(57)【要約】【課題】精度の高い太陽電池の発電量予測が可能な発電量予測を行うこと。【解決手段】発電量予測を行う太陽電池セルの構造を、指定された太陽電池セルの構造に関する情報に基づいて決定する第１工程と、前記太陽電池セルの設置場所の環境情報を決定する第２工程と、前記太陽電池セルの設置場所の環境情報に基づいて日射スペクトルとセル温度とを含む前記太陽電池セルの環境条件を計算する第３工程と、構成要素として電流源とダイオードと抵抗とを含む前記太陽電池セルの等価回路を、前記環境条件に対応して前記太陽電池セルの等価回路の構成要素のパラメタを設定して作成する第４工程と、前記太陽電池セルの等価回路に基づいて前記太陽電池セルの発電量を含む電流電圧特性を計算する第５工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電量予測を行う太陽電池セルの構造を、指定された太陽電池セルの構造に関する情報に基づいて決定する第１工程と、
前記太陽電池セルの設置場所の環境情報を決定する第２工程と、
前記太陽電池セルの設置場所の環境情報に基づいて日射スペクトルとセル温度とを含む前記太陽電池セルの環境条件を計算する第３工程と、
構成要素として電流源とダイオードと抵抗とを含む前記太陽電池セルの等価回路を、前記環境条件に対応して前記太陽電池セルの等価回路の構成要素のパラメタを設定して作成する第４工程と、
前記太陽電池セルの等価回路に基づいて前記太陽電池セルの発電量を含む電流電圧特性を計算する第５工程と、
を含むことを特徴とする発電量予測方法。
【請求項２】
前記第４工程では、前記太陽電池セルを構成する複数の部分構造における光の透過率および光の反射率を含む前記太陽電池セルの光学モデルに基づいて計算された外部量子効率と前記日射スペクトルとを用いて前記電流源の電流値を計算する工程を含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の発電量予測方法。
【請求項３】
前記部分構造における光の透過率および光の反射率を前記太陽電池セルの外部量子効率の測定値から決定すること、
を特徴とする請求項２に記載の発電量予測方法。
【請求項４】
前記太陽電池セルの等価回路は、前記太陽電池セルの発電層に対応した複数のダイオードを含み、前記複数のダイオードは互いに直列に接続されたダイオード成分を含むこと、
を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の発電量予測方法。
【請求項５】
前記太陽電池セルの等価回路は、前記太陽電池セルの発電層に対応した複数のダイオードを含み、前記複数のダイオードは互いに並列に接続されたダイオード成分を含むこと、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の発電量予測方法。
【請求項６】
前記太陽電池セルの等価回路は、前記電流源の電圧に依存する前記電流源の電流の減少に対応する損失源を前記電流源と並列に含むこと、
を特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の発電量予測方法。
【請求項７】
前記太陽電池セルの設置場所での前記太陽電池セルの設置傾斜角、設置方位、風向、風速の情報を用いて前記太陽電池セルと外気との熱伝達率を計算する工程と、
日射情報と前記熱伝達率とを用いて前記セル温度を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の発電量予測方法。
【請求項８】
複数の前記太陽電池セルが電気的に接続された太陽電池モジュールの等価回路を前記太陽電池セルの等価回路を用いて作成する工程と、
前記太陽電池モジュールの等価回路に基づいて前記太陽電池モジュールの発電量を含む電流電圧特性を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の発電量予測方法。
【請求項９】
複数の前記太陽電池モジュールが電気的に接続された太陽電池アレイの等価回路を前記太陽電池モジュールの等価回路を用いて作成する工程と、
前記太陽電池アレイの等価回路に基づいて前記太陽電池アレイの発電量を含む電流電圧特性を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項８に記載の発電量予測方法。
【請求項１０】
前記太陽電池アレイに電気的に接続されるパワーコンディショナーにおける電力損失を計算して前記太陽電池アレイから送電されて前記パワーコンディショナーから出力される発電量を計算する工程を含むこと、
を特徴とする請求項９に記載の発電量予測方法。
【請求項１１】
前記パワーコンディショナーから出力された電力を変圧して送電可能な送電発電量を計算する工程を含むこと、
を特徴とする請求項１０に記載の発電量予測方法。
【請求項１２】
発電量予測を行う太陽電池セルの構造を、指定された太陽電池セルの構造に関する情報に基づいて決定するセル構造決定部と、
前記太陽電池セルの設置場所の環境情報を決定する設置環境情報決定部と、
前記太陽電池セルの設置場所の環境情報に基づいて日射スペクトルとセル温度とを含む前記太陽電池セルの環境条件を計算する環境条件計算部と、
構成要素として電流源とダイオードと抵抗とを含む前記太陽電池セルの等価回路を、前記環境条件に対応して前記太陽電池セルの等価回路の構成要素のパラメタを設定して作成する等価回路作成部と、
前記太陽電池セルの等価回路に基づいて前記太陽電池セルの発電量を含む電流電圧特性を計算する電流電圧特性計算部と、
を含むことを特徴とする発電量予測装置。
【請求項１３】
前記等価回路作成部では、前記太陽電池セルを構成する複数の部分構造における光の透過率および光の反射率を含む前記太陽電池セルの光学モデルに基づいて計算された外部量子効率と前記日射スペクトルとを用いて前記電流源の電流値を計算すること、
を特徴とする請求項１２に記載の発電量予測装置。
【請求項１４】
前記部分構造における光の透過率および光の反射率を前記太陽電池セルの外部量子効率の測定値から決定すること、
を特徴とする第１３に記載の発電量予測装置。
【請求項１５】
前記太陽電池セルの等価回路は、前記太陽電池セルの発電層に対応した複数のダイオードを含み、前記複数のダイオードは互いに直列に接続されたダイオード成分を含むこと、
を特徴とする請求項１２から１４のいずれか１つに記載の発電量予測装置。
【請求項１６】
前記太陽電池セルの等価回路は、前記太陽電池セルの発電層に対応した複数のダイオードを含み、前記複数のダイオードは互いに並列に接続されたダイオード成分を含むこと、
を特徴とする請求項１２から１５のいずれか１つに記載の発電量予測装置。
【請求項１７】
前記太陽電池セルの等価回路は、前記電流源の電圧に依存する前記電流源の電流の減少に対応する損失源を前記電流源と並列に含むこと、
を特徴とする請求項１２から１６のいずれか１つに記載の発電量予測装置。
【請求項１８】
前記環境条件計算部は、前記太陽電池セルの設置場所での前記太陽電池セルの設置傾斜角、設置方位、風向、風速の情報を用いて前記太陽電池セルと外気との熱伝達率を計算し、日射情報と前記熱伝達率とを用いて前記セル温度を計算すること、
を特徴とする請求項１２から１７のいずれか１つに記載の発電量予測装置。
【請求項１９】
前記等価回路作成部は、複数の前記太陽電池セルが電気的に接続された太陽電池モジュールの等価回路を前記太陽電池セルの等価回路を用いて作成し、
前記電流電圧特性計算部は、前記太陽電池モジュールの等価回路に基づいて前記太陽電池モジュールの発電量を含む電流電圧特性を計算すること、
を特徴とする請求項１２から１８のいずれか１つに記載の発電量予測装置。
【請求項２０】
前記等価回路作成部は、複数の前記太陽電池モジュールが電気的に接続された太陽電池アレイの等価回路を前記太陽電池モジュールの等価回路を用いて作成し、
前記電流電圧特性計算部は、前記太陽電池アレイの等価回路に基づいて前記太陽電池アレイの電流電圧特性を計算すること、
を特徴とする請求項１９に記載の発電量予測装置。
【請求項２１】
前記太陽電池アレイに電気的に接続されるパワーコンディショナーにおける電力損失を計算して前記太陽電池アレイから送電されて前記パワーコンディショナーから出力される発電量を計算するパワーコンディショナー出力計算部を備えること、
を特徴とする請求項２０に記載の発電量予測装置。
【請求項２２】
前記パワーコンディショナーから出力された電力を変圧して送電可能な送電発電量を計算する送電発電量計算部を備えること、
を特徴とする請求項２１に記載の発電量予測装置。
【請求項２３】
太陽電池アレイと、
前記太陽電池アレイに接続されて前記太陽電池アレイで発電された電力を集電するパワーコンディショナーと、
前記パワーコンディショナーに接続されて前記パワーコンディショナーで集電された電力を任意の電圧に変圧する変圧部と、
前記太陽電池アレイの発電量予測を行う請求項２１または２２に記載の発電量予測装置と、
を備えることを特徴とする太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電量予測方法および発電量予測装置、太陽光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化やエネルギ資源の枯渇に対して再生可能エネルギの利用が進められている。太陽電池はその代表となるデバイスである。しかし、太陽電池は、発電量が設置環境、設置場所の緯度、天候、温度に依存する。このため、太陽電池を実際に使用するためには、デバイスの性能に加えて、これらの環境条件を考慮に入れた発電量の予測が不可欠である。特に売電による利潤を目的とする太陽電池発電システムの建設では、発電量の予測において高い予測精度が必要とされる。
【０００３】
発電量の予測に関しては、たとえばＪＩＳ  Ｃ  ８９０７  「太陽光発電システムの発電電力量推定方式」による推定発電量の算出方法、太陽光発電協会が決めている簡易的な算出方法がある。上記以外でも、予測精度を上げる目的で、実績値を用いてＪＩＳ方式による推定を修正する発電量予測装置（たとえば、特許文献１参照）、太陽高度や日照時間から発電量を予測する装置（たとえば、特許文献２参照）のように予測装置、予測方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０５０８号公報
【特許文献２】特開２０１３−７３５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの発電量予測装置では、太陽電池セルの特性に関しては限られた情報しか利用していない。たとえば上記ＪＩＳ  Ｃ  ８９０７「太陽光発電システムの発電電力量推定方式」においては、発電電力ＥＰＭは、太陽電池モジュールの最大電力ＰＡＳ（以下、最大電力ＰＡＳと称する）、日射量ＨＡＭ、補正係数Ｋ、標準試験条件日射強度Ｇｓを用いて、下記の数式（１）により求める。
【０００６】
【数１】
2015070640.tif 000003
【０００７】
ここで、太陽電池セルの特性に関係するパラメタは、最大電力ＰＡＳと補正係数Ｋであり、温度による太陽電池セルの特性の変化や経時変化は補正係数Ｋとして加味される。最大電力ＰＡＳは、標準測定条件（ＡＭ１．５、１ｋＷ／ｍ２、垂直入射、温度２５℃）で測定されたものである。
【０００８】
しかしながら、最大電力ＰＡＳと補正係数Ｋだけでは、太陽電池セルの特性を十分表現できない。たとえば、太陽電池セルの発電量は、日射量だけでなく、日射スペクトルにも依存する。日射スペクトルは、緯度や雲量等の天候条件、散乱光の割合に依存する。同じ日射量であっても、異なる日射スペクトルであれば、太陽電池セルの外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）に依存して異なる発電量になる。すなわち、発電を正確に計算するためには日射スペクトルと太陽電池セルのＥＱＥのデータが必要である。
