(57)【要約】      （修正有）【課題】「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」の中の、I-Vカーブ作成機能の充実、および周辺障害物の陰の影響を反映した計算精度の強化を図る。【解決手段】「基準状態のI-Vカーブ」として、単結晶の代表的なI-Vカーブを使うのでなく、適用する太陽電池の基本式を解いて求めた特性値を使い作成したI-Vカーブを使う。次に、周辺障害物による陰の影響を受光面日射量の減少ととらえ、発電量計算のなかに反映させた。また、太陽電池モジュール単位で計算した発電量から設備全体を求める。そして、直列に接続された一部の太陽電池モジュールに陰がかかると、その直列のモジュール全体（ストリングの発電量）への影響も計算する。【選択図】図１
2016187244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」において、
太陽電池基本式（改）：
Ｉ＝ＩＬ−Ｉ０｛exp（q（Ｖ＋ＲＳＩ）/nＫ0Ｔ）−１｝−（Ｖ＋ＲＳＩ）/ＲＳｈ
Ｉ０＝Ｃ０Ｔ３exp（−qＥgm/nＫ０Ｔ）
（q；電子の電荷量、Ｋ０；ボルツマン定数、n；接合定数；Ｃ０；飽和電流温度係数、
ＩＬ；光起電流、Ｅg；エネルギーギャップ、ＲＳｈ；並列抵抗、ＲＳ；直列抵抗
ｍ；１モジュールを構成するセル数）
の中の基本特性値（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）に関して、
該太陽電池モジュールの基準状態（日射強度１ｋＷ/ｍ２、太陽電池温度２５℃）における短絡電流の点Ｐ１（０，Ｉｓｃ），最大出力の点Ｐ２（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ），開放電圧の点Ｐ３（Ｖｏｃ，０）の値を使い、該基本特性値を未知数とする非線形の連立方程式を解くことによりその基本特性値（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）を算出し、
次に、これらの算出値と該太陽電池モジュールの特性値Ｒｓおよび基準状態（日射強度１ｋW/ｍ2、温度２５℃）の条件、定数（Ｅg，Ｋ０，q）を適用することにより、太陽電池基本式（改）から電圧Ｖと電流Iの関係式が得られ、すなわち、多数の電圧に対する電流の各値が得られることから、電圧Ｖと電流Ｉの組（４０〜５０組）を算出し、
基準状態における該太陽電池モジュールの電圧−電流カーブを作成し、さらに、
変換式により指定条件（日射強度・モジュール温度）の電圧―電流カーブを得る方法
を適用する太陽光発電量シミュレーション計算方法。
【請求項２】
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」において、
｛０１｝太陽電池基本式（改）から、電圧Ｖ、電流Ｉ、日射強度１ｋＷ／ｍ２ での光起電流ＩＬ、飽和電流温度係数Ｃｏ、接合定数ｎ、並列抵抗Ｒｓｈ、直列抵抗Ｒｓ、太陽電池モジュール温度Ｔ （絶対温度）、１モジュールを構成するセル数ｍ、定数（Ｅg，Ｋ０，q）を含んだ関数：
Ｆｕｎｃ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ） ＝ ＩＬ − ＣｏＴ３ ｅｘｐ（−ｑＥｇ＊ｍ／ｎｋｏＴ）＊（ｅｘｐ（ ｑ＊（Ｖ＋Ｒｓ＊Ｉ）／（ｎ＊ｋｏ＊Ｔ） ）−１） − （Ｖ＋Ｒｓ＊Ｉ）／ Ｒｓｈ − Ｉ を作成し、次に、
｛０２｝該関数Ｆｕｎｃ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）を変数Ｖで微分した
関数：Ｄｉｖ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）を作成し、
｛０３｝太陽電池の基準状態（モジュール温度Ｔａ（２９８Ｋ（ｔａ＝２５℃））、日射強度Ｅａ（１ｋＷ／ｍ２））での特性値である、短絡電流Ｉｓｃ、最適電流Ｉｏｐ 、最適電圧Ｖｏｐ 、開放電圧Ｖｏｃの点Ｐ１（０，Ｉｓｃ），Ｐ２（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ），Ｐ３（Ｖｏｃ，０）を選択し、
｛０４｝前記の関数Ｆｕｎｃ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）＝ ０のＴに基準状態の温度Ｔａ（２９８Ｋ），前記Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の点の値を代入し、ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈを未知数とする
関係式：Ｆｕｎｃ（０，Ｉｓｃ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
関係式：Ｆｕｎｃ（Ｖｏｃａ，０，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
関係式：Ｆｕｎｃ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０  を作成し、
｛０５｝前記関数Ｄｉｖ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）＝ ０ に、基準状態の温度Ｔａ（２９８Ｋ）を代入して、ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈを未知数とする、関係式：
Ｄｉｖ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０を作成し、つぎに、
｛０６｝前記５つの関係式：
Ｆｕｎｃ（０，Ｉｓｃ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，Ｆｕｎｃ（Ｖｏｃ，０，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
