研究報告書 太陽光発電の発電効率に関する解析
太陽光パネルへの天空・直達日射遮蔽
2012/1/8
大阪市立大学 工学部 環境都市工学科
地域環境計画研究室
東レ建設株式会社
1 はじめに太陽光発電システムは、太陽の日射エネルギーを利用したクリーンなエネルギーとして普及が進んでいる一方、外部要因による発電効率の低下も懸念されている。そこで、本研究では、太陽光発電の発電効率について以下の実測 3 を行う。
・実測 3 太陽光パネルを部分的に日射遮蔽した際の、遮蔽面積と発電効率の関係について
太陽光パネルを建物に設置すると、周りの建物や障害物の影響により、一部に日影が落ちる場合がある。パネルの一部に日影が落ちると、セルは抵抗として働き、発電効率は低下する。また、抵抗が一定以上になったセルに電流が流れると、そのセルは発熱し、破壊される。このようにセルが破壊されるのを防ぐために、太陽光パネルは、セルの抵抗が一定以上になると、電流を他の回路にバイパスして流すように回路が組まれている。実測 3 では、太陽光モジュールを部分的に日射遮蔽し、その際の日射遮蔽の種類・範囲・面積と発電効率の関係により、日影の影響を解析する。
2 実測概要2.1 実測期間・場所
2011 年 8 月 31 日に、フジプレアム株式会社 播磨テクノポリス光都工場/研究所にて実測を行った。
2.2 実測設備
フジプレアム株式会社 播磨テクノポリス光都工場/研究所の駐車場に、太陽光発電モジュールを傾斜角 30 度、真南向きで 3 台並べて設置した(以下モジュール A、B、C)。太陽光発電モジュールは、156mm 四方のセル 54 枚で構成されており、最大出力は 195W である。それぞれのモジュールのセルには熱電対を対角線上(左下部、中央部、右上部)に 3 か所ずつ取り付けており、モジュール A、モジュール B の左下部には日射計を取り付けている。
表 1 太陽光発電モジュール設置概要

モジュールA
傾斜角
モジュール表面方位角
熱電対取付位置
日射計取付位置
その他

モジュールB
30度

モジュールC

真南向き
左下部・中央部・右上部
左下部

左下部

――

光触媒塗布→東B

C

西←―

概要図
A1

日射計
右上セル熱電対中央セル熱電対
左下セル熱電対図 1 太陽光発電モジュール設置状況

図 2 熱電対・日射計取り付け位置

2.3 実測方法 太陽光パネルを部分的に日射遮蔽した際の、遮蔽面積と発電効率の関係について
太陽光モジュールに、人為的に日影を落とし、日射遮蔽の種類・範囲・面積と、その際の発電効率との関係を解析する。日射遮蔽については、以下の 2 通りの方法で遮蔽する。
実測 3-1 ゴムシートを直接貼付して、全天日射を遮蔽
実測 3-2 白シートを用いて、直達日射のみ遮蔽
モジュール B を部分的に日射遮蔽し、モジュール A を比較対象用として用いる。
表 2 実測 3 測定条件

測定項目
セル温度
発電量
遮蔽範囲・面積モジュール表面温度
モジュール面日射量
モジュール直達日射遮蔽面日射量

測定機器
熱電対
IVトレーサー―サーモカメラ
日射計(モジュールA)
日射計(モジュールB)

モジュールA(比較対象用)

測定間隔
10秒間隔
――
―
10秒間隔
10秒間隔

モジュールB(日射遮蔽用)

IVトレーサー

図 3 実測 3 概要図

図 4 ゴムシート遮蔽の様子

図 5 白シート遮蔽の様子2

表 3 日射遮蔽パターン
実測3-1

全天日射遮蔽

実測3-2

直達日射遮蔽

座標軸の取り方
654Y3211

パターンA22X

3456

789(X1～9－Y1～3)

パターンD1(X1～9－Y1～6)

パターンA3(X1～9－Y1)

パターンD2(X1～9－Y1～3)

パターンA4(X1/3－Y1～6)

パターンA4(X1/2－Y1～6)

パターンD4(X1～3－Y1～6)

パターンA4(X2/3－Y1～6)

パターンD5(X1～3－Y1～3)

パターンA4(X1－Y1～6)

パターンA5

パターンD3(X1～4－Y1～3)

3(X1～9－Y1)