【０００９】
また、太陽電池セルの発電量は、出力電圧あるいは出力電流によって異なる値になる。最大電力ＰＡＳは、出力が最大となる電圧（または電流）の動作点の発電量である。実際の太陽電池セルがこの動作点にあるとは限らない。このため、上述の数式（１）では補正係数Ｋで補正を行う。しかしながら、太陽電池セルあるいは太陽電池モジュールの電力を正しく予測するためには、太陽電池セルの電流電圧特性を把握し、実際の太陽光発電システムの回路において発電量を計算する必要がある。
【００１０】
さらに、温度による太陽電池セルの特性の変化も、上述の予測方法では補正係数Ｋによりなされる。しかし、詳細には太陽電池セルの特性の中でＥＱＥと電流電圧特性との２つの変化要素を含んでおり、発電量の温度による変化は、日射スペクトルおよび電流電圧の動作点にも依存する。
【００１１】
また、光による太陽電池セルの特性の変化としては、たとえば光や熱による封止材の劣化、非晶質シリコンからなる薄膜太陽電池における光劣化（ステプラー・ロンスキー効果）が知られている。前者では、ＥＱＥの変化が発電量を変化させる。また、後者では、電流電圧特性の変化が発電量を変化させる。このため、その結果はそれぞれやはり日射スペクトル、電流電圧特性の動作点に依存する。このように、実際の仕様、環境の条件に沿った、精度の高い発電量予測は難しいのが現実である。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、精度の高い太陽電池の発電量予測が可能な発電量予測方法および発電量予測装置、太陽光発電システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる発電量予測方法は、発電量予測を行う太陽電池セルの構造を、指定された太陽電池セルの構造に関する情報に基づいて決定する第１工程と、前記太陽電池セルの設置場所の環境情報を決定する第２工程と、前記太陽電池セルの設置場所の環境情報に基づいて日射スペクトルとセル温度とを含む前記太陽電池セルの環境条件を計算する第３工程と、構成要素として電流源とダイオードと抵抗とを含む前記太陽電池セルの等価回路を、前記環境条件に対応して前記太陽電池セルの等価回路の構成要素のパラメタを設定して作成する第４工程と、前記太陽電池セルの等価回路に基づいて前記太陽電池セルの発電量を含む電流電圧特性を計算する第５工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、精度の高い発電量予測が可能な太陽電池の発電予測が可能になる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる発電量予測方法を実行する発電量予測装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかる発電量予測方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、計算により得た尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度と実測の日射スペクトル強度との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１におけるタンデム型薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１におけるタンデム型薄膜太陽電池セルに対応するセル等価回路モデルを示す図である。
【図６】図６は、一般的な太陽電池セルの等価回路モデルを示す図である。
【図７】図７は、太陽電池セルのセル等価回路モデルに損失源を加える効果を示す特性図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１におけるダイオードに関連するパラメタの時間変化の一例を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１におけるタンデム型薄膜太陽電池セルの光学モデルを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１における光学モデルのモデルパラメタを説明する特性図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態１における光学モデルによる外部量子効率のあてはめ結果を示す特性図である。
【図１２】図１２は、実施の形態１における光学モデルによる第１光電変換層の外部量子効率のあてはめ結果（光透過率）を説明する特性図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルの断面構造を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルのセル等価回路モデルを示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルの光学モデルを示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルの温度を変化させたときの光電変換効率を予測した結果を示す特性図である。
【図１７】図１７は、実施の形態１にかかる発電量予測装置を備えた発電システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる発電量予測方法および発電量予測装置、太陽光発電システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に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において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる発電量予測方法を実行する発電量予測装置１００の概略構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、この発電量予測装置１００は、後述する工程を実施して太陽電池の発電量予測を行なう計算機であり、一般のコンピュータを用いることができる。なお、発電量予測装置１００には専用のハードウェアを用いてもよい。発電量予測装置１００は、内部にインストールされたソフトウェアである発電量予測プログラムを起動することにより、所定の演算を行って太陽電池発電システムの発電量予測を行う。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態にかかる発電量予測装置１００は、入力装置１０１と、液晶モニタなどの表示装置１０２と、中央処理装置１０３と、記憶装置１０４と、出力装置１０５と、第１データベース１０６と、第２データベース１０７とを有している。発電量予測装置１００では、これらの入力装置１０１、表示装置１０２、中央処理装置１０３、記憶装置１０４、出力装置１０５、第１データベース１０６、第２データベース１０７は、バスライン１０８を介して接続されている。
【００１９】
入力装置１０１は、たとえばキーボードやマウスなどを備えて各種のデータを入力可能とされたユーザ入力手段と、外部記憶媒体の情報を読み込むことにより各種のデータを入力可能とされた外部記憶媒体入力手段とを備える。なお、外部記憶媒体入力手段は、外部記憶媒体に限らずインターネットを介して他のあらゆる外部手段からデータファイルとして情報を読み込むことにより各種のデータを入力してもよい。
【００２０】
入力装置１０１は、ユーザ（発電量予測装置１００の使用者）から入力される指示情報を入力する。入力装置１０１へは、各種データ、各種プログラムの実行指示情報、各種データを表示装置１０２に表示させる表示指示情報、各種データを出力装置に出力する出力指示情報が入力される。入力装置１０１へ入力された各種データ、各種指示情報は、中央処理装置１０３へ送られて処理され、また記憶装置１０４に記憶される。表示装置１０２は、中央処理装置１０３からの指示に基づいて、表示装置１０２に各種データなどを表示する。
【００２１】
中央処理装置１０３は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）などの情報処理装置である。中央処理装置１０３は、発電量予測装置１００内の各部と各種プログラムおよびデータをやり取りしながら太陽電池発電システムの発電量予測の処理を行う。すなわち、中央処理装置１０３は、コンピュータプログラムである発電量予測プログラムと各種データとを用いて太陽電池発電システムの発電量予測を行う。
【００２２】
記憶装置１０４としては、太陽電池発電システムの発電量予測を行う際に用いられる発電量予測プログラム、各種データ、各種計算結果が記憶される。記憶装置１０４としては、たとえばハードディスク、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）を含む各種記憶装置が用いられる。
【００２３】
第１データベース１０６および第２データベース１０７は、ハードディスクなどの記憶装置により構成され、それぞれ、後述する環境条件を計算するためのデータや太陽電池セルの特性を表すパラメタが格納されている。すなわち、第１データベース１０６には、太陽電池セルの環境条件を決めるデータとして、日射量（直達、散乱）、気温、風向、風速を含むデータが格納されている。第１データベース１０６に格納されるデータとしては、太陽光発電システムの設置場所での測定データを用いてもよく、また日本気象協会の提供する気象数値予測システム（ＳＹＮＦＯＳ−３Ｄ）の予測データを用いてもよい。第２データベース１０７には、発電量予測の対象となる太陽電池セルに対応した、外部量子効率およびセル等価回路モデルを作成するのに必要なパラメタ、およびそのパラメタの環境条件依存性を計算するためのデータが格納されている。
【００２４】
発電量予測装置１００で実行される発電量予測プログラムは、記憶装置１０４上の作業エリア（メインメモリ）にロードされ、これらが記憶装置１０４上に生成される。たとえば記憶装置１０４内のＲＯＭに格納されているプログラムは、バスライン１０８を介して記憶装置１０４内のＲＡＭへロードされる。中央処理装置１０３はＲＡＭ内にロードされた発電量予測プログラムを実行する。具体的には、発電量予測装置１００では、ユーザによる入力装置１０１からの指示入力に従って、中央処理装置１０３がＲＯＭ内から発電量予測プログラムを読み出してＲＡＭ内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。中央処理装置１０３は、この各種処理に際して生じる各種データをＲＡＭ内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶させておく。また、各種処理の実行結果は、表示装置１０２に表示され、またユーザによる入力装置１０１からの指示入力に従って出力装置１０５に出力される。
【００２５】
記憶装置１０４内のＲＯＭに格納されているプログラムが記憶装置１０４内のＲＡＭへロードされると、図１（ｂ）に示すように発電量予測装置１００における処理部として、セル構造決定部１１１と、設置環境情報決定部１１２と、環境条件計算部１１３と、等価回路作成部１１４と、電流電圧特性計算部１１５と、パワーコンディショナー出力計算部１１６と、送電発電量計算部１１７とが記憶装置１０４上に生成される。
【００２６】
セル構造決定部は、発電量予測を行う太陽電池セルの構造を、指定された太陽電池セルの構造に関する情報に基づいて決定する。設置環境情報決定部は、太陽電池セルの設置場所の環境情報を決定する。環境条件計算部は、太陽電池セルの設置場所の環境情報に基づいて日射スペクトルとセル温度とを含む太陽電池セルの環境条件を計算する。