Ｆｕｎｃ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，Ｄｉｖ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
を満たす解Ａ（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）を、ニュートン法などの非線形解法のプログラムによって算出し、つぎに、
｛０７｝これらの値（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）を前記の太陽電池基本式（改）に再び代入し、基準状態(日射強度1kＷ/ｍ2 ,太陽電池温度25℃）における電圧Ｖ−電流Ｉカーブを作成し、
このカーブ上の電圧Va−電流Ia値（約４０〜５０点）について、指定条件の日射強度（Ｅｊ）・太陽電池温度（ｔｊ）と該太陽電池特性値（α,β,Rs,Ｋ）を使い、次の変換式により、指定条件の電圧Vk−電流Ik値に変換し、
Ｉk = Ia + Isca*(Eｊ/Ea - 1) + α*(tｊ - ta)                            （１）
Vk = Va + β*(tｊ - ta) - Rs*(Ik - Ia) - K*Ik*(tｊ - ta)           （２）
これらの電圧V-電流Ｉ値の組を多数求め、これらを結んで指定条件における電圧−電流カーブ（Ｉ−Ｖカーブ）を作成する方法
を適用する太陽光発電量シミュレーション計算方法。
【請求項３】
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、
フィールドに設置した太陽電池モジュールの月・年間発電量の計算で、周囲の太陽光の障害物（山、樹木、建物、設備、電柱など）の陰による影響を正確に反映する算出方法に関して、
当該設置場所における月平均時刻（３０分）別に太陽高度・方位計算をして描いた図に、該設備設置場所周囲の該障害物の最高高度（上端）の点を結んで描いた線を重ねて描き、
各方位について、太陽高度より高い障害物がある場合は障害物の陰が生じるとして、陰の種類（障害物までの距離、陰の濃さなど）に応じて太陽電池受光面日射量を減少する係数を、あらかじめ月平均時刻（３０分）別に決めて入力しておき、該係数をシミュレーション計算の途中結果である月平均時刻別太陽電池受光面日射量に乗じ、これを月平均時刻別太陽電池受光面日射量として使い、月・年間太陽光発電量をシミュレーション計算する方法。
【請求項４】
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、
フィールドに設置された多数の太陽電池モジュールにより構成された太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）の月・年間発電量を、陰の影響を反映して正確に算出する方法に関して、
各太陽電池モジュールについて、請求項３の計算方法により計算した結果を、多数の太陽電池モジュールで構成されている設備全体（太陽電池アレイ）に拡大して自動計算するものであり、各太陽電池モジュールにつき、事前に入力された月平均時刻別の「受光面日射量減少率」を使い、太陽電池モジュールごとに計算された月平均時刻別の受光面日射量に該減少率を乗じた値で該受光面日射量を置き換えて発電量を計算し、この太陽電池モジュールでの値を設備全体にわたって積算することにより太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）での月・年間太陽光発電量を正確にシミュレーション計算できるため、
・  大規模な太陽光発電設備であると共に、周りの陰が大きく複雑な場合
・  周りの陰が大きく複雑なため、太陽電池モジュールの直列構成（ストリング）の影響が大きい場合
などに、発電量の計算結果が正確に計算されるため、効果が大きい方法
を使った太陽光発電量シミュレーション計算方法。
【請求項５】
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、
フィールドに設置された多数の太陽電池モジュールにより構成された太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）の月・年間発電量を、陰、直流電圧の影響を反映して正確に算出する方法に関して、
太陽電池モジュールが直列構成された回路（ストリング）の一部の太陽電池モジュールに陰の影響による大幅な受光面日射量の減少が発生した場合、同一ストリング内の他の太陽電池モジュールにも同程度の受光面日射量の減少があるとして、請求項４の方法で太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）で実施する月・年間太陽光発電量シミュレーション計算方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。すなわち光電効果の一種である光起電力効果を応用し、起電力を発生させるものであり、太陽電池中に適当なエネルギーを持った光（光子）が入射すると、自由な電子と正孔が発生する。太陽電池は半導体中のｐｎ接合近傍に達した電子と正孔は、それぞれｎ型半導体側、ｐ型半導体側に拡散し、両電極部に集まるので、電力が取り出せ、電圧および電流が発生するというわけである。太陽電池は、結晶シリコン系、非結晶シリコン系、化合物系に大別できる。 結晶シリコン系太陽電池でも、特に単結晶太陽電池は製造工程が複雑で、製造に大量の電力を必要とするため、コスト低減の研究が進められている。最近、素子構造の工夫などにより、２０％を超える変換効率もある。製造工程の少し簡単な多結晶シリコン太陽電池では、太陽電池変換効率は単結晶より少し低い。非結晶シリコン系太陽電池（アモルファス太陽電池）では、製造工程が簡単で製造エネルギーが少なく、またシリコン材料が少なくてすむため、低コスト太陽電池として有望である。さらに、薄膜で各種の基盤上に形成できるため、広い応用範囲が期待されている。
