１００４を広げていけばよい。しかしながら、ディザ間隔１００４を広く取りすぎると、ソーラーパネル１１０が太陽光を受光する方向を見逃してしまう可能性がある。

本実施形態では、発電モジュールの入射光に対する角度依存性によって定まる入射許容角を事前に測定する。そして、ディザ間隔１００４が、この入射許容角を超えないように設定される。その結果、太陽の位置を見失うことなく、ディザ動作時間を減少させ、効率的な太陽位置ズレの測定を行うことが可能になる。このように、本実施形態では、ディザ動作の範囲および方法を調整することにより、姿勢誤差Ｘｔの推定作業の所要時間を短縮することが可能になる。

本開示の太陽光発電装置は、上記の実施形態における任意の太陽追尾装置、または、上記の実施形態を組み合わせた構成を有する太陽追尾装置と、その太陽追尾装置の支持機構に支持されたソーラーパネルとを備えている。ソーラーパネルは、太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルであれば、任意である。しかし、集光度が高いほど、ディザ動作によって得られる太陽位置の測定誤差が小さくなる利点がある。

本開示の太陽光発電装置によれば、ソーラーパネルの向きが太陽を追尾するため、太陽の高度が比較的に低い場合でも、効率を大きく低下させることなく太陽光を電気エネルギに変換することが可能になる。

本開示の太陽追尾装置に使用される制御装置は、ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽を追従するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるための制御部と、ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽の理論位置［φ1、θ1］によって決まる所定範囲内を走査するようにソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するディザ制御部と、ディザ動作中に測定されたソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値（Δφｍ、Δθｍ）を測定する太陽位置ずれ測定部と、太陽位置ずれの測定された値Ｙｔに基づいて支持機構の姿勢誤差の推定値Ｘｔ（＝［ロール、ピッチ、ヨー］）を得て、太陽位置ずれの測定値Ｙｔの信頼度Ｒｔおよび姿勢誤差の信頼度Ｐｔに応じて姿勢誤差の推定値Ｘｔを更新する（Ｘｔ→Ｘｔ＋１）姿勢誤差推定部とを備える。そして、制御部は、姿勢誤差の更新された推定値Ｘｔ＋１に基づいて太陽の理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいて前記ソーラーパネルの向きを制御する。

本開示による太陽追尾装置の制御プログラムは、任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得するステップと、太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの受光面の法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するステップと、ディザ動作中にソーラーパネルの発電量を測定し、測定された発電量の分布に基づいて太陽の測定位置を決定し、決定された太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を求めるステップと、太陽位置ずれの測定された値に基づいて支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて姿勢誤差の推定値を更新するステップとを太陽追尾装置に実行させるように構成されている。このようなプログラムは、半導体記憶装置または他の形態のメモリに格納されている。

なお、本開示による支持機構の姿勢誤差を推定する動作は、支持機構を土台に固定し、太陽光発電装置を設置したとき、また設置後に行えばよい。また、姿勢誤差の推定が正しく行われた後は、姿勢誤差を補償するための補正値が既知となるため、姿勢誤差が一定に維持される限り、姿勢誤差を推定するための動作を行う必要は無い。しかし、強風または地震などによって支持機構の姿勢誤差が変化した場合は、改めて、姿勢誤差の推定を実行することが好ましい。姿勢誤差の推定動作は、オペレータの指示によって不定期的に実行されても良いし、所定の期間をおいて自動的に実行されても良く、また、それらが組み合わせられて実行されても良い。

本開示の太陽光発電装置の実施形態によれば、太陽光発電によって生成された電力の一部または全部は、その時に使用される必要は無い。この電力の一部または全部は、備え付けまたはポータブルの蓄電池、電気自動車またはプラグインハイブリッド自動車に搭載された蓄電池にためられても良いし、売電されてもよい。

本開示の太陽追尾装置は、集光型の発電モジュールを搭載したソーラーパネルの太陽追尾装置として有用である。また、このような太陽追尾装置を備える太陽光発電装置は、太陽の高度によらず効率的な太陽光発電を実現し得る。

５ 発電量測定部
６ 太陽位置取得部
７ ディザ制御部
８ 太陽位置ずれ測定部
１０ 外的要因
１２ 姿勢誤差推定部
３０ 操作部
３４ 制御駆動
１１０ ソーラーパネル
１１２ 支持機構（支柱）

Claims (15)