【００２７】
等価回路作成部は、構成要素として電流源とダイオードと抵抗とを含む太陽電池セルの等価回路を、環境条件に対応して太陽電池セルの等価回路の構成要素のパラメタを設定して作成する。また、等価回路作成部は、複数の太陽電池セルが電気的に接続された太陽電池モジュールの等価回路を太陽電池セルの等価回路を用いて作成する。また、等価回路作成部は、複数の太陽電池モジュールが電気的に接続された太陽電池アレイの等価回路を太陽電池モジュールの等価回路を用いて作成する。
【００２８】
電流電圧特性計算部は、太陽電池セルの等価回路に基づいて太陽電池セルの発電量を含む電流電圧特性を計算する。また、電流電圧特性計算部は、太陽電池モジュールの等価回路に基づいて太陽電池モジュールの発電量を含む電流電圧特性を計算する。また、電流電圧特性計算部は、太陽電池アレイの等価回路に基づいて太陽電池アレイの電流電圧特性を計算する。
【００２９】
つぎに、実施の形態１にかかる発電量予測方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる発電量予測方法の手順を示すフローチャートである。なお、以下の処理は、一連の発電量予測プログラムとして作成され、発電量予測装置１００で実行される。
【００３０】
まず、初期構造決定工程（ステップＳ１１０）において、発電量予測を行う元となる太陽光発電システム（以下、発電システムと呼ぶ場合がある）の初期構造を設定・決定する。初期構造決定工程では、太陽光発電システムの概略構造を決定する。なお、発電システムの詳細については後述するが、発電システムは発電量予測装置１００の他に、主な構成要素として複数の太陽電池モジュール（以下、モジュールと呼ぶ場合がある）が電気的に直列または並列に接続されてなる太陽電池アレイ、パワーコンディショナーを備えて構成される。また、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セル（以下、セルと呼ぶ場合がある）が電気的に直列または並列に接続されてなる。
【００３１】
まず、ユーザが発電量予測プログラム開始情報を入力して発電量予測プログラムを起動させ、入力装置１０１を用いて太陽光発電システム構造情報および発電量予測に関する時間情報を発電量予測装置１００に入力する。太陽光発電システム構造情報が入力されると、中央処理装置１０３（セル構造決定部１１１）はこの太陽光発電システム構造情報を記憶装置１０４に記憶させることにより、発電量予測を行う太陽光発電システムの初期構造の設定・決定を行う。
【００３２】
太陽光発電システム構造情報としては、太陽光発電システムに含まれる太陽電池セルの種類（たとえば結晶シリコン、薄膜シリコン、ＣＩＧＳ薄膜）、太陽電池モジュール内の太陽電池セルの構造情報、バイパスダイオードの構造情報、太陽電池アレイ（以下、アレイと呼ぶ場合がある）の配置情報、パワーコンディショナーの仕様情報が含まれる。中央処理装置１０３（セル構造決定部１１１）は、これらの情報を基に、セル等価回路モデル、モジュール等価回路モデル、アレイ等価回路モデル、パワーコンディショナーのモデル、発電システム全体の発電量計算のモデルの構成を決定する。
【００３３】
発電量予測に関する時間情報としては、発電量予測を計算する時間ステップと時間範囲とが入力される。
【００３４】
ここでは、たとえばアレイの数をＬ、ｋ番目のアレイに属するモジュールの数をＭｋ、ｊ番目のモジュールに属するセルの数をＮｊとする。個々のアレイを番号ｋ、モジュールを番号ｊで、セルを番号ｉで表せば、ｋ＝１〜Ｌ、ｊ＝１〜Ｍｋ、ｉ=1〜Ｎｊになる。
【００３５】
初期構造決定工程（ステップＳ１１０）が終了すると、ユーザは、設置環境情報入力工程（ステップＳ１２０）において、太陽光発電システムが設置される設置環境に関する条件の情報を入力する。設置環境情報には、太陽光発電システムの設置場所の位置（緯度、経度）、太陽電池セルの設置角度、太陽光発電システムが設置される場所の周囲の建造物による太陽光の遮蔽、太陽光を反射する物体の存在が含まれる。中央処理装置１０３（設置環境情報決定部１１２）は、入力された情報を設置環境情報として決定する。
【００３６】
設置環境情報入力工程（ステップＳ１２０）が終了すると、中央処理装置１０３（環境条件計算部１１３）は、セル環境条件計算工程（ステップＳ１３０）を実施する。セル環境条件計算工程（ステップＳ１３０）では、個々の太陽電池セルのセル環境条件のたとえば１時間ごとの時間変化を計算する。
【００３７】
セル環境条件には、セル温度、日射の直達光と散乱光との日射スペクトル、日射の直達光と散乱光との割合が含まれる。セル環境条件を決めるデータには、日射量（直達、散乱）、気温、風向、風速が含まれる。中央処理装置１０３（環境条件計算部１１３）は、これらのデータと設置環境情報とを用いて計算を行う。中央処理装置１０３（環境条件計算部１１３）は、これらのデータを第１データベース１０６から読み込んで用いる。第１データベース１０６に格納されるデータとしては、太陽光発電システムの設置場所での測定データを用いてもよく、また日本気象協会の提供する気象数値予測システム（ＳＹＮＦＯＳ−３Ｄ）の予測データを用いてもよい。
【００３８】
また、中央処理装置１０３（環境条件計算部１１３）は、過去の気象データを第１データベース１０６から取り込み、その平均的な値を求めてセル環境条件を決めるデータとして用いてもよい。過去の気象データとしては、たとえば独立行政法人新エネルギ・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ：Ｎｅｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）がデータベースを公開しているため、ＮＥＤＯが提供するデータ(日射量データベース)を使用する。日射スペクトルについては、測定値がなければ、太陽高度、太陽電池セルの設置角度、曇り量、太陽光の遮蔽状況を考慮して推定する。
【００３９】
中央処理装置１０３（環境条件計算部１１３）によりセル環境条件として計算されて出力される条件は、個々のモジュール、或いはモジュール内での分布が予想される場合は個々のセルにおける温度、日射の直達光と散乱光との日射スペクトル、日射の直達光と散乱光との割合である。得られた結果は、セル環境条件として記憶装置１０４に記憶される。
【００４０】
日射スペクトルは、太陽高度、太陽方位、雲の状態（曇り量）、天空遮蔽情報に依存する。天空遮蔽情報は、太陽電池モジュールの傾斜面に垂直な方向を向いたときに見える半球面のうち、周囲のビルや地平線などに遮られず、青空が見える立体角の割合をさす。たとえば太陽モジュールを水平に置いたときに周囲に障害物が何もない場合は１．０が天空遮蔽情報であり、また太陽電池モジュールを垂直に置いたときに周囲に障害物が何もない場合は、地平線の下に相当する１／４球面を除く０．５が天空遮蔽情報となる。
【００４１】
これらの情報をパラメタとして、あらかじめ日射スペクトルの実測値のデータを蓄積しておくことにより、中央処理装置１０３（環境条件計算部１１３）は、太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の位置情報（緯度、経度）、気象情報、設置傾斜角、天空遮蔽情報を基に日射スペクトルを、計算、推定する。さらに、入力された遮蔽物の位置、形状等から太陽電池モジュールに影がかかる場合は、その影の位置を計算し、計算結果を基にセルの日射スペクトルを算出する。たとえば、太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の緯度・経度、気象情報、設置傾斜角、天空遮蔽情報を用いて、太陽方位、太陽高度、全天曇り量、太陽周囲曇り量を推定・計算し、晴れや曇りのときのスペクトルをモデル計算することができる。すなわち、各種の天候におけるスペクトルをモデル計算することができる。これにより、既存のデータベースからスペクトルを算出することができる。
【００４２】
一例として、上記の方法で計算した尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度を図３に示す。図３は、計算により得た尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度と実測の日射スペクトル強度との関係を示す特性図である。図３においては、横軸に太陽光の波長（ｎｍ）を、縦軸に日射スペクトル強度（ａｒｂ，ｕｎｉｔｓ）を示している。図３より、計算により得た日射スペクトル強度は、実測の日射スペクトル強度と良く一致していることが分かる。
【００４３】
セル温度は、太陽電池セルの設置傾斜角、設置方位、風向、風速、太陽電池セルの放熱を決定する太陽電池セルと外気との熱伝達率の関係および太陽電池セルの放射率を第１データベース１０６にデータベース化しておくことにより、入熱を決める日射スペクトルと外気温を用いて計算することができる。また、太陽電池セルと外気との熱伝達率は、太陽電池セルの設置場所での太陽電池セルの設置傾斜角、設置方位、風向、風速の情報を用いて計算することができる。そして、日射情報とこの熱伝達率とを用いてセル温度を計算することができる。これにより、実測しなくとも太陽電池セルの温度を推定できる。
【００４４】
セル環境条件計算工程（ステップＳ１３０）が終了すると、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）を実施する。セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）では、計算したい時刻における、モジュールを構成する個々のセルの電流値を計算する。ここでは個々のセルについて、アレイ、モジュール、セルを表す番号ｋ、ｊ、ｉを用いたセル表示情報（ｋ、ｊ、ｉ）で表す。すなわち、たとえばセル表示情報（１、１、１）によれば、アレイの番号１、モジュールの番号１、セルの番号１のセルが表される。セル電流値を計算する時刻Ｔは、Ｔ＝ｔ_startからスタートする。セル電流値を計算するセルは、（１、１、１）からスタートする。
【００４５】
セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）においては、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、まず第２データベース１０７から、（ｋ、ｊ、ｉ）の太陽電池セルの外部量子効率を計算するためのパラメタを読み取り、セル環境条件計算工程（ステップＳ１３０）で得られた（ｋ、ｊ、ｉ）の太陽電池セルに対応するセル環境条件の値に換算し、太陽電池セルの外部量子効率を決定する。パラメタの換算におけるセル環境条件としては、セル温度に加えて、環境に依存した設置後のパラメタの経時変化が予測される場合は、その予測値を計算する。
【００４６】
つぎに、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、得られた外部量子効率と、セル環境条件として計算された時刻ｔの（ｋ、ｊ、ｉ）のセルの日射スペクトルとから、後述する等価回路モデルにおける電流源の電流値を計算する。
【００４７】
セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）が終了すると、中央処理装置１０３（等価回路作成部１１４）は、セル等価回路作成工程（ステップＳ１５０）を実施する。セル等価回路作成工程（ステップＳ１５０）では、（ｋ、ｊ、ｉ）のセルに対応した後述するセル等価回路を作成し、その結果を記憶装置１０４に保存する。セル等価回路モデル内の電流源については、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）で計算した値を設定、使用する。