【０００２】
本発明は、このような太陽電池を使ってフィールドに設置した太陽光発電システムの、発電出力、発電量が仕様値（太陽電池の工場試験値又はその型式の太陽電池の定格値）に比較してどの程度であるかを正確かつ的確に総合評価する技術に深く関連するところの、太陽光発電量シミュレーション計算技術・方法に関わる。
本発明は、受光面の日射強度・太陽電池モジュール温度から太陽電池発電量を算出する方法、および陰の影響により減少する月・年間発電量の計算などに関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽光発電システムは、地球環境問題、太陽電池とそのシステム価格の低減、国・地方公共団体等の助成措置、および太陽光発電電力の電力系統への逆潮流が可能となったことなどにより、最近普及が著しい。特に、平成２４年７月に「再生可能エネルギーの固定価格での全量買取制度」が実施されてからは急激な普及がはかられるようになった。
太陽電池の性能向上と低価格化とともに、設計・運用面では、太陽光発電システムの年間発電量を正確に推定計算できる技術・方法が強く望まれるようになっている。また、実際に設置された太陽光発電システムでは、その発電量が太陽電池の容量に比べて少ないのではないかという声も多く聞かれ、太陽光発電システムの実際の発電量を正確に評価し、諸損失を解析・減少させ、効率向上に結びつける技術が強く望まれ、太陽光発電システムの効率向上の研究が進められている。そして、太陽光発電システムの正確かつ詳細な年間発電量の推定計算方法が強く望まれている。
【０００４】
ここでは、本発明に関連する『背景技術』の現状を６つの項目に分け順次述べる。
（１）太陽光発電の年間発電量の推定計算
太陽光発電システムを新たに設置する場合、どのくらいの月・年間発電量が期待できるかを正確に推定計算できることは、言うまでもなく重要なことである。この場合の中核技術は、太陽電池受光面日射量の正確な推定方法と太陽電池温度上昇により太陽電池出力の低下を正確に計算に反映することである。太陽電池温度の推定方法は既に種々の推定式が提案されているため、ここでは、温度上昇による発電量の補正をする係数について述べる。現在、温度補正係数は下記２つが、一般に使われている。
ａ．季節別ごとの一定の温度補正係数
太陽電池受光面の月間日射量（ｋＷｈ/ｍ２/月）に基準状態の太陽電池アレイ出力（ｋＷ）と温度補正係数（夏：0.8、冬：0.9、春・秋：0.85）および基本設計係数（温度以外の係数）をかけて月間発電量を算出する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。そして、本方法よりさらに簡便に、年間一定の温度補正係数（0.85）を使う方法もある（例えば、非特許文献１、２，３など）。
ｂ．最大出力温度係数から算出した温度補正係数
上記ａよりも、実態に即した温度補正係数として、次の式を適用する方法が、適用されている（例えば、非特許文献４など）
温度補正係数＝１＋αPmax＊（Tcr‐25）/100 ・・・（a） 
ここに、Tcr：日射強度で重みづけをした加重平均太陽電池温度（℃）。すなわち、月平均気温に加重平均太陽電池温度上昇を加えたもの。αPmax：最大出力温度係数（％/℃）
なお、αPmaxは、通常結晶系で−0.41、アモルファス系で−0.2がよく適用されている。
一方、年間の太陽光発電量を、上記２つのような温度補正係数を使わず、月ごと時間（３０分）別のシミュレーション計算プログラムにより厳密に計算をする方法がある（例えば、特許文献１，２，３，４、５、非特許文献８参照など）。
【０００５】
（２）太陽光発電システムの評価I(温度損失)
実際に設置された太陽光発電システムの発電量を評価するには、一般にシステム出力係数がよく使われる。しかし、この係数では太陽光発電システムの損失のうちで、主要な部分を占めると言われている温度上昇による損失が把握できていない。そこで、時刻ごとの太陽電池温度の測定値から、日射強度で重みづけをした加重平均太陽電池温度（Tcr）を月ごとに求め、上記（a）式により温度補正係数（％）を求め、（100％−温度補正係数（％））により温度上昇による損失分を1ヶ月単位で把握する方法がある。
【０００６】
（３）太陽光発電システムの評価II（アレイ負荷整合）
太陽光発電システムの諸損失のうち、太陽電池アレイの最大出力の電圧（Vop）と、実際の動作電圧のずれによる損失（「アレイ負荷不整合」による損失…MPPTミスマッチ損失とも言われる）を、確実に把握する方法が現状ではまだ実質的に存在しないと言える。一般にはかなり大きい値であると言われており、経験的な数値である６〜10％程度をよく適用している。
【０００７】
（４）太陽光発電システムの評価III(諸損失の分離)
実際に設置された太陽光発電システムの諸損失（温度上昇による損失を含む）の合計比率（％）は、100％から前記システム出力係数（％）を減ずることにより算出できる。しかし、この諸損失の合計比率から、経験にもとづくモデルにより、各損失を分離する方法が提案されているものの、過去の一部の測定値にもとづき推定したものである。
【０００８】
（５）太陽光発電システムの評価IV（短期間データによる評価）
実際に設置された太陽光発電システムの評価方法として、太陽電池アレイを系統から切り離し、その両端の電圧−電流を瞬間的に測定して得られた電圧−電流曲線（Ｉ−Ｖカーブ）を基準状態の電圧−電力曲線（Ｐ−Vカーブ）に変換し、その最大電力（Pmax）と太陽電池アレイの定格出力を比較することにより評価する方法・装置（「Ｉ−Ｖカーブトレーサ」と呼ぶ）がある（例えば、非特許文献６参照。）。そして、その評価ソフトに改善を加えた方法も提案されている。
