(57)【要約】【課題】低コスト、かつ簡便な方法で太陽光の散乱比を正確に算出できる方法を提供する。【解決手段】水平面日射量を所定の時間間隔で測定し（工程１）、各々の水平面日射量から各々の晴天指数を算出し（工程２）、晴天指数の所定の時間内の平均値である移動平均値を算出し（工程３）、晴天指数の時間的変動率である移動変動値を算出し（工程４）、晴天指数の大きさから天候を判断して分類し（工程５）、それぞれの天候においてそれぞれの回帰式を用いて散乱比を算出する。太陽光発電システムの発電量の算出に用いることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面日射量を所定の時間間隔で測定し、これらの各々の水平面日射量から各々の晴天指数を算出し、
これらの晴天指数が第１の所定の値以上であった場合、または、第２の所定の値以下であった場合に、晴天指数を変数とする関数から、水平面日射量に対する散乱日射量の比である散乱比を算出し、
上記晴天指数が上記第１と第２の所定の値の間にある場合に、上記晴天指数の時間的変動率を求め、この時間的変動率を変数とした関数から上記散乱比を算出することを特徴とする、太陽光散乱比の算出方法。
【請求項２】
前記晴天指数の時間的変動率は、前記所定の時間間隔で測定した水平面日射量から算出した引き続く複数個の晴天指数の偏差の絶対値の和であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光散乱比の算出方法。
【請求項３】
前記偏差の絶対値の和は、最大値と最小値の絶対値の和であることを特徴とする、請求項２に記載の太陽光散乱比の算出方法。
【請求項４】
前記所定の時間間隔は１分であり、前記複数個の晴天指数は引き続く３個の晴天指数であることを特徴とする、請求項３に記載の太陽光散乱比の算出方法。
【請求項５】
前記晴天指数を変数とする関数は、晴天指数と散乱比の実測値に基づく回帰式であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光散乱比の算出方法。
【請求項６】
前記時間的変動率を変数とした関数は、時間的変動率と散乱比の実測値に基づく回帰式であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光散乱比の算出方法。
【請求項７】
前記回帰式の係数は、年間のそれぞれの月ごとに、実測値に基づき、回帰分析により算出した係数であることを特徴とする、請求項５または６に記載の太陽光散乱比の算出方法。
【請求項８】
前記第１の所定の晴天指数は０．７であり、前記第２の所定の晴天指数は０．５であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の太陽光散乱比の算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽光発電システム等の日射量算出に関わる、太陽光の散乱比の算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の自然環境を保護するため、環境にやさしい太陽光発電の本格的利用が進んでいる。
太陽光発電の本格的利用に伴い、太陽電池の形状が多様化し、また、太陽電池の設置形態も多様化してきている。例えば、太陽電池が屋根や壁面と一体になった建材一体型太陽電池が登場してきており、また、一つのサイトに複数の太陽電池を設置した複合太陽電池や、曲面太陽電池といった特殊な形状のものも登場している。また、設置形態も、従来のように、太陽電池を南向き、かつ、水平面から約３０°傾けた最適傾斜角の設置形態のものに限らず、設置の向きや傾きを問わず設置されるようになってきた。
また、太陽光発電の本格的利用に伴い、太陽光発電システムの１年平均、１月平均、あるいは１日平均といった平均発電量を正確に推定することが必要不可欠になってきている。
【０００３】
しかしながら、太陽電池の形状が多様化し、また、太陽電池の設置形態も多様化してきたため、従来の発電量の推定方法では、太陽電池の発電量を正確に推定することができず、従って、太陽光発電の本格利用に支障を来している。
【０００４】
次に、従来の太陽電池の発電量の推定方法を説明する。