【００４８】
セル等価回路モデル内のその他の要素については、セル等価回路モデルを作成するのに必要なパラメタを第２データベース１０７から読み込み、時刻ｔの（ｋ、ｊ、ｉ）のセルのセル環境条件に対応する値に換算して、設定する。この場合も、パラメタの換算におけるセル環境条件としては、セル温度に加えて、環境に依存した設置後のパラメタの経時変化が予測される場合は、その予測値を計算する。
【００４９】
ここで、第２データベース１０７には、発電量予測の対象となる太陽電池セルに対応した、外部量子効率およびセル等価回路モデルを作成するのに必要なパラメタ、およびそのパラメタの環境条件依存性を計算するためのデータが格納されているが、これらのパラメタやその求め方は後述する。
【００５０】
また、上記の外部量子効率を計算するためのパラメタやダイオードを計算するためのパラメタの値は分布をもっており、たとえば平均値と最大値、最小値で表される。これに対応して、計算される外部量子効率も分布を持っている。したがって、計算される電流値や電圧電流特性も、たとえば最大値、最小値、平均値というように分布を有する値で表される。
【００５１】
セル等価回路作成工程（ステップＳ１５０）が終了すると、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、セル電気特性計算工程（ステップＳ１６０）を実施する。セル電気特性計算工程（ステップＳ１６０）では、セル等価回路を基に、セル電気特性としてセルの最大電力（出力が最大となる電圧または電流の動作点の発電量）、開放電圧、短絡電流、曲線因子、光電変換効率について、それぞれ最大値、最小値、平均値を計算し、その結果を記憶装置１０４に保存する。
【００５２】
中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、モジュール（ｋ、ｊ）を構成する１つのセルについてセル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜セル電気特性計算工程（ステップＳ１６０）の工程を実施した後、該工程を実施したセルのセル表示情報がｉ＝Ｎｊであるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。
【００５３】
ステップＳ１７０においてｉ＝Ｎｊでない場合（ｉ＜Ｎｊ）は（ステップＳ１７０、Ｎｏ）、中央処理装置１０３は、ｉ＝ｉ＋１としてセルの番号を繰り上げて（ステップＳ１８０）、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）に戻る。このようにして、中央処理装置１０３は、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜セル電気特性計算工程（ステップＳ１６０）の工程を、モジュール（ｋ、ｊ）を構成するセルの数Ｎｊだけ繰り返す。すなわち、モジュール（ｋ、ｊ）を構成する全てのセルに対して、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜セル電気特性計算工程（ステップＳ１６０）の工程が実施される。
【００５４】
ただし、セル電気特性は、Ｎｊ個のセルのうち、セル等価回路または環境条件の少なくとも一方が異なるセルのみについて計算すればよい。すなわち、等価回路および環境条件が、すでに計算されたセルと同一であるセルについては計算することなく、先に計算されたセルの値を流用すればよい。
【００５５】
一方、ステップＳ１７０においてｉ＝Ｎｊである場合は（ステップＳ１７０、Ｙｅｓ）、中央処理装置１０３（等価回路作成部１１４）は、つぎにモジュール等価回路作成工程（ステップＳ１９０）を実施する。モジュール等価回路作成工程（ステップＳ１９０）では、セル等価回路作成工程（ステップＳ１５０）で得られたセル等価回路モデルに必要に応じてパラメタのばらつきを加味し、モジュールに設けられるバイパスダイオードおよびバス配線抵抗値を加えて、モジュール（ｋ、ｊ）のモジュールの等価回路を作成する。
【００５６】
モジュール等価回路作成工程（ステップＳ１９０）が終了すると、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、モジュール電気特性計算工程（ステップＳ２００）を実施する。モジュール電気特性計算工程（ステップＳ２００）では、モジュールの等価回路モデルを基に、モジュール電気特性としてモジュールの最大電力（出力が最大となる電圧または電流の動作点の発電量）、開放電圧、短絡電流、曲線因子、光電変換効率について、それぞれ最大値、最小値、平均値を計算し、その結果を記憶装置１０４に保存する。
【００５７】
中央処理装置１０３は、アレイ（ｋ）を構成する１つのモジュールについてモジュール等価回路作成工程（ステップＳ１９０）およびモジュール電気特性計算工程（ステップＳ２００）の工程を実施した後、該工程を実施したモジュールの表示情報がｊ＝Ｍｋであるか否かを判断する（ステップＳ２１０）。
【００５８】
ステップＳ２１０においてｊ＝Ｍｋでない場合（ｊ＜Ｍｋ）は（ステップＳ２１０、Ｎｏ）、中央処理装置１０３は、ｊ＝ｊ＋１としてモジュールの番号を繰り上げて（ステップＳ２２０）、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）に戻る。セル電流値を計算する時刻ｔは、Ｔ＝ｔ_startからスタートする。このようにして、中央処理装置１０３は、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜モジュール電気特性計算工程（ステップＳ２００）の工程を、アレイ（ｋ）を構成するモジュールの数Ｍｋだけ繰り返す。すなわち、モジュール（ｊ）を構成する全てのモジュールに対して、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜モジュール電気特性計算工程（ステップＳ２００）の工程が実施される。
【００５９】
ただし、モジュール電気特性は、Ｍｋ個のモジュールのうち、モジュール等価回路または環境条件の少なくとも一方が異なるモジュールのみについて計算すればよい。すなわち、モジュール等価回路および環境条件が、すでに計算されたモジュールと同一であるモジュールについては計算することなく、先に計算されたモジュールの値を流用すればよい。
【００６０】
一方、ステップＳ２１０においてｊ＝Ｍｋである場合は（ステップＳ２１０、Ｙｅｓ）、中央処理装置１０３（等価回路作成部１１４）は、アレイ等価回路作成工程（ステップＳ２３０）を実施する。アレイ等価回路作成工程（ステップＳ２３０）では、モジュール等価回路作成工程（ステップＳ１９０）で作成されたモジュールの等価回路を用いて、アレイ（ｋ）のアレイ等価回路を作成する。
【００６１】
アレイ等価回路作成工程（ステップＳ２３０）が終了すると、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、アレイ電気特性計算工程（ステップＳ２４０）を実施する。アレイ電気特性計算工程（ステップＳ２４０）では、アレイ等価回路を基に、アレイ電気特性としてアレイの最大電力（出力が最大となる電圧または電流の動作点の発電量）、開放電圧、短絡電流、曲線因子、光電変換効率について、それぞれ最大値、最小値、平均値を計算し、その結果を記憶装置１０４に保存する。
【００６２】
中央処理装置１０３は、発電システムを構成する１つのアレイについてアレイ等価回路作成工程（ステップＳ２３０）およびアレイ電気特性計算工程（ステップＳ２４０）の工程を実施した後、該工程を実施したアレイの表示情報がｋ＝Ｌであるか否かを判断する（ステップＳ２５０）。
【００６３】
ステップＳ２５０においてｋ＝Ｌでない場合（ｋ＜Ｌ）は（ステップＳ２５０、Ｎｏ）、中央処理装置１０３は、ｋ＝ｋ＋１としてアレイの番号を繰り上げて（ステップＳ２６０）、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）に戻る。セル電流値を計算する時刻ｔは、Ｔ＝ｔ_startからスタートする。このようにして、中央処理装置１０３は、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜アレイ電気特性計算工程（ステップＳ２４０）の工程を、発電システムを構成するアレイの数Ｌだけ繰り返す。すなわち、発電システムを構成する全てのアレイに対して、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜アレイ電気特性計算工程（ステップＳ２４０）の工程が実施される。
【００６４】
ただし、アレイ電気特性は、Ｌ個のアレイのうち、アレイ等価回路または環境条件の少なくとも一方が異なるアレイのみについて計算すればよい。すなわち、アレイ等価回路および環境条件が、すでに計算されたアレイと同一であるアレイについては計算することなく、先に計算されたアレイの値を流用すればよい。
【００６５】
一方、ステップＳ２５０においてｋ＝Ｌである場合は（ステップＳ２５０、Ｙｅｓ）、中央処理装置１０３（パワーコンディショナー出力計算部１１６）は、パワーコンディショナー出力計算工程（ステップＳ２７０）を実施する。パワーコンディショナー出力計算工程（ステップＳ２７０）では、アレイ等価回路モデルとパワーコンディショナーの仕様から作成されたパワーコンディショナーのモデルにより、ＭＰＰＴ（Ｍａｘiｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）による最大発電量を計算し、ＤＣ／ＤＣ変換損失、ＤＣ／ＡＣ変換損失を考慮して、太陽電池アレイから送電されてパワーコンディショナーから出力される発電量を計算する。
【００６６】
なお、本実施の形態では、パワーコンディショナー出力計算工程（ステップＳ２７０）をアレイ電気特性計算工程（ステップＳ２４０）の後に配置したが、システムによってはモジュール電気特性計算工程（ステップＳ２００）の後にパワーコンディショナー出力計算工程（ステップＳ２７０）を配置する場合もあり得る。
【００６７】
パワーコンディショナー出力計算工程（ステップＳ２７０）が終了すると、中央処理装置１０３（送電発電量計算部１１７）は、送電発電量計算工程（ステップＳ２８０）を実施する。送電発電量計算工程（ステップＳ２８０）では、中央処理装置１０３（送電発電量計算部１１７）は、高圧への昇圧の損失を計算して商用系統電力へ送電できる送電発電量（送電電力量）の最大値、最小値、平均値を計算する。
【００６８】
中央処理装置１０３は、発電システムについてセル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜送電発電量計算工程（ステップＳ２８０）の工程を実施した後、該工程を実施したセル電流値を計算する時刻ｔが、所望の終了時刻Ｔ＝ｔ_endであるか否かを判断する（ステップＳ２９０）。
【００６９】
ステップＳ２９０においてＴ＝ｔ_endでない場合は（ステップＳ２９０、Ｎｏ）、中央処理装置１０３は、Ｔ＝ｔ＋Δｔとしてセル電流値を計算する時刻を繰り上げて（ステップＳ３００）、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）に戻る。一方、ステップＳ２９０においてＴ＝ｔ_endである場合は（ステップＳ２９０、Ｙｅｓ）、中央処理装置１０３は、一連の処理を終了する。このようにして、中央処理装置１０３は、セル電流値計算工程（ステップＳ１４０）〜送電発電量計算工程（ステップＳ２８０）の工程を、計算時間ステップ（Δｔ）毎に繰り返し、所望の時刻（ｔ_end）までの所望の時間範囲の発電量の時間変化を計算する。
【００７０】