一方、一定短時間の実測した出力とＩ−Ｖカーブ作成法により、その時の電圧−電力曲線（Ｐ−Vカーブ）を作成して求めた出力を、比較することなどにより評価する方法も提案されている（例えば、特許文献６、７，８，９参照）。
また、10分間平均の日射強度・太陽電池温度・出力のデータから、10分平均のシステム発電効率を算出し、この値を太陽電池温度による補正をする試みが実施されている。
【０００９】
（６）太陽光発電量の推定・評価のための基本技術
太陽光発電システムの発電量を正確に推定・評価する場合の基本技術は、日射強度・太陽電池温度条件と太陽電池特性値から電圧−電量曲線（Ｉ−Ｖカーブ）を描く方法である。その基本的な方法については既に発表されている（例えば、特許文献１，２,非特許文献８，９参照）。すなわち、この方法には「実用的Ｉ−Ｖカーブ作成法」と「理論式によるＩ−Ｖカーブ作成法」の２種類がある。
【００１０】
ここで上記の説明で使用した特許文献、非特許文献などの関連文献を示す。
【特許文献１】特許第３３８３６９９号明細書
【特許文献２】特許第３４０６０４１号明細書
【特許文献３】特許第３４０３７９１号明細書
【特許文献４】特許第３５５０４１６号明細書
【特許文献５】特開２００２−２７０８７７公報
【特許文献６】特許第３４０３８５４号明細書
【特許文献７】特開２００４−７７３０９公報
【特許文献８】特開２００３−３２４２０７公報
【特許文献９】特開２００３−１３３５６９公報
【非特許文献１】「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、２０００年１１ 月３０日、ｐ．４７９
【非特許文献２】「太陽光発電システムの設計と施工（改訂２版）」、太陽光発電懇話会、２００２年 ２月１０日、ｐ．７９
【非特許文献３】渡辺百樹：「住宅に太陽光発電システムを取り付けるにはどうしたらよいか」、 international PV SEC−９、１９９６、ｐ．１４
【非特許文献４】黒川浩助、若松清司：「太陽光発電システム設計ガイドブック」、オーム社、 １９９４年８月２５日、ｐ．９１
【非特許文献５】大関崇、小泉裕孝、太田謙仁、黒川浩助：「蓄電池付き太陽光発電システムの評価方 法の開発」、平成１５年度太陽/風力エネルギー講演論文集２００３年、ｐ．３９３− ３９６
【非特許文献６】「気象（ポータブル太陽電池評価装置Ｉ−ＶチェツカーＭＰ１４０）」、英弘精機（株） カタログ、２００２年７月、ｐ．２
【非特許文献７】伊賀淳、金子知之：「フィールドにおける太陽電池の出力・発電量評価方法の研究」 、平成１４年電気学会電力・エネルギー部門大会、Vol．A、No．２２、２００２年 ８月、ｐ．１４６−１５０
【非特許文献８】伊賀淳、山本博隆、石原薫、三田裕一、鈴木博久：「Ｉ−Ｖカーブ作成法を用いた太 陽光発電量シミュレーション計算プログラムの開発」、電学論Ｄ、１１５、６、１９ ９５年６月、ｐ．７０２−７１１
【非特許文献９】伊賀淳：「太陽電池の光照射状態での電圧―電流特性式を使ったＩ−Ｖカーブ作成 法とその活用」、電学論Ｄ、１１６、１０、１９９６年１０月、ｐ．１００１−１０ ０９
【００１１】
以上のとおり、発明者以外にフィールドの太陽光発電設備について、年間発電量を詳細かつ正確にシミュレーション計算した事例の文献は、現状でも見られない。また、個々の太陽電池モジュールの各種日射強度・温度条件における電圧―電流カーブ（I-Vカーブ）を作成する信頼にたる方法を示した事例の文献も、現状では見られない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
「背景技術」でも述べてように、フィールドにおける太陽光発電設備の発電量を正確・厳密にシミュレーション計算するプログラム（「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」、「非特許文献８」）は、計算精度の高い、優れた機能を持つ有効なプログラムである。しかし、現在でも本プログラムのような機能をもち方法で計算したに相当するものは存在しない。そこで、このプログラムを構成する重要な部分について次の２点に関して新たな発明・機能として開発したのでここで示す。
【００１３】
・  基準状態の汎用的I-Vカーブの作成法
前記の「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」の、月ごと時刻別の発電量を日射量・モジュール温度から計算する場合のベースとなる「基準状態のI−Vカーブ」として、単結晶の代表的な太陽電池モジュールのI-Vカーブを使っていたが、本発明ではそれぞれの太陽光設備に使っている太陽電池モジュールのI-Vカーブを使うことを検討した（請求項１，２の発明）。
・  周囲の障害物の陰の影響を発電量計算に反映
太陽光発電設備の周りの障害物（山、樹木、建物、設備、電柱など）の陰による太陽光発電設備の発電量への影響は大きいことが確認・認識されている。そこで、陰による受光面日射量の減少ととらえて、発電量のシミュレーション計算のなかに反映させることとした（請求項３）。
また、太陽電池モジュール単位で計算し、設備全体にの発電量を求めて評価することを検討した（請求項４）。そして、太陽電池モジュールが直列に接続されると、一部モジュールに陰がかかると直列モジュール全体にかかった場合と同じ影響があることが認識され始めている。そこで、このことを発電量計算に反映することを検討した。（請求項５の発明）。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の方法は、
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」において、
太陽電池基本式（改）：
Ｉ＝ＩＬ−Ｉ０｛exp（q（Ｖ＋ＲＳＩ）/nＫ0Ｔ）−１｝−（Ｖ＋ＲＳＩ）/ＲＳｈ
Ｉ０＝Ｃ０Ｔ３exp（−qＥgm/nＫ０Ｔ）
（q；電子の電荷量、Ｋ０；ボルツマン定数、n；接合定数；Ｃ０；飽和電流温度係数、