太陽発電システムの設置場所に、日射量計測用の平面状の太陽電池を、太陽電池面が水平になるように配置し、日射量を測定する。この日射量を水平面日射量という。水平面日射量を、太陽から直接太陽電池に入射する日射量成分、すなわち直達日射量成分と、雲等によって散乱されて入射する日射量成分、すなわち散乱日射量成分とに分離し、これらの直達日射量成分と散乱日射量成分をそれぞれ独立に、設置しようとする太陽発電システムの太陽電池の傾斜角、形状に合わせて補正し、太陽光発電システムの発電量を推定する。この際、水平面日射量を直達日射量成分と散乱日射量成分に分離するために、水平面日射量に対する散乱日射量成分の比、すなわち散乱比を使用するが、従来は、Ｅｒｂｓ法（非特許文献１参照）によって求めた散乱比が用いられてきた。
【０００５】
ここで、Ｅｒｂｓ法による散乱比の算出方法を説明する。
測定した水平面日射量Ｈから晴天指数ＫＴ  を求める。晴天指数ＫＴ  は、水平面日射量Ｈを大気外日射量Ｈ０  で割った値であり、次式（１）で表される。
【数１】
2004153184.tif 000003
大気外日射量Ｈ０  は、太陽定数と太陽高度から計算によって求める。太陽定数とは、太陽から地球に降り注ぐエネルギー量のことであり、実際には一定値が決められており、その値を使用することができる。太陽高度とは、測定地点の測定時刻における太陽の高度のことであり、測定位置の経度、緯度、及び、測定日の太陽の赤緯、時角から算出する（非特許文献１参照）。
【０００６】
散乱比Ｋは、Ｅｒｂｓ関数と呼ばれる晴天指数ＫＴ  の関数から求める。Ｅｒｂｓ関数は、晴天指数ＫＴ  の大きさによって３つに分類されている。すなわち、ＫＴ  ≦０．２２の場合は、次式（２）を用いて散乱比Ｋを求める。
【数２】
2004153184.tif 000004
この状態は雨天（曇天）状態に対応する。０．２２＜ＫＴ  ≦０．８０の場合は、次式（３）を用いて散乱比Ｋを求める。
【数３】
2004153184.tif 000005
この状態は、薄曇り状態に対応する。０．８０＜ＫＴ  の場合は、次式（４）の散乱比Ｋを用いる。
【数４】
2004153184.tif 000006
この状態は晴天状態に対応する。
【０００７】
このように、太陽光発電システムの設置場所の水平面日射量を、雨天、薄曇り、及び、晴天のそれぞれの場合について測定し、晴天指数を求め、晴天指数とＥｒｂｓ関数とから散乱比を求め、散乱比と水平面日射量とから直達日射量成分と散乱日射量成分を求める。求めた直達日射量成分と散乱日射量成分をそれぞれ、設置しようとする太陽光発電システムの太陽電池の形状、設置傾斜角にあわせて補正し（非特許文献１参照）、太陽光発電システムの太陽電池の日射量を推定する。これらの日射量と過去の気象情報とから、太陽光発電システムの１年平均、１月平均、あるいは１日平均といった平均発電量を推定する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｅｒｂｓ法で推定した平均発電量は実際の発電量と大幅に異なるという課題があり、特に、薄曇り状態での推定値に誤差が大きいことが指摘されている。その原因は、散乱比を求める際の変数として晴天指数を用いるが、晴天指数と散乱比との相関が良くないことが原因である。
ところで、散乱比を正確に求めるには、直達日射量と散乱日射量を分離して測定できる測定器を使用すればよい。しかしながら、このような装置は太陽位置が目視できないような天候の場合にも太陽を自動追尾するシステムを必要とし、太陽光発電システムの設置現場においてこのような装置を使用することは、コスト及び簡便性の点から不可能である。
【０００９】
【非特許文献１】
新太陽エネルギー利用ハンドブック編集委員会「新太陽エネルギー利用ハンドブック」日本太陽エネルギー学会  ｐｐ．１〜４２（２０００）
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、低コスト、かつ簡便な方法で太陽光の散乱比を正確に算出できる方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の日射量算出方法は、水平面日射量を所定の時間間隔で測定し、各々の水平面日射量から各々の晴天指数を算出し、晴天指数が第１の所定の値以上であった場合、または、第２の所定の値以下であった場合に、晴天指数を変数とする関数から、水平面日射量に対する散乱日射量の比である散乱比を算出し、晴天指数が第１と第２の所定の値の間にある場合に、晴天指数の時間的変動率を求め、晴天指数の時間的変動率を変数とした関数から散乱比を算出することを特徴とする。