そして、中央処理装置１０３（電流電圧特性計算部１１５）は、上記で求めた所望の時間範囲の発電量を積分計算して、設定された期間の期待発電量を計算する。以上の処理を実施することにより、本実施の形態にかかる発電量予測装置により、設定された期間の期待発電量を計算することができる。
【００７１】
つぎに、太陽電池セルとしてタンデム型薄膜太陽電池を用いた場合を例にとり、本実施の形態にかかる発電量予測装置の特徴である、太陽電池セル特性を模擬するためのセル等価回路モデルおよびその構成要素である電流源モデルおよびそのパラメタの決定方法について説明する。
【００７２】
まず、タンデム型薄膜太陽電池の構造について説明する。図４は、本発明の実施の形態１にかかるタンデム型薄膜太陽電池２００の構成を示す断面図である。このタンデム型薄膜太陽電池２００は、受光面となるガラス基板２０１上に、透明電極２０２、第１光電変換層２０３、中間層２０４、第２光電変換層２０５および裏面電極２０６が順次積層されて構成されている。
【００７３】
透明電極２０２には、たとえばＣＶＤにより形成されたＳｎＯ２膜、スパッタリングで形成されたＺｎＯ等の膜が用いられる。また、透明電極２０２における第１光電変換層２０３側の表面には、０．１μｍ程度の微細な凹凸が形成される。その目的は、ガラス基板２０１側から入射した光を散乱させることにより第１光電変換層２０３内および第２光電変換層２０５内での光路長を増大させて光電変換層での吸収を増加させるとともに、透明電極２０２と第１光電変換層２０３との界面での反射を抑制することである。
【００７４】
第１光電変換層２０３および第２光電変換層２０５は、それぞれｐ／ｉ／ｎ接合を有する薄膜の積層体からなる。第１光電変換層２０３は、たとえば波長０．８μｍ以下の短波長の光を吸収する光電変換層である。第２光電変換層２０５は、たとえば波長１．２μｍ以下の長波長の光を吸収する光電変換層である。２つの異なる光電変換層を電気的に直列に接続した構造を用いることにより、広い波長域の光を利用できる。
【００７５】
第１光電変換層２０３は、プラズマＣＶＤにより成膜された非晶質シリコン膜からなる。第１光電変換層２０３は、ガラス基板２０１側から、不純物としてホウ素が導入されたｐ層、不純物が導入されていないｉ層、不純物としてリンが導入されたｎ層の３層構造から構成されている。
【００７６】
中間層２０４は、ガラス基板２０１側から入射して第１光電変換層２０３を透過した光の一部を反射させて再度第１光電変換層２０３で吸収させるために設けられた、透光性を有する層である。
【００７７】
第２光電変換層２０５は、プラズマＣＶＤにより成膜された微結晶シリコン膜からなる。第２光電変換層２０５は、第１光電変換層２０３と同様に、中間層２０４側から、不純物としてホウ素が導入されたｐ層、不純物が導入されていないｉ層、不純物としてリンが導入されたｎ層の３層構造から構成されている。
【００７８】
裏面電極２０６は、第２光電変換層２０５の微結晶シリコン膜との電気的なコンタクトを確保するための透明電極膜と、銀およびアルミニウムを含む光反射率が高いスパッタリング膜とが第２光電変換層２０５側から順次積層されて構成されている。
【００７９】
このタンデム型薄膜太陽電池２００においては、隣接するタンデム型薄膜太陽電池セル２０８同士が分離溝２０７によって分離されている。そして、このタンデム型薄膜太陽電池２００では、このようなタンデム型薄膜太陽電池セル２０８が１つのガラス基板２０１上に多数形成され、電気的に直列接続されている。そして、裏面電極２０６側が封止材により封止されることにより、太陽電池モジュールが構成される（図示せず）。
【００８０】
つぎに、このタンデム型薄膜太陽電池２００に対応するセル等価回路モデルについて説明する。図５は、タンデム型薄膜太陽電池セル２０８に対応するセル等価回路モデルを示す図である。図５に示すように、タンデム型薄膜太陽電池セル２０８に対応するセル等価回路モデルにおいては、第１光電変換層２０３に対応する回路モデル２１０と、第２光電変換層２０５に対応する回路モデル２２０とを有し、回路モデル２１０と回路モデル２２０とが電気的に直列に接続されている。
【００８１】
図６は、一般的な太陽電池セルの等価回路モデルを示す図である。一般的に、太陽電池セルの等価回路は、図６に示すように電流源６０１と、ダイオード６０２と、並列抵抗（Ｒｓｈ）６０３と、直列抵抗（Ｒｓ）６０４とにより構成される。並列抵抗（Ｒｓｈ）６０３は、ｐｎ接合のリーク、分離溝２０７の側面でのリークを含むリークに対応する抵抗値である。直列抵抗（Ｒｓ）６０４は、セル内部の抵抗、配線抵抗、接続抵抗を含む抵抗を表す。
【００８２】
これに対して、図５に示すタンデム型薄膜太陽電池セル２０８に対応する等価回路モデルでは、第１光電変換層２０３に対応する回路モデル２１０において、電流源２１１およびダイオード２１２の他に、透明電極２０２と第１光電変換層２０３との間に形成されるダイオード２１３と、電流源２１１の電流値が電圧に依存して減少する現象を反映した損失源２１４が追加されている。
【００８３】
また、第２光電変換層２０５に対応する回路モデル２２０においては、微結晶シリコンの結晶内でのキャリアの動作と結晶粒界でのキャリアの動作が異なることを反映させるため、ダイオード２２１とダイオード２２２との２つの並列のダイオードを構成している。また、第１光電変換層２０３に対応する回路モデル２１０と同様に、電流源２２３の電流値が電圧に依存して減少する現象を反映した損失源２２４が追加されている。このように、一つの光電変換層に対して該光電変換層内におけるキャリアの動作の違いを反映した２つの並列のダイオードをセル等価回路モデルに含めることにより、セル等価回路モデルの電流電圧特性の予測精度を向上させることができ、より正確な発電量予測ができる。
【００８４】
並列抵抗（Ｒｓｈ）２３１は、ｐｎ接合のリーク、分離溝２０７の側面でのリークを含むリークに対応する抵抗値である。直列抵抗（Ｒｓ）２３２は、セル内部の抵抗、配線抵抗、接続抵抗を含む抵抗を表す。
【００８５】
そして、ダイオードの電流電圧特性は、下記の数式（２）により表される。数式（２）において、Ｖは電圧、Ｉは電流、ｅは素電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である。
【００８６】
【数２】
2015070640.tif 000004
【００８７】
ここで、ダイオードの特性は、逆飽和電流Ｉ０とダイオード因子ｎとにより決定される。図５に示すタンデム型薄膜太陽電池セル２０８に対応するセル等価回路モデルでは、４個のダイオード２１２，２１３，２２１，２２２のそれぞれに対して、これら２個のパラメタが必要である。
【００８８】
図５に示すタンデム型薄膜太陽電池セル２０８に対応するセル等価回路モデルでは、図６に示す一般的なセル等価回路モデルを図４に示すタンデム型薄膜太陽電池セル２０８の第１光電変換層２０３および第２光電変換層２０５に適用して２つのダイオードでモデル化する場合と比較して、４個のダイオードを用いることにより、精度良く電流電圧特性を再現することができるため、最大発電電力を精度良く計算できる。
【００８９】
つぎに、図５に示すようにタンデム型薄膜太陽電池セル２０８に対応するセル等価回路モデルに損失源２１４および損失源２２４を加える効果を、タンデム型薄膜太陽電池セルの電流電圧特性の一例を用いて説明する。図７は、太陽電池セルのセル等価回路モデルに損失源を加える効果を示す特性図である。図７においては、横軸に電圧を、縦軸に電流密度を示している。
【００９０】
図７においては、暗状態の電流電圧特性２５１、基準太陽光の光を照射した明状態の電流電圧特性２５２、暗状態の電流電圧特性２５１にオフセットとして明状態の電流電圧特性２５２の電圧０Ｖでの短絡電流を加えた電流電圧特性（オフセット）２５３、電流電圧特性（オフセット）２５３に損失源の補正を加えた電流電圧特性（損失源補正）２５４の４つの条件の電流電圧特性を示している。
【００９１】
明状態の電流電圧特性２５２と電流電圧特性（オフセット）２５３とはおおむね重なるが、開放電圧に近い領域（横軸右側領域）で電流電圧特性（オフセット）２５３が明状態の電流電圧特性２５２より大きくなる。この乖離を補正するのが損失源である。すなわち、損失源補正を加えることにより、図７に示すように、明状態の電流電圧特性２５２と電流電圧特性（損失源補正）２５４とはほぼ一致する。ここでは、第１光電変換層の損失源Ｉ_loss1を下記の数式（３）で、第２光電変換層の損失源Ｉ_loss2を下記の数式（４）で与えている。 
【００９２】
【数３】
2015070640.tif 000005
【００９３】
【数４】
2015070640.tif 000006
【００９４】
数式（３）において、Ｖは第１光電変換層の電圧、Ｉ０_loss1、ａ１、ｂ１、ｃ１は第１光電変換層の損失源Ｉ_loss1を決定するパラメタである。数式（４）において、Ｖは第２光電変換層の電圧、Ｉ０_loss2、ａ２、ｂ２、ｃ２は、第２光電変換層の損失源Ｉ_loss2を決定するパラメタである。
【００９５】
このように損失源を用いて電流源を補正することにより、セル等価回路モデルの電流電圧特性の精度を向上させることができる。なお、損失源のモデルとしては上記の関数に限定されるものではなく、少ないパラメタで損失源の電圧依存性を表すものであればよい。
【００９６】
図５のセル等価回路モデルを決定するためには４つのダイオード２１２，２１３，２２１，２２２のそれぞれについて逆飽和電流Ｉ０の値とダイオード因子ｎが必要であり、損失源の決定には第１光電変換層２０３および第２光電変換層２０５のそれぞれに対して上記４つのパラメタが必要である。さらに、並列抵抗（Ｒｓｈ）および直列抵抗（Ｒｓ）も必要である。これらのパラメタは、セルまたはモジュールの暗状態および明状態の電流電圧特性の測定結果から決定される。暗状態の電流電圧特性の測定結果にあてはめることにより、４個のダイオードのパラメタと並列抵抗（Ｒｓｈ）、直列抵抗（Ｒｓ）を決定する。また、明状態の電流電圧特性の測定結果をあてはめることにより損失源のパラメタを決定する。このようにして図５のセル等価回路モデルを構成するすべての要素のパラメタが決定される。
【００９７】
ここで求められるすべてのパラメタは、太陽電池セルの製造ばらつきを考慮した分布を有する値である。たとえば平均値、最大値、最小値、あるいは標準偏差においてある幅を有する値として決定される。
【００９８】
また、太陽電池の特性の変化はこれらのパラメタの変化として現れる。上述したように、パラメタの値はモジュールの電流電圧特性を測定することにより求められるので、たとえば与えられた環境下の太陽電池セル特性の時間とパラメタの値とを測定し、蓄積しておけば、電圧電流特性の経時変化を予測することができる。たとえばダイオード２１３，２１２，２２２のダイオード因子を、それぞれｎ_11、ｎ_12、ｎ_22、ダイオード２１３，２１２，２２１，２２２の逆飽和電流を、それぞれＩ０_11、Ｉ０_12、Ｉ０_21、Ｉ０_22（単位：ｍＡ／ｃｍ２）としたとき、太陽電池セルの屋外暴露時間とこれらのパラメタの値との変化を測定した一例を図８に示す。
【００９９】
図８は、実施の形態１におけるダイオードに関連するパラメタの時間変化の一例を示す特性図である。図８においては、横軸に時間を、縦軸にパラメタ値を示している。図８から、パラメタ値は、暴露時間の対数を横軸にほぼ直線状に変化していることが分かり、これよりセル特性の経時変化が予測できる。
【０１００】
このようなパラメタの変化を調べることにより、太陽電池の特性の変化の原因を特定できる利点もある。たとえば、ダイオード２２２のパラメタの変化から、第２光電変換層２０５の微結晶シリコン膜の結晶粒の変化が発生していることが推定できる。また、ダイオード２１３のパラメタの変化から、透明電極２０２と第１光電変換層２０５との間の電気的な接続状態に変化があったことが推定できる。
【０１０１】