ＩＬ；光起電流、Ｅg；エネルギーギャップ、ＲＳｈ；並列抵抗、ＲＳ；直列抵抗
ｍ；１モジュールを構成するセル数）
の中の基本特性値（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）に関して、
該太陽電池モジュールの基準状態（日射強度１ｋＷ/ｍ２、太陽電池温度２５℃）における短絡電流の点Ｐ１（０，Ｉｓｃ），最大出力の点Ｐ２（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ），開放電圧の点Ｐ３（Ｖｏｃ，０）の値を使い、該基本特性値を未知数とする非線形の連立方程式を解くことによりその基本特性値（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）を算出し、
次に、これらの算出値と該太陽電池モジュールの特性値Ｒｓおよび基準状態（日射強度１ｋW/ｍ2、温度２５℃）の条件、定数（Ｅg，Ｋ０，q）を適用することにより、太陽電池基本式（改）から電圧Ｖと電流Iの関係式が得られ、すなわち、多数の電圧に対する電流の各値が得られることから、電圧Ｖと電流Ｉの組（４０〜５０組）を算出し、
基準状態における該太陽電池モジュールの電圧−電流カーブを作成し、さらに、
変換式により指定条件（日射強度・モジュール温度）の電圧―電流カーブを得る方法
を適用する太陽光発電量シミュレーション計算する。
【００１５】
請求項２の方法は、
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」において、
｛０１｝太陽電池基本式（改）から、電圧Ｖ、電流Ｉ、日射強度１ｋＷ／ｍ２ での光起電流ＩＬ、飽和電流温度係数Ｃｏ、接合定数ｎ、並列抵抗Ｒｓｈ、直列抵抗Ｒｓ、太陽電池モジュール温度Ｔ （絶対温度）、１モジュールを構成するセル数ｍ、定数（Ｅg，Ｋ０，q）を含んだ関数：
Ｆｕｎｃ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ） ＝ ＩＬ − ＣｏＴ３ ｅｘｐ（−ｑＥｇ＊ｍ／ｎｋｏＴ）＊（ｅｘｐ（ ｑ＊（Ｖ＋Ｒｓ＊Ｉ）／（ｎ＊ｋｏ＊Ｔ） ）−１） − （Ｖ＋Ｒｓ＊Ｉ）／ Ｒｓｈ − Ｉ を作成し、次に、
｛０２｝該関数Ｆｕｎｃ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）を変数Ｖで微分した
関数：Ｄｉｖ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）を作成し、
｛０３｝太陽電池の基準状態（モジュール温度Ｔａ（２９８Ｋ（ｔａ＝２５℃））、日射強度Ｅａ（１ｋＷ／ｍ２））での特性値である、短絡電流Ｉｓｃ、最適電流Ｉｏｐ 、最適電圧Ｖｏｐ 、開放電圧Ｖｏｃの点Ｐ１（０，Ｉｓｃ），Ｐ２（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ），Ｐ３（Ｖｏｃ，０）を選択し、
｛０４｝前記の関数Ｆｕｎｃ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）＝ ０のＴに基準状態の温度Ｔａ（２９８Ｋ），前記Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の点の値を代入し、ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈを未知数とする
関係式：Ｆｕｎｃ（０，Ｉｓｃ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
関係式：Ｆｕｎｃ（Ｖｏｃａ，０，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
関係式：Ｆｕｎｃ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０  を作成し、
｛０５｝前記関数Ｄｉｖ（Ｖ，Ｉ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔ）＝ ０ に、基準状態の温度Ｔａ（２９８Ｋ）を代入して、ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈを未知数とする、関係式：
Ｄｉｖ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０を作成し、つぎに、
｛０６｝前記５つの関係式：
Ｆｕｎｃ（０，Ｉｓｃ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，Ｆｕｎｃ（Ｖｏｃ，０，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
Ｆｕｎｃ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，Ｄｉｖ（Ｖｏｐ，Ｉｏｐ，ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ，Ｔａ）＝ ０，
を満たす解Ａ（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）を、ニュートン法などの非線形解法のプログラムによって算出し、つぎに、
｛０７｝これらの値（ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈ）を前記の太陽電池基本式（改）に再び代入し、基準状態(日射強度1kＷ/ｍ2 ,太陽電池温度25℃）における電圧Ｖ−電流Ｉカーブを作成し、
このカーブ上の電圧Va−電流Ia値（約４０〜５０点）について、指定条件の日射強度（Ｅｊ）・太陽電池温度（ｔｊ）と該太陽電池特性値（α,β,Rs,Ｋ）を使い、次の変換式により、指定条件の電圧Vk−電流Ik値に変換し、
Ｉk = Ia + Isca*(Eｊ/Ea - 1) + α*(tｊ - ta)                            （１）