3 太陽光パネルを全天日射遮蔽した際の、遮蔽面積と発電効率の関係について
3.1 電流・電圧特性による発電系統の見極め
電流・電圧特性により、パターン A2 では系統 1(上部 1/3 系統)のみ、パターン A3 では系統 1・2(上部 2/3 系統)のみ、パターン A5 では系統 1(上部 1/3 系統)のみ発電することがわかった。
・パターン A 210系統19系統2停止

8系統3停止電流(A)765411時09分

3211時12分

111時14分

0051015202530電圧(V)

図 6 パターン A2 電流・電圧特性と発電系統
・パターン A310系統19系統2系統3停止

8電流(A)

7654

11時20分

311時22分

211時23分

10051015202530電圧(V)

図 7 パターン A3 電流・電圧特性と発電系統
・パターン A510系統19系統2停止

8系統3停止電流(A)765412時54分

3212時56分

112時58分

0051015202530電圧(V)

図 8 パターン A5 電流・電圧特性と発電系統

43.2 パターン A4 における遮蔽面積と発電停止の関係パターン A4 において、X1/3－Y1～6 遮蔽、X1/2－Y1～6 遮蔽、X2/3－Y1～6 遮蔽の場合、全系統で発電し、X1－Y1～6 遮蔽の場合、全系統で発電が停止することがわかった。
・X1/3－Y1～6 遮蔽
10系統19系統2系統3X1/3-Y1～68電流(A)76543210051015202530電圧(V)

図 9 X1/3－Y1～6 遮蔽 電流・電圧特性
・X1/2－Y1～6 遮蔽
10系統19系統2系統3X1/2-Y1～68電流(A)76543210051015202530電圧(V)

図 10 X1/2－Y1～6 遮蔽 電流・電圧特性
・X2/3－Y1～6 遮蔽10系統19系統2系統3X2/3-Y1～68電流(A)76543210051015202530電圧(V)

図 11 X2/3－Y1～6 遮蔽 電流・電圧特性
・X1－Y1～6 遮蔽10系統19系統2系統3X1-Y1～68電流(A)76543210051015202530電圧(V)

図 12 X1～Y1～6 遮蔽 電流・電圧特性

53.3 部分発電系統における発電効率
パターン A2、A3、A5 において、一部系統のみ発電している場合の部分発電効率は、全系統が発電している場合の発電効率に比べ、低下していることがわかった。部分発電効率の低下は、発電系統におけるセル温度上昇によるものと考えられる。発電停止系統数が多いほど、発電系統におけるセル温度上昇の割合が大きく、部分発電効率低下の割合も大きいことがわかった。
・パターン A22018

発電効率(%)

1614121086420

11:09

11:12

11:14

全系統の発電効率

15.34

13.14

13.57

系統1の発電効率

11.35

9.60

10.34

図 13 パターン A2 系統 1(上部 1/3 系統)の部分発電効率

系統 1 のみ発電・パターン A32018

発電効率(%)

1614121086420

11:20

11:22

11:23

全系統の発電効率

13.64

13.77

12.82

系統1・2の発電効率

12.86

12.83

11.85

図 14 パターン A3 系統 1・2(上部 2/3 系統)の部分発電効率

系統 1・2 のみ発電・パターン A52018

発電効率(%)

161412108642012:54

12:56

12:58

全系統の発電効率

13.2513.52

19.03

系統1の発電効率

9.39

9.70

13.94

図 15 パターン A5 系統 1(上部 1/3 系統)の部分発電効率

系統 1 のみ発電

5.0

1063.59

セル温度変化(K)

発電効率低下(P)4.084.26

4.5

3.5
3.02.52.0

420-2-4-6

1.5-80.90

1.0-10パターンA2パターンA3

発電系統のセル温度変化

4.6

0.9

9.2

停止系統のセル温度変化-8.4-0.6-7.8

0.50.0

パターンA2パターンA3パターンA5

図 16 パターン A2・A3・A5パターンA5

図 17 発電系統と発電停止系統のセル温度変化

部分発電による発電効率低下

63.4 パターン A4 における遮蔽面積と出力比の関係
パターン A4 において、X1/3－Y1～6 遮蔽で出力 80.49%、X1/2－Y1～6 遮蔽で出力 60.66%、X2/3－Y1～6 遮蔽で出力 35.27%、X1－Y1～6 遮蔽で出力 0%となり、遮蔽面積が大きくなるにつれて、出力比が低下することがわかった。遮蔽面積率と出力比に関する 2 次回帰式は、