つぎに、図２に示したセル電流値計算工程（ステップＳ１４０）でのセル電流値計算について説明する。セル電流値の計算は、セル等価回路モデルにおける電流源の電流値を求めることが目的である。太陽電池セルに入射された光は、第１光電変換層２０３および第２光電変換層２０５で吸収され、電子に変換される。外部量子効率ＥＱＥは、この時セルに入射された光子のうち電子に変換される割合であり、光の波長λに依存する。第１光電変換層２０３に対応する外部量子効率ＥＱＥをＥＱＥ１（λ）、第２光電変換層２０５に対応する外部量子効率ＥＱＥをＥＱＥ２（λ）とする。また、光子数で表された日射スペクトルをＩｎｔ（λ）とする。この場合、第１光電変換層で発生する電流値Ｊph1は、下記の数式（５）で計算される。また、第２光電変換層で発生する電流値Ｊph2は、下記の数式（６）で計算される。
【０１０２】
【数５】
2015070640.tif 000007
【０１０３】
【数６】
2015070640.tif 000008
【０１０４】
ここでλ１は、薄膜太陽電池セルが光を吸収する波長の下限であり、λ１＝０．３μｍとする。また、λ２は、薄膜太陽電池セルが光を吸収する波長の上限であり、λ２＝１．２μｍとする。
【０１０５】
ＥＱＥ１（λ）およびＥＱＥ２（λ）は、太陽電池セルまたは太陽電池モジュールがあれば測定できる。第２データベース１０７に、このＥＱＥ１（λ）およびＥＱＥ２（λ）の測定データを直接保存してもよい。しかし、ＥＱＥ１（λ）およびＥＱＥ２（λ）における、セル温度や光劣化等の環境による多様な変化を計算するためには、セル構造に依存したパラメタから計算できることが好ましい。たとえば光電変換層の吸収係数はセル温度により変化するが、光電変換層の吸収係数がＥＱＥの計算に含まれていればＥＱＥの温度変化の算出は容易である。
【０１０６】
以下ではＥＱＥを計算する方法について、タンデム型薄膜太陽電池セルを光が通過する過程をモデル化した光学モデルに基づいて説明する。図９は、実施の形態１におけるタンデム型薄膜太陽電池セルの光学モデルを示す図である。図９は、タンデム型薄膜太陽電池セルを構成する各構造と、光のパス（経路）を表す矢印とから構成されている。図９の光学モデルでは、タンデム型薄膜太陽電池セルの構造を以下の５つの部分に分けて、入射光の進行（光のパス）を矢印で表している。この光学モデルの各構造と、対応する実際の構造と、関係するパラメタの対応付けを表１に示す。
【０１０７】
光導入構造２７１：入射光が第１光電変換層で吸収されるまでの構造
第１吸収層２７２：第１光電変換層での光の吸収を担う構造
中間層２７３：入射光が第１光電変換層を透過して第２光電変換層で吸収されるまでの構造
第２吸収層２７４：第２光電変換層での光の吸収を担う構造
反射層２７５：入射光が第２光電変換層を透過して裏面電極で反射し、第２光電変換層で吸収されるまでの構造
【０１０８】
【表１】
2015070640.tif 000009
【０１０９】
タンデム型薄膜太陽電池において、入射光は概略、
「光導入構造→第１吸収層→中間層→第２吸収層→反射層」
の経路で進み、反射層で反射されてこのパスを逆に戻る。ここでは１回の往復のみ考慮する。
【０１１０】
この光学モデルでは、光電変換層での光の吸収を第１吸収層および第２吸収層で担わせて、層界面の光反射や光透過、光電変換層以外で発電に寄与しない吸収を残りの構造で担うモデルとしている。そこで、光導入構造２７１、中間層２７３、反射層２７５では光の透過と反射とがあるが、光導入構造２７１での反射光が第１吸収層２７２の吸収に寄与するのは図９における光のパス２８１の後である。そして、光のパス２８１での光の強度は、光吸収層（第１吸収層２７２、第２吸収層２７４）を往復したために減衰しており、その寄与は少ないとして無視している。反射層２７５での光の透過も光吸収層（第１吸収層２７２、第２吸収層２７４）の吸収に寄与しないので無視している。そこで、図９に示す光のパスの矢印の光の強度を計算するのに必要なパラメタは、表１に示す６つのパラメタに限定される。
【０１１１】
そこで、光導入構造２７１、第１吸収層２７２、中間層２７３、第２吸収層２７４の光透過率（以下、透過率と呼ぶ場合がある）を光の波長λの関数としてそれぞれ光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）、第１吸収層の光透過率Ｔａ１（λ）、中間層の光透過率Ｔｉｎ（λ）、第２吸収層の光透過率Ｔａ２（λ）とする。また、中間層２７３、反射層２７５の光反射率（以下、反射率と呼ぶ場合がある）を光の波長λの関数としてそれぞれ中間層の光反射率Ｒｉｎ（λ）、反射層の光反射率Ｒｒ（λ）とする。この場合、第１吸収層で吸収される光Ｉａｂ１（λ）は、下記の数式（７）で計算される。また、第２吸収層で吸収される光Ｉａｂ２（λ）は、下記の数式（８）で計算される。
【０１１２】
【数７】
2015070640.tif 000010
【０１１３】
【数８】
2015070640.tif 000011
【０１１４】
そして、太陽電池セルの第１光電変換層に対応する外部量子効率ＥＱＥ１（λ）は、下記の数式（９）で求めることができる。また、第２光電変換層に対応する外部量子効率ＥＱＥ２（λ）は、下記の数式（１０）で求めることができる。
【０１１５】
【数９】
2015070640.tif 000012
【０１１６】
【数１０】
2015070640.tif 000013
【０１１７】
ここで、Ｅ１は第１光電変換層で吸収した光子１個に対して生成される電子の個数、Ｅ２は第２光電変換層で吸収した光子１個に対して生成される電子の個数であり、それぞれ光の波長λによらないと仮定し、ここでは１とする。
【０１１８】
上記の計算で必要となる各構造は多層の光学膜から構成されている。その光学膜の光の透過率および光の反射率は、構成する個々の層の屈折率、消光係数、膜厚のデータがあれば、層状構造の光の伝播を表す特性行列の積として計算される。薄膜の屈折率、消光係数、膜厚は、エリプソメトリや膜の光透過率、光反射率を測定することで求められる。このようにして各構造の光透過率、光反射率を計算する。たとえば光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）は、ガラス、透明電極、第１光電変換層ｐ層が積層した積層膜の光透過率として求められる。
【０１１９】
このようにして求めた各構造の光透過率、光反射率の例を図１０に示す。図１０は、実施の形態１における光学モデルのモデルパラメタを説明する特性図である。図１０においては、横軸に光の波長（μｍ）を、縦軸に光透過率および光反射率を示している。図１０には、光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）３０１、第１吸収層の光透過率Ｔ１ａ（λ）３０２、第２吸収層の光透過率Ｔ２ａ（λ）３０３、反射層の光反射率Ｒｒ（λ）３０４、中間層の光反射率Ｒｉｎ（λ）３０５、中間層の光透過率Ｔｉｎ（λ）３０６を示している。
【０１２０】
これらのパラメタは、個々の膜のサンプルが入手できれば計測できる。しかし、薄膜太陽電池セルのような多数の膜の積層膜では、個々の膜の光屈折率、消光係数、膜厚の測定は困難である。したがって、個々の個別の薄膜の試料が入手できる生産者でなければ、構成する膜の光学特性を計測することは難しい。このような場合、太陽電池モジュールにおいて外部量子効率を測定し、その結果を図９の光学モデルにあてはめることにより、光反射率、光透過率を求めることもできる。
【０１２１】
以下では、その方法の一例について説明する。まず、図１０の光透過率、光反射率を、０次から３次の光の波長λに関する多項式の接続で近似する。そして、それぞれの多項式の接続部の導関数は等しいとする。光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）３０１は、図１０に示すように分割領域ａｉ、分割領域ｂｉ、分割領域ｃｉの３つの領域に分割し、それぞれ光の波長λの３次、０次、１次関数とする。第１吸収層の光透過率Ｔ１ａ（λ）３０２は、分割領域ａ１、分割領域ｂ１、分割領域ｃ１の３つの領域に分割し、それぞれ、光の波長λの２次関数、１次関数、２次関数とする。また、第２吸収層の透過率Ｔ２ａ（λ）３０３は、分割領域ａ２、分割領域ｂ２、分割領域ｃ２の３つの領域に分割し、それぞれ光の波長λの２次関数、１次関数、２次関数とする。また、反射層の光反射率Ｒｒ（λ）３０４、中間層の光反射率Ｒｉｎ（λ）３０５、中間層の光透過率Ｔｉｎ（λ）３０６は、長波長領域の値で波長によらず一定とする。
【０１２２】
このモデルでパラメタとなるのは、たとえば第１吸収層の光透過率Ｔ１ａ（λ）３０２においては、図１０の分割領域ｂ１を示す直線の外挿が光透過率＝０のラインと交わる交点の光の波長λａｄ、分割領域ｂ１を示す直線の外挿が透過率＝１のラインと交わる交点の光の波長λａｕ、分割領域ａ１と分割領域ｂ１との境界となる光の波長λａ１、分割領域ｂ１と分割領域ｃ１との境界となる光の波長λａ２である。
【０１２３】
上記の図１０の光反射率、光透過率のモデルを用いて、数式（７）、数式（８）、数式（９）、数式（１０）により外部量子効率を求め、それぞれ、測定された第１光電変換層、第２光電変換層の外部量子効率に最小二乗法であてはめを行い、光反射率、光透過率を表すパラメタを決定する。外部量子効率を決定する光透過率、光反射率等のパラメタも、測定された光学定数のばらつきや外部量子効率のばらつきを反映した分布を持った値として求められる。結果として得られる電流値についても、たとえば平均値、最大値、最小値、或いは平均値、標準偏差といったように分布を有する値として算出される。
【０１２４】
光反射率、光透過率を表すパラメタの決定結果を用いて計算した外部量子効率の例を、図１１に示す。図１１は、実施の形態１における光学モデルによる外部量子効率のあてはめ結果を示す特性図である。図１１においては、第１光電変換層の外部量子効率の波形３２１、第２光電変換層の外部量子効率の波形３２２を示している。第１光電変換層の外部量子効率の波形３２１および第２光電変換層の外部量子効率の波形３２２において、それぞれ実線がパラメタをあてはめて計算した外部量子効率の波形であり、□印のプロットが外部量子効率の実測値である。実測値がよく再現されている。
【０１２５】
ここで、たとえば第１光電変換層の膜厚のみを変えたセルについて外部量子効率のあてはめにより各構造の光透過率、光反射率のパラメタを求めたところ、図１２に示すように第１吸収層の光透過率が変化することが確認できた。図１２は、実施の形態１における光学モデルによる第１光電変換層の外部量子効率のあてはめ結果（光透過率）を説明する特性図である。図１２においては、横軸に光の波長（μｍ）、縦軸に光透過率を示している。図１２において、プロットライン３４１は第１光電変換層の膜厚が膜厚０．２７μｍでの光透過率、プロットライン３４２は第１光電変換層の膜厚が０．３２μｍでの光透過率、プロットライン３４３は第１光電変換層の膜厚が０．３７μｍでの光透過率である。
【０１２６】
なお、上記で示した光透過率、光反射率のモデル関数の例は一例であり、実際の光透過率、光反射率を良く再現し、外部量子効率スペクトルを精度良くあてはめることができれば、他の関数を用いてもよい。たとえば構成材料の屈折率、消光係数を表す物理モデルで表すこともできる。すなわち、光吸収層の光透過率を光導入構造を屈折率の物理モデルＬｏｒｅｎｔｚモデルとＤｒｕｄｅモデルで表し、光吸収層をＴａｕｔｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚで表し、そのモデルパラメタであてはめてもよい。しかしながら、本実施の形態の光透過率、光反射率のモデルは、計算時間が短い上、あてはめの誤差を小さくできる利点がある。
【０１２７】