1. 太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの向きを変化させ得るように前記ソーラーパネルを支持するように構成された支持機構と、
   前記ソーラーパネルの発電量を測定する測定部と、
   任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得する太陽位置取得部と、
   前記ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽を追従するように前記ソーラーパネルの向きを変化させる制御駆動部と、
   前記制御駆動部に接続され、前記ソーラーパネルの前記法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するディザ制御部と、
   前記ディザ動作中に前記測定部によって測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を測定する太陽位置ずれ測定部と、
   前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値Ｘｔを更新する姿勢誤差推定部と、
   を備え、
   前記制御駆動部は、前記姿勢誤差の更新された推定値に基づいて太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいて前記ソーラーパネルの向きを制御し、
   前記測定値の信頼度は、前記測定されたソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される太陽追尾装置。
2. 前記測定値の信頼度は、前記測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布のピーク値およびピーク幅の少なくとも一方と前記ソーラーパネルの設置地域および時期における期待される前記ソーラーパネルの発電量の分布のピーク値およびピーク幅の少なくとも一方との比較に基づいて決定される請求項１に記載の太陽追尾装置。
3. 前記測定値の信頼度は、前記測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布のピーク値と前記ソーラーパネルの設置地域および時期において期待される前記ソーラーパネルの発電量の分布のピーク値との比較に基づいて決定される請求項２に記載の太陽追尾装置。
4. 前記測定値の信頼度は、前記測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布のピーク幅と前記発電モジュールの入射光に対する角度依存性から算出される前記ソーラーパネルの発電量の分布のピーク幅との比較に基づいて決定される請求項２に記載の太陽追尾装置。
5. 前記測定値の信頼度は、風速に基づいて決定される請求項１に記載の太陽追尾装置。
6. 前記太陽追尾装置の風耐性によって定まる風速の限界値を示す情報を有し、
   風速が前記限界値を超えたとき、前記測定値の信頼度を低下させる請求項５に記載の太陽追尾装置。
7. 前記測定値の信頼度を前記太陽追尾装置のオペレータが設定できるように構成された操作部を更に備えている請求項１から６のいずれかに記載の太陽追尾装置。
8. 前記操作部は、複数の釦を有し、各釦には異なる信頼度が前記測定値に対して事前に割り当てられ、前記釦の操作によって選択された信頼度に基づいて、前記姿勢誤差の推定値が更新される請求項７に記載の太陽追尾装置。
9. 前記ディザ制御部は、前記姿勢誤差の信頼度に基づいてディザ動作の範囲を決定する請求項１から８のいずれかに記載の太陽追尾装置。
10. 前記ディザ制御部は、前記発電モジュールの入射光に対する角度依存性から定まる入射許容角よりも狭い範囲内に前記ディザ動作における測定点を設定する請求項１から９のいずれかに記載の太陽追尾装置。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の太陽追尾装置と、
    前記太陽追尾装置の前記支持機構に支持されたソーラーパネルと、
    を備えた太陽光発電装置。
12. 請求項１から１０のいずれかに記載の太陽追尾装置に使用される制御装置であって、
    ソーラーパネルの受光面の法線方向が太陽を追従するように前記ソーラーパネルの向きを変化させる制御駆動部と、
    前記制御駆動部に接続され、前記ソーラーパネルの前記法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するディザ制御部と、
    前記ディザ動作中に前記測定部によって測定された前記ソーラーパネルの発電量の分布に基づいて決定される太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を測定する太陽位置ずれ測定部と、
    前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新する姿勢誤差推定部と、
    を備え、
    前記制御駆動部は、前記姿勢誤差の更新された推定値に基づいて太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいて前記ソーラーパネルの向きを制御する制御装置。
13. 太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの向きを変化させ得るように前記ソーラーパネルを支持する支持機構を土台に設置するステップと、
    任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得するステップと、
    前記ソーラーパネルの前記法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するステップと、
    前記ディザ動作中に前記ソーラーパネルの発電量を測定し、測定された発電量の分布に基づいて太陽の測定位置を決定し、決定された太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を求めるステップと、
    前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新するステップと、
    を包含する、太陽追尾装置における姿勢誤差の推定方法。
14. 請求項１３に記載の方法によって得られた前記姿勢誤差の更新された推定値に基づいて、太陽の前記理論位置を補正し、補正された理論位置に基づいてソーラーパネルの向きを制御するステップを備える、太陽追尾方法。
15. 太陽追尾装置の制御プログラムであって、
    任意の時刻における太陽の理論位置を示す情報を取得するステップと、
    太陽光によって発電する集光型の発電モジュールを有するソーラーパネルの受光面の法線方向が前記太陽の理論位置によって決まる所定範囲内を走査するように前記ソーラーパネルの向きを変化させるディザ動作を実行するステップと、
    前記ディザ動作中に前記ソーラーパネルの発電量を測定し、測定された発電量の分布に基づいて太陽の測定位置を決定し、決定された太陽の測定位置と太陽の前記理論位置との間にある太陽位置ずれの値を求めるステップと、
    前記太陽位置ずれの測定された値に基づいて前記支持機構の姿勢誤差の推定値を得て、前記太陽位置ずれの測定値の信頼度および前記姿勢誤差の信頼度に応じて前記姿勢誤差の推定値を更新するステップと、
    を太陽追尾装置に実行させるように構成された、制御プログラム。

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