この方法によれば、水平面日射量の測定から散乱比を精度良く算出することができる。
また、晴天指数の時間的変動率は、例えば、所定の時間間隔で測定した水平面日射量から算出した引き続く複数個の晴天指数の偏差の絶対値の和である移動変動値であっても良い。また、移動変動値は、偏差の最大と最小の絶対値の和であってもよい。また、時間間隔は１分、複数個の晴天指数は引き続く３個の晴天指数であれば好ましい。
この方法によれば、晴天指数の時間的変動率と散乱比との相関が高いので、従来法の課題である薄曇り状態における散乱比の算出精度を高めることができる。
【００１２】
また、晴天指数を変数とする関数は、晴天指数と散乱比の実測値に基づく回帰式であることを特徴とする。
また、晴天指数の時間的変動率を変数とした関数は、時間的変動率と散乱比の実測値に基づく回帰式であることを特徴とする。
この方法によれば、回帰式を用いるので、散乱比の算出精度を高めることができる。また、回帰式の係数は、年間の月ごとの実測値に基づき、回帰分析により算出した月ごとに異なる係数であることを特徴とする。
この方法によれば、散乱比と晴天指数、または散乱比と晴天指数の時間的変動率の季節毎に変動する相関を取り込んだ回帰式で散乱比を算出するので、散乱比の算出精度を年間を通して高めることができる。
また、第１の所定の晴天指数は０．７であり、第２の所定の晴天指数は０．５であることを特徴とする。
この方法によれば、晴天指数の大きさによって場合分けし、それぞれの場合に最適な回帰式を用いて推定するので、いずれの場合においても極めて精度良く散乱比を算出することができる。なお、晴天指数が０．７以上の状態は、天候が快晴であることに対応し、晴天指数が０．５以下の状態は、天候が曇天であることに対応し、晴天指数が第１と第２の所定の値の間にある状態は、天候が薄曇りであることに対応する。
【００１３】
このように、本発明の方法によれば、水平面日射量の測定値だけで、極めて簡便に、極めて精度良く太陽光の散乱比を算出することができる。例えば、この散乱比と水平面日射量とから直達成分日射量と散乱成分日射量を精度良く求めることができ、直達成分日射量と散乱成分日射量をそれぞれ、設置しようとする太陽光発電システムの太陽電池の形状、設置傾斜角にあわせて補正し、太陽光発電システムの太陽電池の日射量を精度良く算出することができる。これらの日射量と過去の気象情報とから、太陽光発電システムの１年平均、１月平均、あるいは１日平均といった平均発電量を精度良く算出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の太陽光散乱比の算出方法を示す工程図である。
始めに、図の工程１に示すように、水平面日射量計測器で、水平面日射量Ｈを測定する。水平面日射量Ｈは、平面状の太陽電池を太陽電池面が水平になるように配置して発電量を測定することによって得られる。水平面日射量とは、水平に配置した太陽電池に、太陽から直接入射する日射量成分、すなわち直達日射量成分と、雲等によって散乱されて入射する日射量成分、すなわち散乱日射量成分との和である。水平面日射量は、一定時間間隔Δｔで連続して測定する。
【００１５】
次に、工程２に示すように、従来技術で説明した（１）式を用いて、水平面日射量Ｈと大気外日射量Ｈ０  から各々の測定時刻における晴天指数ＫＴ  （ｔ）を算出する。ここで、ｔは各々の測定時刻に対応した０を含む正の整数とする。
【００１６】
次に、工程３に示すように、各々の測定時刻ｔにおける移動平均値Ａ（ｔ）を次式（５）を用いて算出する。
【数５】
2004153184.tif 000007
移動平均値Ａ（ｔ）は、注目する時刻ｔを含む時刻ｔの直前の連続する複数の晴天指数の平均値である。なお、上式において、ｓは０を含む正の整数であり、この移動平均値は、複数の晴天指数が３つである場合である。
【００１７】
次に、工程４に示すように、各々の測定時刻ｔにおける移動変動値Ｍを次式（６）を用いて算出する。
【数６】
2004153184.tif 000008
移動変動値Ｍは、注目する時刻ｔを含む時刻ｔの直前の連続する複数個の晴天指数の偏差の絶対値の和であり、上式（６）は、複数の晴天指数が３つであり、偏差の絶対値の和として、偏差の最大値の絶対値と偏差の最小値の絶対値の和をとる場合を示している。移動変動値Ｍは、時間的変動率を表現する式であればよく、上式に限らない。
【００１８】