このように、太陽電池セルで測定が可能な外部量子効率から、逆に光学モデルのパラメタを求めることができるので、外部量子効率の変化に対してその原因となる構造をパラメタの値から特定することもできる。したがって、セル環境条件と外部量子効率とパラメタの値の関係を把握することにより、セル環境条件がセルの構造のどの部分に影響を与えるかを知ることができる。さらに、セル環境条件と構造を記述するパラメタの値の関係を把握しておけば、セル環境条件に対する外部量子効率の変化を計算することができる。
【０１２８】
上述したように、実施の形態１においては、太陽電池セル自体を等価回路によりモデル化し、環境情報である日射スペクトルと太陽電池セルとの外部量子効率に対応して発電電流を計算するので、基準太陽光と異なる日射スペクトルの場合に正確な発電予測ができる。すなわち、太陽電池セル特性の外部環境による変化を盛り込んで発電予測ができるため、予測精度の高い発電予測ができる。
【０１２９】
また、実施の形態１においては、太陽電池セルの設置条件からセル温度と日射スペクトルを含む太陽電池セルの環境条件を計算し、セル等価回路モデルを構成する要素を決定するパラメタを環境条件に対応して算出するので、正確な発電量予測ができる。すなわち、セル等価回路モデルを構成する要素を決定するパラメタを環境条件により変えることにより、セル環境条件によるセル特性の変化を精度良く予測発電量を高精度で予測することができる。
【０１３０】
また、実施の形態１においては、電流源の電流値が電圧に依存して減少する現象を反映した電流の損失源をセル等価回路モデルに含めるため、セル等価回路モデルのモデル精度が向上し、セル等価回路モデルの電流電圧特性の予測精度を向上させることができ、より正確な発電量予測ができる。また、実施の形態１においては、光電変換層内におけるキャリアの動作の違いを反映した２つの並列のダイオードをセル等価回路モデルに含めるため、セル等価回路モデルのモデル精度が向上し、より正確な発電量予測ができる。
【０１３１】
また、実施の形態１においては、太陽電池セルに対して電流電圧特性および外部量子効率を測定することにより、太陽電池セルの等価回路モデルのパラメタを決定することができ、太陽電池セルを構成する材料の物性を把握していなくとも、パラメタを決定できる。さらに、太陽電池セルの特性の変化を生じている原因が存在する等価回路モデルの要素を特定できる。
【０１３２】
また、実施の形態１においては、環境条件による太陽電池の特性のパラメタの変化を発電電力の予測に盛り込むことにより、正確な発電予測ができる効果がある。
【０１３３】
また、実施の形態１においては、太陽電池セルに対して電流電圧特性および外部量子効率を測定することにより、太陽電池セルモデルのパラメタを決定することができ、太陽電池セルを構成する材料の物性を把握していなくとも、パラメタを決定できる。さらに、太陽電池セルの特性の変化を生じている原因が存在するモデルの要素を特定できる利点がある。
【０１３４】
実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１にかかる発電量予測装置１００を用いた結晶シリコン太陽電池セルの発電量予測の例について説明する。なお、以下の説明以外の発電量予測方法の全体のフローは実施の形態１の場合と同様である。図１３は、実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルの断面構造を示す断面図である。
【０１３５】
本実施の形態にかかる結晶シリコン太陽電池セルにおいては、ｐ型シリコンウエハ４０１の受光面側にｎ層４０２が形成されて、ｐｎ接合を有する半導体基板４１１が形成されている。また、ｎ層４０２上に窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）からなるセル反射防止膜４０３が形成されている。
【０１３６】
また、半導体基板４１１（ｎ層４０２）の受光面側の表面には、表面テクスチャ構造として微小凹凸が形成されている。微小凹凸は、受光面において外部からの入射光を散乱させ、ｐ型シリコンウエハ４０１内での光路を拡大し、光吸収を増加させる。
【０１３７】
また、半導体基板４１１（ｎ層４０２）の受光面側には、銀材料からなる表面電極４０４がｎ層４０２に導通して設けられている。一方、半導体基板４１１の裏面（受光面と反対側の面）には、アルミニウム材料からなる裏面電極４０５が設けられている。また、半導体基板４１１の裏面（受光面と反対側の面）側の表層部には、高濃度不純物を含んだｐ＋層（ＢＳＦ（Back  Surface  Field））４０６が形成されている。ｐ＋層４０６は、ＢＳＦ効果を得るために設けられている。
【０１３８】
そして上記の結晶シリコン太陽電池セルが、受光面側に配置されたカバーガラス４０７と裏面側に配置された裏面側封止材料４０９との間に封止されて結晶シリコン太陽電池モジュールが構成される。結晶シリコン太陽電池セルは、カバーガラス４０７との間に表面側封止材料４０８を介して封止される。また、カバーガラス４０７の受光面側の表面には、ガラス反射防止膜４１０が設けられる。
【０１３９】
図１４は、実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルのセル等価回路モデルを示す図である。このセル等価回路モデルは、図１４に示すように、電流源４３１と、拡散電流に対応するダイオード４３２と再結合電流に対応するダイオード４３３との２つのダイオードと、電流の損失源４３４と、並列抵抗（Ｒｓｈ）４３５と、直列抵抗（Ｒｓ）４３６とにより構成される。並列抵抗（Ｒｓｈ）４３５は、ｐｎ接合のリークまたは分離溝の側面でのリークを含むリークに対応する抵抗値である。直列抵抗（Ｒｓ）４３６は、セル内部の抵抗、配線抵抗、接続抵抗を含む抵抗を表す。
【０１４０】
図１５は、実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルの光学モデルを示す図である。図１５は、結晶シリコン太陽電池セルを構成する各構造と、光のパス（経路）を表す矢印とから構成されている。図１５では、結晶シリコン太陽電池セルの構造を以下の３つの部分に分けて、入射光の進行（光のパス）を矢印で表している。この光学モデルの各構造と、対応する実際の構造と、関係するパラメタの対応付けを表２に示す。
【０１４１】
光導入構造４５１：入射光が光電変換層（半導体基板４１１）で吸収されるまでの構造
吸収層４５２：光電変換層（半導体基板４１１）での光の吸収を担う構造
反射層４５３：入射光が光電変換層（半導体基板４１１）を透過して裏面電極で反射し、光電変換層（半導体基板４１１）で吸収されるまでの構造
【０１４２】
【表２】
2015070640.tif 000014
【０１４３】
結晶シリコン太陽電池セルにおいて、光のパスは、
「光導入構造→吸収層→反射層→吸収層→光導入構造→吸収層→・・・」
と繰り返すことを仮定する。
【０１４４】
光導入構造４５１、結晶シリコンである吸収層４５２の光透過率を光の波長λの関数としてそれぞれ光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）、吸収層の光透過率Ｔａ（λ）とする。また、光導入構造への入射光４６１の反射率を光の波長λの関数として入射光反射率Ｒｉ＋（λ）、光導入構造への戻り光４６２の反射率を光の波長λの関数として戻り光反射率Ｒｉ−（λ）、結晶シリコンである吸収層４５２と反射層４５３との界面の反射率を光の波長λの関数として反射層の反射率Ｒｒ（λ）、吸収された光子が電子に変換される割合を光の波長λの関数として内部量子効率Ｅ（λ）とする。
【０１４５】
この場合、吸収層４５２の外部量子効率ＥＱＥ（λ）は、下記の数式（１１）で計算される。また、電流源４３１の電流値は、数式（５）のＥＱＥ１（λ）を数式（１１）で置き換えて、λ１、λ２を結晶シリコン太陽電池の吸収波長の下限値と上限値に設定すればよく、たとえばλ１＝０．３μｍ、λ２＝１．２μｍとすればよい。
【０１４６】
【数１１】
2015070640.tif 000015
【０１４７】
結晶シリコン太陽電池では、光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）については、ガラス反射防止膜、カバーガラス、受光面側封止材料およびセル反射防止膜のそれぞれの屈折率、消光係数および膜厚と、セルの表面テクスチャの形状とから、界面での光反射・光透過、セル反射防止膜の光学干渉および表面電極の遮蔽率を考慮して算出する。
【０１４８】
吸収層の光透過率Ｔａ（λ）は、シリコンの消光係数ｋ_si（λ）とシリコン（吸収層）の厚みｄを用いて、下記の数式（１２）で求める。
【０１４９】
【数１２】
2015070640.tif 000016
【０１５０】
しかしながら、シリコン（吸収層）の厚みｄについては、セルの表面テクスチャによる光散乱により、実際のセルの厚みよりは大きな値になる。そこで、反射層の反射率Ｒｒ（λ）、戻り光反射率Ｒｉ−（λ）と共に図１５のモデルで下記の数式（１３）で計算されるセルの反射率Ｒｃ（λ）を実際の光反射率に最小二乗法であてはめて求める。Ｅ（λ）については、実際に測定されたＥＱＥ（λ）から数式（１１）を用いて求める。
【０１５１】
【数１３】
2015070640.tif 000017
【０１５２】
以下では太陽電池セル特性の、環境や光劣化による時間変化をモデルパラメタの変化により推定する方法について説明する。たとえば、セル温度を変える場合には、シリコンの吸収係数（消光係数）が変化する。セル温度とシリコンの吸収係数（消光係数）との関係を第２データベース１０７に記録しておけば、そのデータを用いて数式（１２）からＴａ（λ）の温度変化を計算できる。また、数式（２）に従って２つのダイオードの特性が変化する。数式（２）において、逆飽和電流Ｉ０およびダイオード因子ｎもセル温度により変化する。セル温度に対応する逆飽和電流Ｉ０の値およびセル温度に対応するダイオード因子ｎの値をあらかじめ取得して第２データベース１０７に記憶しておけば、数式（２）より、セル温度が変わったときの太陽電池セルの図１４のセル等価回路モデルを構成することができる。
【０１５３】
このようにして算出した標準測定条件の光を照射したときの光電変換効率の温度依存性の例を図１６に示す。図１６は、実施の形態２における結晶シリコン太陽電池セルの温度を変化させたときの光電変換効率を予測した結果を示す特性図である。図１６においては、実線が計算値を示し、プロットは実測値である。図１６より、実測値を測定ばらつきの範囲内で再現する計算値結果が得られていることがわかる。
【０１５４】
つぎに、封止材の光劣化について説明する。封止材（表面側封止材料４０８）としてＥＶＡ（エチルビニルアセテート）が一般的に用いられているが、ＥＶＡの短波長の光による劣化が知られている。すなわち、ＥＶＡは短波長の光により、短波長の光透過率が減少する。封止材の光劣化の状態は、吸収された光子の数で決定される。したがって、セルに使用されている封止材の吸収光子数と光透過率との変化の関係が判明していれば、太陽電池を設置してから発電量を予測する時点までの吸収光子数を計算し、この吸収光子数を基に封止材の光透過率の変化を推定することができる。
【０１５５】
入射光が入射割合α（λ）で封止材に入射するとすれば、吸収光子数Ｎｐｈ（ｔ）は、時間ｔにより変化する日射スペクトルＩｎｔ（ｔ，λ）と時間ｔにより変化する吸収光子数Ｎｐｈ（ｔ）とにより変化する封止材の透過率Ｔeva（Ｎｐｈ（ｔ），λ）を用いて下記の数式（１４）で求められる。
【０１５６】
【数１４】
2015070640.tif 000018
【０１５７】
入射割合α（λ）は、ガラス＋ガラス反射防止膜での反射を無視すれば、ガラスの透過率として近似できる。光導入構造の透過率の時間変化Ｔｉ（λ，ｔ）を計算するにはＥＶＡが吸収した吸収光子数Ｎｐｈ（ｔ）を計算し、下記の数式（１５）で求められる。
【０１５８】
【数１５】