Vk = Va + β*(tｊ - ta) - Rs*(Ik - Ia) - K*Ik*(tｊ - ta)           （２）
これらの電圧V-電流Ｉ値の組を多数求め、これらを結んで指定条件における電圧−電流カーブ（Ｉ−Ｖカーブ）を作成する方法
を適用する太陽光発電量シミュレーション計算する。
【００１６】
請求項３の方法は、
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、
フィールドに設置した太陽電池モジュールの月・年間発電量の計算で、周囲の太陽光の障害物（山、樹木、建物、設備、電柱など）の陰による影響を正確に反映する算出方法に関して、
当該設置場所における月平均時刻（３０分）別に太陽高度・方位計算をして描いた図に、該設備設置場所周囲の該障害物の最高高度（上端）の点を結んで描いた線を重ねて描き、
各方位について、太陽高度より高い障害物がある場合は障害物の陰が生じるとして、陰の種類（障害物までの距離、陰の濃さなど）に応じて太陽電池受光面日射量を減少する係数を、あらかじめ月平均時刻（３０分）別に決めて入力しておき、該係数をシミュレーション計算の途中結果である月平均時刻別太陽電池受光面日射量に乗じ、これを月平均時刻別太陽電池受光面日射量として使い、月・年間太陽光発電量をシミュレーション計算する。
【００１７】
請求項４の方法は、
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、
フィールドに設置された多数の太陽電池モジュールにより構成された太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）の月・年間発電量を、陰の影響を反映して正確に算出する方法に関して、
各太陽電池モジュールについて、請求項３の計算方法により計算した結果を、多数の太陽電池モジュールで構成されている設備全体（太陽電池アレイ）に拡大して自動計算するものであり、各太陽電池モジュールにつき、事前に入力された月平均時刻別の「受光面日射量減少率」を使い、太陽電池モジュールごとに計算された月平均時刻別の受光面日射量に該減少率を乗じた値で該受光面日射量を置き換えて発電量を計算し、この太陽電池モジュールでの値を設備全体にわたって積算することにより太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）での月・年間太陽光発電量を正確にシミュレーション計算できるため、
・  大規模な太陽光発電設備であると共に、周りの陰が大きく複雑な場合
・  周りの陰が大きく複雑なため、太陽電池モジュールの直列構成（ストリング）の影響が大きい場合
などに、発電量の計算結果が正確に計算されるため、効果が大きい方法
を使った太陽光発電量シミュレーション計算する。
【００１８】
請求項５の方法は、
「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、
フィールドに設置された多数の太陽電池モジュールにより構成された太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）の月・年間発電量を、陰、直流電圧の影響を反映して正確に算出する方法に関して、
太陽電池モジュールが直列構成された回路（ストリング）の一部の太陽電池モジュールに陰の影響による大幅な受光面日射量の減少が発生した場合、同一ストリング内の他の太陽電池モジュールにも同程度の受光面日射量の減少があるとして、請求項４の方法で太陽光発電設備全体（太陽電池アレイ）で実施する月・年間太陽光発電量シミュレーション計算する。
【００１９】
ここで、請求項等に関連が深い基本的な言葉、基本事項などの説明を実施する。
〇太陽電池
太陽電池は、結晶系太陽電池（単結晶系、多結晶系）、非結晶系（アモルファス太陽電池）、化合物系などに分類される。なお、結晶系太陽電池では、本発明の基となる主要技術である「実用的Ｉ−Ｖカーブ作成法」が適用できることが確認されている（非特許文献８など）。一般に、太陽電池はその構成により、小〜大により次のように呼ばれている。
太陽電池セル（太陽電池の基本単位）→太陽電池モジュール（太陽電池セルが数10枚程度で構成されている）→太陽電池アレイ（太陽電池モジュール数拾〜数百枚程度以上で構成されている）
【００２０】
〇住宅用太陽光発電システム
太陽電池を使った太陽光発電システムの代表的なものは、住宅用太陽光発電システムである。すなわち、太陽電池アレイで発電した直流電力はパワーコンディショナーにより交流に変換され、負荷電力で消費された残りは余剰電力として電力系統に逆潮流される構成である。その太陽電池の規模はいろいろで、用途も住宅（個別住宅・集合住宅），産業用など種々で、連系している送配電線の電圧も低圧・高圧・特高がある。
【００２１】
〇太陽電池の電圧−電流曲線（Ｉ−Ｖカーブ）と電圧−電力曲線（Ｐ−Ｖカーブ）
図８は、太陽電池の基本的な特性である、太陽電池の出力電圧と出力電流の関係（実線：Ｉ−Ｖカーブ）および、出力電圧と出力電力の関係（破線：Ｐ−Ｖカーブ）を示したものである。Ｐ−ＶカーブはＩ−Ｖカーブの電圧における電流を電圧にかけて電力をもとめることにより容易に作成することができる。そして、Ｐ−Ｖカーブの最大の電力を最大出力（Pmax）という。Ｉ−Ｖカーブは通常太陽電池モジュール単位で作成し、出力（発電電力）を求める。また太陽電池アレイの出力は、アレイを構成する直並列のモジュール数を掛けてアレイの出力を求めることができる。本発明では、個々の太陽電池モジュールの発電量を合成することについても述べている。一般に太陽電池モジュールは基準状態（日射強度1ｋＷ，太陽電池温度25℃の条件の状態）などの特性値（下記）と、基準状態などの特性曲線（Ｉ−Ｖカーブ、Ｐ−Ｖカーブ）によりその特性を表示する。