図２は、移動変動値の算出方法の一例を示す図である。図において、横軸は測定時刻を示し、縦軸は晴天指数を示す。なお、測定時間間隔Δｔは１分、測定時刻は、現時刻、１分前、２分前の場合を示している。
図に示すように、現時刻、１分前、２分前の３個の晴天指数の平均値Ａ（ｔ）からの偏差のうち、最大ＫＴ  ，ＭＡＸと最小ＫＴ，ＭＩＮ  の絶対値を加えたものを移動変動値Ｍとする。
【００１９】
次に、図１に示す工程５において、各々の測定時刻ｔにおける晴天指数ＫＴ  （ｔ）の大きさから天候を判断する。すなわち、ＫＴ  （ｔ）が第１のしきい値Ｋ１  以上である場合は快晴と判断し、第２のしきい値Ｋ２  （Ｋ２  ＜Ｋ１  である）以下であれば曇天と判断し、Ｋ１  とＫ２  の間にある場合は薄曇りと判断する。Ｋ１  及びＫ２  は、下記の実施例で示すように、散乱比と晴天指数の相関から求めたしきい値であり、Ｋ１  ＝０．７、Ｋ２  ＝０．５である。
【００２０】
次に、工程６に示すように、水平面日射量に対する散乱日射量の比である散乱比Ｋ（ｔ）を算出する。天候が快晴、または曇天の場合には、晴天指数ＫＴ  （ｔ）を次式（７）に代入して散乱比Ｋ（ｔ）を算出する。
【数７】
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なお、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、快晴、または曇天の場合の一連の測定値から回帰分析により求めた定数であり、また、月ごとに異なった係数である。
図３は、快晴、または曇天の場合の回帰式の月ごとの係数を示す図である。
【００２１】
薄曇りの場合には、晴天指数ＫＴ  （ｔ）を次式（８）に代入して散乱比Ｋ（ｔ）を算出する。
【数８】
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なお、Ｆ，Ｇは薄曇りの場合の一連の測定値から回帰分析によって求める定数であり、月ごとに異なった係数である。
図４は、薄曇りの場合の回帰式の月ごとの係数を示す図である。
なお、図３，図４の係数は、北緯３５．６９６°、東経１３９．５２°、海抜５８ｍの地点での値である。
このようにして、快晴、曇天、または薄曇りの各々における散乱比を算出することができる。
【００２２】
工程７に示すように、求めた散乱比を水平面日射量に掛けて散乱成分日射量を求め、水平面日射量から散乱成分日射量を差し引いて直達成分日射量を求めることができる。太陽光発電システムの日射量推定に使用する場合には、工程８に示すように、求めた散乱成分日射量と直達成分日射量を、それぞれ独立に、設置しようとする太陽光発電システムの太陽電池の形状、及び、設置傾斜角にあわせて補正し、設置しようとする太陽光発電システムの日射量、すなわち、発電量を推定する。なお、散乱成分日射量と直達成分日射量の太陽電池の形状、設置傾斜角に応じた補正方法は、非特許文献１に示されている。
【００２３】
次に、本発明の作用を説明する。
薄曇り状態は、上空が雲で隙間なく覆われる曇天状態とは異なり、雲の固まりが、まばらに、あるいは密に分布し、青空と雲が混在する状態で近似できる。雲の分布密度が大きくなれば、また、個々の雲の厚さが厚くなれば、雲による太陽光の散乱は大きくなる。雲による太陽光の散乱が大きくなれば、日射量が減少するので日射量と散乱比は相関がある。しかしながら、直接日射量が減っても散乱日射量は増えるので、直接日射量と散乱日射量の和である水平面日射量は、散乱比との間にそれほど良い相関を有していない。従来法であるＥｒｂｓの方法は、水平面日射量の時間平均値に基づいて散乱比を推定するものである。
【００２４】
一方、本発明の方法においては、薄曇り状態における散乱比算出の変数として移動変動値を用いる。雲が動けば、雲の合間から太陽が顔を出して直接日射量が増える状態と、太陽が雲に隠れて直接日射量が減少する状態とが交互に入れ替わり、直接日射量は時間的に変動する。雲の分布密度が大きければ、変動周期が早くなり、また個々の雲の厚さが厚ければ、変動の振幅が大きくなる。移動変動値は、所定の時間間隔で測定した引き続く複数の水平面日射量から求めた晴天指数の偏差の絶対値の和であるから、変動周波数と、変動振幅に比例する量になっており、雲の分布密度及び雲の厚さに比例した量である。従って、移動変動値と散乱比との相関は、水平面日射量と散乱比との相関に比べて高いと考えられる。このため、本発明の方法によれば、下記の実施例に示すように、従来法に比べて極めて高精度に散乱比を算出できる。