2015070640.tif 000019
【０１５９】
これにより、封止材の光劣化によるセル特性の変化を予測することができる。また、上記のセルに使用されている封止材の光劣化のデータが入手できない場合には、実際に設置された太陽電池セルの外部量子効率の測定を行い、パラメタのあてはめによりＴｉ（λ）の変化を求め、吸収した総光子数との関係を推定してもよい。
【０１６０】
上述したように、実施の形態２においては、環境および光劣化による太陽電池セル特性の時間変化をモデルパラメタの変化により推定することができ、より正確な発電量予測ができる。これにより、日射スペクトルおよび電流電圧の動作点に依存性がある温度による太陽電池セルの特性の変化および光による太陽電池セルの特性の変化を推定でき、温度または光による電流電圧特性の変化を予測することができる。
【０１６１】
実施の形態３．
図１７は、実施の形態１にかかる発電量予測装置を備えた発電システムの構成を示す図である。発電システムは、発電量予測装置５０１、太陽電池のモジュールからなる太陽電池アレイ５０２、直流集電箱５０３、パワーコンディショナー５０４、キュービクル５０５を備えて構成される。直流集電箱５０３は、太陽電池アレイ５０２に接続され、太陽電池アレイ５０２で発電された電力を集電する。パワーコンディショナー５０４は、直流集電箱５０３に接続され、直流集電箱５０３で集電された直流電力を交流電力に変換する。キュービクル５０５は、パワーコンディショナー５０４に接続され、パワーコンディショナー５０４で交流電力に変換された電力を任意の電圧に変圧する変圧部である。キュービクル５０５は、たとえばパワーコンディショナー５０４で交流電力に変換された電力を商用電力系統５０９に供給するために高電圧に昇圧する。
【０１６２】
また、発電電力、気温、日射量の値は、パワーコンディショナー５０４から発電表示制御装置５０６に送られ、監視される。また、気温、日射量、風速、風向、雲量、日射スペクトルを計測するセンサ５１０が上記とは別に設けられ、測定結果は環境データ収集装置５０７に記録される。また、環境データ収集装置５０７は、パワーコンディショナー５０４が集めた日射量や気温のデータについても収集し、記録する。また、環境データ収集装置５０７は、環境情報、セルパラメタをデータベース５０８から収集し、記録する。
【０１６３】
発電量予測装置５０１は、実施の形態１における発電量予測装置１００であり、環境データ収集装置５０７から取得した環境データ、データベース５０８から取得した環境情報、セルパラメタのデータを用いて発電システムの現在、翌日、週間、月間、年間発電量を予測する。ここで、データベース５０８は、実施の形態１における第１データベース１０６、第２データベース１０７である。その際計算されるのは、たとえばパワーコンディショナー５０４での発電量、或いは、たとえば太陽電池アレイ５０２毎に電流・電圧のセンサがある場合にはその電流値、電圧値である。
【０１６４】
発電表示制御装置５０６は、発電量予測装置５０１に対して太陽電池セルの発電量を含む電流電圧特性の予測計算を指示するとともに、発電量予測装置５０１が計算した現在の予測データを読み込む。そして、発電表示制御装置５０６は、実際の全発電量、センサからの電流値、電圧値と、これらの項目の予測データとを比較し、その差をあらかじめ設定しておいた許容値と比較することにより、発電システムの異常を検出し、表示・通報する。発電システムの異常とは、たとえば太陽電池モジュールの不具合や直流電圧の短絡を含む。ここでは、全発電量、センサでモニタされている電圧値、電流値で判断しているが、発電システムのモジュール、アレイ、パワーコンディショナーの様々なレベルでの発電量、電圧、電流、周波数を含むモニタ情報があれば、その個々の値で異常を判断できる。モニタ情報が多ければ、異常の箇所の特定が容易になる。発電量予測装置５０１では、日射量や気温だけでなく、太陽電池モジュールの特性の経時変化や周囲遮蔽物の影の影響も予測するため、太陽電池セルやシステムの不具合を正しく検出できる。
【０１６５】
また、発電表示制御装置５０６は、パワーコンディショナー５０４から取得した発電量、センサから取得した計測値、発電量予測装置５０１から取得した発電量の予測値を含む各種取得データを保存する機能を有している。発電表示制御装置５０６は、保存されたデータのうち計測値と予測値との許容値に満たない値の差は発電量予測装置５０１の系統誤差として、発電量予測装置５０１に使用されているモデルパラメタの修正を行ってもよい。発電システムに固有のパラメタを修正することにより発電予測の精度が向上する。
【０１６６】
さらに、翌日、週間、月間、年間の発電量の予測情報は、発電電力の調整に利用できる。たとえば、翌日の予測発電量を、電力システムの管理者に連絡しておくことにより、電力の供給の調整をしやすくすることが可能である。たとえばタービン発電機により供給電力を調整する場合には、出力調整に時間がかかるため事前の予測が重要である。
【０１６７】
また、発電表示制御装置５０６は、発電量予測装置５０１を用いて、設備更新、設備拡張に伴う投資効果を計算する機能を有している。設備更新には、たとえば不良太陽電池モジュールの交換および保守、パワーコンディショナー交換が含まれる。たとえば、つぎのように期待発電量、その他のコストから売電の利益の金額を計算して出力する。
【０１６８】
（投資効果の計算例）
売電による利益は、稼働年数を決め（たとえば２０年）、発電量予測装置５０１を用いてその間の期待発電量（ｋＷｈ）を計算すれば、下記の数式（１６）で求められる。
【０１６９】
【数１６】
2015070640.tif 000020
【０１７０】
数式（１６）における第１項は収益を表す。ここで売電価格が変化するのであれば、第１項は積分で表される。運転維持費は、稼働年数での人件費、設備保守費用、設備償却費が含まれる。投資額は、設備更新および拡張に伴う費用であり、たとえば不良太陽電池モジュールを交換するのであればそのパネル価格および交換費用である。投資額は、発電表示制御装置５０６に直接入力する。
【０１７１】
たとえば、不良太陽電池モジュールを交換する場合、発電量予測装置５０１を用いて求めた交換した後の期待発電量と交換の際の投資額を代入することにより、不良太陽電池モジュールを交換した場合の利益の金額を計算できる。この金額を、不良太陽電池モジュールを交換しないとして計算した期待発電量と投資額＝０とを代入して求めた利益と比較する。その結果、不良太陽電池モジュールを交換した方が大きければ、不良太陽電池モジュールを交換すべきであることがわかる。
【０１７２】
また、不良太陽電池モジュールを交換する場合のモジュールの選定についても、数式（１６）により利益を計算することで、投資効率の高いモジュールを選定することができる。なお、利益の金額の計算式は、実際の運営に合わせて適宜変更すればよい。
【０１７３】
上述したように、実施の形態３においては、発電量を含む電流電圧特性について、発電量予測装置５０１により計算した精度の高い予測データと実測のデータとを比較することにより、発電システムの異常をより高精度で検出することができる。
【０１７４】
また、実施の形態３においては、翌日、週間、月間、年間の発電量の予測情報を発電電力の調整に利用でき、電力の供給の調整をしやすくすることが可能である。
【０１７５】
また、実施の形態３においては、発電量予測装置５０１により計算した発電量を含む電流電圧特性についての精度の高い予測データを用いることにより、発電システムの設備更新、設備拡張に伴う投資効果を精度良く計算することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】
以上のように、本発明にかかる発電量予測方法は、精度の高い太陽電池の発電量予測に有用である。
【符号の説明】
【０１７７】
１００  発電量予測装置、１０１  入力装置、１０２  表示装置、１０３  中央処理装置、１０４  記憶装置、１０５  出力装置、１０６  第１データベース、１０７  第２データベース、１０８  バスライン、２００  タンデム型薄膜太陽電池、２０１  ガラス基板、２０２  透明電極、２０３  第１光電変換層、２０４  中間層、２０５  第２光電変換層、２０６  裏面電極、２０７  分離溝、２０８  タンデム型薄膜太陽電池セル、２１０  回路モデル、２１１  電流源、２１２，２１３  ダイオード、２１４  損失源、２２０  回路モデル、２２１，２２２  ダイオード、２２３  電流源、２２４  損失源、２５１  暗状態の電流電圧特性、２５２  明状態の電流電圧特性、２５３  電流電圧特性（オフセット）、２５４  電流電圧特性（損失源補正）、２７１  光導入構造、２７２  第１吸収層、２７３  中間層、２７４  第２吸収層、２７５  反射層、２８１  光のパス、３０１  光導入構造の光透過率Ｔｉ（λ）、３０２  第１吸収層の光透過率Ｔ１ａ（λ）、３０３  第２吸収層の光透過率Ｔ２ａ（λ）、３０４  反射層の光反射率Ｒｒ（λ）、３０５  中間層の光反射率Ｒｉｎ（λ）、３０６  中間層の光透過率Ｔｉｎ（λ）、３２１  第１光電変換層の外部量子効率の波形、３２２  第２光電変換層の外部量子効率の波形、３４１，３４２，３４３  プロットライン、４０１  ｐ型シリコンウエハ、４０２  ｎ層、４０３  セル反射防止膜、４０４  表面電極、４０５  裏面電極、４０６  ｐ＋層（ＢＳＦ（Back  Surface  Field））、４０７  カバーガラス、４０８  表面側封止材料、４０９  裏面側封止材料、４１０  ガラス反射防止膜、４１１  半導体基板、４３１  電流源、４３２，４３３  ダイオード、４３４  損失源、４５１  光導入構造、４５２  吸収層、４５３  反射層、４６１  入射光、４６２  光導入構造への戻り光、５０１  発電量予測装置、５０２  太陽電池アレイ、５０３  直流集電箱、５０４  パワーコンディショナー、５０５  キュービクル、５０６  発電表示制御装置、５０７    環境データ収集装置、５０８  データベース、５０９  商用電力系統、５１０  センサ、６０１  電流源、６０２  ダイオード、６０３  並列抵抗（Ｒｓｈ）、６０４  直列抵抗（Ｒｓ）、ａ１，ｂ１，ｃ１  分割領域、ａｉ，ｂｉ，ｃｉ  分割領域、ａ２，ｂ２，ｃ２  分割領域、Ｅ（λ）  内部量子効率、ＥＰＭ  発電電力、ＥＱＥ  外部量子効率、ＥＱＥ１（λ）  第１光電変換層に対応する外部量子効率、ＥＱＥ２（λ）  第２光電変換層に対応する外部量子効率、Ｇｓ  標準試験条件日射強度、ＨＡＭ  日射量、Ｉ０  逆飽和電流、Ｉａｂ１  第１吸収層で吸収される光、Ｉａｂ２  第２吸収層で吸収される光、Ｉ_loss1  第１光電変換層の損失源、Ｉ_loss2  第２光電変換層の損失源、Ｉｎｔ  日射スペクトル、Ｊph1  第１光電変換層で発生する電流値、Ｊph2  第２光電変換層で発生する電流値、ｋ_si（λ）  シリコンの消光係数、Ｋ  補正係数、ｎ  ダイオード因子、Ｎｐｈ（ｔ）  吸収光子数、ＰＡＳ  太陽電池モジュールの最大電力、Ｒｃ（λ）  セルの反射率、Ｒｉｎ（λ）  中間層の光反射率、Ｒｉ＋（λ）  入射光反射率、Ｒｉｎ（λ）  中間層の光反射率、Ｒｒ（λ）  反射層の光反射率、Ｔ１ａ（λ）  第１吸収層の光透過率、Ｔａ２（λ）  第２吸収層の光透過率、Ｔeva（Ｎｐｈ（ｔ），λ）  封止材の透過率、Ｔｉ（λ）  光導入構造の光透過率、Ｔｉｎ（λ）  中間層の光透過率、Ｔｉ（λ，ｔ）  光導入構造の透過率の時間変化、α（λ）  入射割合、λ１  薄膜太陽電池セルが光を吸収する波長の下限、λ２  薄膜太陽電池セルが光を吸収する波長の上限。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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