なお、Ｉ−Ｖカーブ、Ｐ−Ｖカーブは、本来は電圧―電流を瞬間的に測定した値により作成される曲線のことであるが、一定の短時間（1分、10分30分、1時間など）の平均日射強度・太陽電池モジュール温度条件における、Ｉ−ＶカーブやＰ−Ｖカーブについても扱うことがある。
【００２２】
○太陽電池特性値
本発明では、太陽電池特性値は次のように、４つに使い分けている
・太陽電池基本特性値…C0（飽和電流温度係数）、IL（光起電流）、
I0（飽和電流）、Rsh（並列抵抗）、ｎ（接合定数）
・定数…K0（ボルツマン定数）、ｑ（電子の電荷量）、Eg（エネルギーギャップ）、
・太陽電池モジュール特性値…Isc（短絡電流），Ｉop（最大出力動作電流）、
Vop（最大出力動作電圧）、Voc（開放電圧）
・太陽電池温度等特性値…α（短絡電流の温度変動値）、β（開放電圧の温度変動値）、
Ｒs（太陽電池直列抵抗）、K（曲線補正因子）
【００２３】
〇「実用的Ｉ−Ｖカーブ作成法」の概要
任意の日射強度・太陽電池温度におけるＩ−Ｖカーブを作成する方法（Ｉ−Ｖカーブ作成法）は、太陽光発電システムの発電量の推定・評価の基本技術である。本特許出願の発明者は既に２つの方法を開発している（特許文献１，２、非特許文献８など）。ここではそのうちの１つである「実用的Ｉ−Ｖカーブ作成法」の概要を図９により説明する。作成方法は次の２つの過程により構成されている。
標準太陽電池（基準となる太陽電池）のＩ−Ｖカーブを計算対象太陽電池モジュールのＦＦ（曲線因子：＝太陽電池定格出力÷短絡電流÷開放電圧）になるように、Ｉ−Ｖカーブを変換する（図９の左側（ａ）の図）。
上記Ｉ−Ｖカーブを、任意の日射強度・太陽電池温度条件のＩ−Ｖカーブに次の変換式により変換する（図９の右側（ｂ）の図）。
Ｉ2＝Ｉ1＋Ｉsc（E2/E1−1）＋α（T2−T1） ……（１）
V2＝V1＋β（T2−T1）−Rs（I2−I1）−K・I2（T2−T1） ……（２）
ここに、α：温度が１℃変化したときのIscの変動値（A/℃）
β：温度が１℃変化したときのVocの変動値（V/℃） Isc：短絡電流（A）
Rs：太陽電池モジュールの直列抵抗（Ω） K：曲線補正因子（Ω/℃）
但し、I1、V1、E1、T1は基準状態の電流（A）、電圧（V）、日射量（ｋW/ｍ2）、太陽電
池温度（℃）であり、I2、V2、E2、T2は測定時のそれぞれの値である。
上記変換式は、後述のＩ−Ｖカーブトレーサに使われている「ＪＩＳの補正式」とは異なり、優れた式であることを示すため、図１０の一覧表を示す。すなわち上記式（１）、（２）は、広い日射強度にわたり精度よく適用できると共に、必要な日射強度・太陽電池温度のＩ−Ｖカーブの作成に結びつくため、発電電力量による太陽電池評価が可能となる。
【００２４】
〇「理論式によるＩ−Ｖカーブ作成法」の概要
上記Ｉ−Ｖカーブ作成法の２つ目の方法で、太陽電池の基本式（次式）を使いＩ−Ｖカーブを作成する方法であり、この方法の基本は図１１のとおりである（非特許文献９）。なお、今回の請求項１、２の発明はこの方法のひとつの発展・応用である。
理論式の基本は、太陽電池基本式をその太陽電池基本特性値（C0、IL、Rsh、ｎ）について解くことにより、Ｉ−Ｖカーブを作成する方法である。
I＝IL−I0＊{exp(ｑ(V＋Rs・I)/ｎK0・T)−１}−(V＋Rs・I)/Rsh 
I0＝C0・T３exp(−ｑEg/ｎK0T) 
ここに、I：出力電流（A） C0：飽和電流温度係数   V：出力電圧（V）
Eg：エネルギーギャップ（eV） IL:：光起電流（A） T：太陽電池素子温度（K）
I0：飽和電流（A） K0：ボルツマン定数（J/K） Rs：直列抵抗（Ω）
ｑ：電子の電荷量（C） Rsh：並列抵抗（Ω） ｎ：接合定数
すなわち、
太陽電池温度25℃における太陽電池特性値（Isc、Ｉop、Vop、Voc）などから２５℃における太陽電池基本特性値（C0、IL、Rsh、ｎ）をニュートン・ラプソン法で解く。
太陽電池温度55℃における太陽電池特性値を得て、同様に太陽電池基本特性値をニュートン・ラプソン法で解く。
直線補間などにより必要な温度の太陽電池基本特性値を求める。
上記基本特性値を使い、再びニュートン・ラプソン法により、電圧―電流の多くの組を計算し、Ｉ−Ｖカーブを作成する。
【００２５】
〇「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」
本特許出願の発明者が開発した、精度と汎用性の高い「年間発電量シミュレーション計算プログラム」のブロック図を、図５に示す。プログラムは３つのサブプログラム（「受光面日射エネルギー算出サブプログラム」、「太陽電池モジュール温度算出サブプログラム」、「太陽電池出力算出サブプログラム」）で構成されている。月ごと時刻（30分）別に平均日射強度と太陽電池温度を算出し、Ｉ−Ｖカーブ作成法により出力を計算し、月ごとおよび年間集計して発電量を算出している（非特許文献８）。
【００２６】
〇時刻別平均日射強度の計算方法
上記「受光面日射エネルギー算出サブプログラム」において、月平均１日合計日射量から月平均時刻別の平均日射強度を算出する場合に適用する方法で、その原理を図７に示す。すなわち、１日の日射の動きを、２つのサインカーブを組合せた曲線により模擬して時刻ごとの日射強度を求める方法である。精度向上のため1時間ごとでなく、30分ごとの平均日射強度の値を計算している（特許文献３参照）。
【００２７】
〇太陽電池温度
太陽電池モジュール温度とも呼ばれ、通常は太陽電池モジュールの裏面の中央位置に埋め込み又は、張りつけた熱電対により測定される。計算処理に使われる温度の単位は、通常摂氏ｔ（℃）であるが、太陽電池基本式の中で使うときは絶対温度T（K（ケルビン）：＝ｔ＋273）を使う。
【００２８】
〇日射量と電力量
各瞬間における日射の大きさを日射強度（ｋＷ）と、ある時間における日射の量を日射量（ｋＷｈ）と呼ぶ。又、電力でも各瞬間の大きさは電力（ｋＷ）と、ある時間における電力の量は電力量（ｋＷｈ）と呼ぶ。このことは一般にも使われている言葉ではあるが、本発明では混同すると混乱が起こるため、あえてはっきりと区分して言葉を使用している。