【００２５】
次に、実施例を示す。
図５は、晴天指数と散乱比の相関を示す図である。測定は、直達日射量と散乱日射量を分離して測定できる測定器を用いて行った。図に示すように、晴天指数と散乱比の相関は大きく３つのグループに分類できることが判る。一つは、散乱比が低い快晴に対応するグループであり、一つは散乱比が高い曇天に対応するグループであり、他の一つは散乱比が中間に属する薄曇りグループである。薄曇りグループの晴天指数と散乱比との相関は低く、従来のＥｒｂｓ法では精度良く算出できないことが判る。
【００２６】
図６は、移動変動値と散乱比の相関を示す図である。図に示した曲線は回帰分析で求めた（８）式である。
図から明らかなように、移動変動値と散乱比の相関は、図５に示した晴天指数と散乱比の相関に比べて相関が高く、また回帰式（８）を用いて算出すれば極めて精度良く、薄曇り状態における散乱比を算出できることがわかる。
【００２７】
次に本発明の方法とＥｒｂｓ法との精度の比較を実施例に基づいて説明する。
本発明の方法により算出した散乱比を用いて算出した傾斜面日射量の精度と、Ｅｒｂｓ方を用いて算出した散乱比を用いて算出した傾斜面日射量の精度との比較を行った。
評価指数は、ＩＥ  を算出傾斜日射量、ＩＭ  を実測傾斜面日射量として次式（９）で表されるＭＢＥ（Ｍｅａｎ  Ｂｉａｓ  Ｅｒｒｏｒ）と、
【数９】
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次式（１０）で表されるＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ  ＥＲＲＯＲ）を用いた。測定は、１年間を通して行った。
【数１０】
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【００２８】
図７は、快晴の場合の本発明の方法とＥｒｂｓ法の精度を比較する図である。縦軸は月平均の１時間あたりの日射量のＭＢＥまたはＲＭＳＥを示し、横軸は月を示す。図において、△と○はそれぞれ、本発明の方法によるＭＢＥとＲＭＳＥであり、▲と●はそれぞれ、従来法によるＭＢＥとＲＭＳＥである。
図から明らかなように晴天の場合には、本発明の方法は、従来法に比べて極めて精度が高い。
【００２９】
図８は、曇天の場合の本発明の方法とＥｒｂｓ法の精度を比較する図である。
縦軸、横軸及びデータを示す記号は図７と同様である。
図から明らかなように、曇天の場合には、本発明の方法は、従来法と同程度の精度を有している。
【００３０】
図９は薄曇りの場合の本発明の方法とＥｒｂｓ法の精度を比較する図である。縦軸、横軸、及びデータを示す記号は図７と同様である。
図から明らかなように、薄曇りの場合には、本発明の方法は、従来法に比べて極めて精度が高い。
【００３１】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、薄曇り状態の太陽光の散乱比と相関の高い移動変動値を変数として散乱比を算出するので、極めて高い精度で散乱比を算出することができる。また、回帰直線を用いて算出するので精度が高い。また、水平面日射量の測定によって算出できるので簡便である。
本発明法を、太陽光発電の本格的利用に伴い、形状が多様化し、また設置形態も多様化してきた太陽光発電システムの１年平均、１月平均、あるいは１日平均といった発電量の算出に用いれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の日射量推定方法を示す工程図である。
【図２】移動変動値の算出方法を示す模式図である。
【図３】快晴または曇天の場合の回帰式の月ごとの係数を示す図である。
【図４】薄曇りの場合の回帰式の月ごとの係数を示す図である。
【図５】晴天指数と散乱比の相関を示す図である。
【図６】移動変動値と散乱比の相関を示す図である。
【図７】快晴の場合の本発明の方法とＥｒｂｓ法の精度を比較する図である。
【図８】曇天の場合の本発明の方法とＥｒｂｓ法の精度を比較する図である。
【図９】薄曇りの場合の本発明の方法とＥｒｂｓ法の精度を比較する図である。
【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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