【００２９】
〇ニュートン法（ニュ―トン・ラプソン法）
太陽電池の基本式は非線型の式であるため、解析的な方法では一般に式を解く事ができない。そこで種々の数値計算方法のうち、ニュートン法を適用した。当初は未知数を１個の形に整理して解き、順次その他の未知数を解いた（非特許文献９参照）。しかし、未知数の増加とともに、このような方法では解くことができなくなったので、連立方程式のニュートン・ラプソン法を適用することとした。
【００３０】
○ストリング
通常、太陽光発電設備は太陽電池モジュールが複数個直列に結合されて（この直列に結合された回路をストリングという）、そしてこの回路が複数並列に結合されてパワーコンディショナーに接続されている。この場合、直列に結合された太陽電池モジュールの一部に陰がかかっても、直列回路構成であるため、そのストリング全体の発電量が大きい影響を受ける。
【発明の効果】
【００３１】
・  請求項１、２により、発電量の計算のベースとなる太陽電池モジュールのI−Vカーブが単結晶の一般的なものであるのに対して、本発明により、適用する個々の太陽電池モジュールの特性に合ったI−Vカーブを使うことにより、より適合した発電量の計算結果となることと考える。したがって、特色のある太陽電池などには特に効果が多きいものと考える。
・  請求項３、４、５により、個々の太陽電池モジュールの周辺の陰による影響を計算し求め、これらを集計することにより各太陽電池モジュールの場所の差による陰への影響も反映した緻密な計算結果が得られる。また、太陽電池が構成するストリングの影響を反映した計算結果も得られる。
そのため、周囲の陰となる障害物の除去やストリングの構成・結線による影響を数値で評価できるため、その設計・変更の場合、陰となる障害物の撤去による発電量の増加を予想できる。またすでに建設している設備に対しては、設備の最適なストリングに変更、改造、障害物の除去などによる効果を数値で評価できるため、工事の経済性検討にも役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】請求項１、２に関わる内容で、個々の太陽電池モジュールの特性値などから太陽電池基本特性値を求め、基準状態のI−Vカーブを作成し、任意の条件のI-Vカーブを作成する方法の説明図。
【図２】請求項３、４、５に関わる内容で、月ごと時刻別太陽位置（高度、方位）図と周囲の障害物の陰による受光面日射量への影響を説明した図。
【図３】請求項３、４、５に関わる内容で、個々の太陽光モジュールの陰の影響を積算して太陽光設備全体の発電量を計算する機能を、機開発の「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」に加えた場合のフローチャート図。
【図４】請求項５に関わる内容で、太陽電池を直列に接続した回路（ストリング）により全体の発電量が影響を受けることを説明した図。
【図５】機開発の「太陽光発電量シムレーション計算プログラム」のフローチャート図で、本発明はこのプログラムを利用した発明である。
【図６】「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、全天日射量（水平面日射量）を直達日射量と散乱日射量の分解し、傾斜日射量（太陽電池受光面日射量）を計算する原理の説明図。
【図７】「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」における、月平均一日合計日射量をサインカーブとその２倍のサインカーブを使い、時刻別の日射量を計算する原理図（特許文献３）。
【図８】基本的なI-Vカーブ・P-Vカーブを説明した図。
【図９】「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」において、標準太陽電池（代表的な単結晶太陽電池）のカーブを使い、個々の太陽電池の基準状態のI-Vカーブを求め、さらに各種日射・モジュール温度条件のI−Vカーブを求める方法の説明図（非特許文献８）。
【図１０】本特許出願の発明者（本図では「著者」という）が使っている、「基準状態のI−Vカーブ」から「各種条件のI−Vカーブ」に変換する式（「著者の式」）を示し、類似する式と比較した図。
【図１１】「理論式によるI−Vカーブ作成法」（非特許文献９）の説明図
【実施例】
【００３３】
関連図面を中心に実施例を述べる。
図１において、同一メーカの同一型式の太陽電池モジュール（定格容量や変換効率が異なる場合）については、ＩＬ，Ｃｏ，ｎ，Ｒｓｈを算出した値について、この値を容量や変換効率で調整した後再び太陽電池基本式に代入し、基準状態のI-Vカーブを作成する方法もある。
図３において、シミュレーション計算の月平均時刻別の受光面日射量に減少率を乗じるとしているが、受光面日射量を構成する受光面直達日射量、受光面散乱日射量、受光面反射日射量に、あらかじめ決められ入力されているそれぞれの減少率を乗じて計算し、合成する方法もある。
図４において、同一ストリングを構成する太陽電池モジュールのうち陰による出力低下があると、ストリング全体の出力低下に結びつく。この場合、直流回路のための電流制限だけでなく、ストリングの電圧低下による影響も考えられる。そのため上記出力低下した太陽電池モジュールの「受光面日射量減少率」を同じストリング内の太陽電池モジュールにも適用することもある。
【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】
2016187244.tif 000010
【図９】
2016187244.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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