で100908070605040302010010080.499080

60.66

y = -0.9244x2 - 1.8964x + 100
R² = 0.999970

出力比(%)

出力比(%)

表すことができ、X0.848－Y1～6(遮蔽面積率 9.43%)で出力比が 0%となり、発電が停止することがわかった。

35.2760504030

X1/3-Y1～6

X1/2-Y1～6

X2/3-Y1～60.00

20

X1-Y1～6100012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

遮蔽面積率(%)

図 18 パターン A4 出力比

図 19 遮蔽面積率と出力比の回帰式

4 太陽光パネルを直達日射遮蔽した際の、遮蔽面積と発電効率の関係について
4.1 パターン D1 における日射量比と出力比の関係
パターン D1 において、直達日射を遮るのみではセルは発電を停止しないことがわかった。また、日射量比 30.55%に対して、出力比 26.35%であり、日射量と発電量には比例関係がみられず、日射量比に対して出力比の減少の割合が大きいことがわかった。
40
日射量比、出力比(%)

3530252015105014:01

14:0314:05

日射量比28.9130.74

32.01

出力比

24.1726.7728.12

図 20 パターン D1 日射量比と出力比①1009080

出力比(%)

7060504030201000102030405060708090

日射量比(%)

図 21 パターン D1 日射量比と出力比②71004.2 同一遮蔽面積における発電効率の比較
同一遮蔽面積であるパターン D3 とパターン D5 の比較により、複数の系統にまたがって遮蔽されると、複数の系統の抵抗が上がり、発電効率低下の割合が大きくなることがわかった。
1210発電効率低下(P)

86420

1回目

2回目

パターンD35.304.01

3回目
6.74

パターンD55.375.79

10.28

パターン D3パターン D5

図 22 同一遮蔽面積における発電効率低下
4.3 遮蔽面積率・日射遮蔽率と発電量減少率の関係
部分遮蔽したパターン D2～D5 において、遮蔽面積率に対して発電量減少率が大きいことがわかった。また、遮蔽面積率に対する発電量減少率は、1 系統遮蔽(パターン D3)、2 系統遮蔽(パターン D2、D5)、3 系統遮蔽(パターンD4)の順に大きくなっており、影のまたがる系統数が多いほど、発電量減少の割合が大きくなると考えられる。ま10010090908080

発電量減少率(%)

発電量減少率(%)

た、日射遮蔽率に対する発電量減少率についても同様のことがいえた。

7060

パターンD150

パターンD240

パターンD330706050

1系統遮蔽(パターンD3)402系統遮蔽(パターンD2、D5)3020

パターンD420

3系統遮蔽(パターンD4)

10

パターンD510線形(2系統遮蔽)

000102030

405060708090

1000102030

遮蔽面積率(%)

50607080

90100

遮蔽面積率(%)

図 23 遮蔽面積率と発電量減少率

図 24 遮蔽系統別の遮蔽面積率と発電量減少率

10010090908080

発電量減少率(%)

発電量減少率(%)

407060

パターンD150

パターンD240

パターンD330706050

1系統遮蔽(パターンD3)402系統遮蔽(パターンD2、D5)3020

パターンD420

3系統遮蔽(パターンD4)

10

パターンD510線形(2系統遮蔽)

0001020304050607080901000

日射遮蔽率(%)

102030405060708090100

日射遮蔽率(%)

図 25 日射遮蔽率と発電量減少率

図 26 遮蔽系統別の日射遮蔽率と発電量減少率

8

5 今後の展望・日影が、太陽光パネルの複数の系統にまたがって落ちないように、太陽光パネルの設置場所、周りの障害物の位置を調整する必要がある。
式の定義

発電効率(%) =発電量(W )モジュール面日射量 (W / m 2 )  モジュール面積 (m 2 ) 100

遮蔽面積率(%) =｛遮蔽面積(m 2 ) / モジュール全面積(m 2 )｝ 100

部分発電効率 (%) =発電系統発電効率 (W )
 100
モジュール面日射量 (W / m2 )  発電系統面積 (m2 )式1式2式3出力比(%) =｛遮蔽あり発電量 (W ) / 遮蔽なし発電量 (W )｝ 100

式4

日射遮蔽率(%) =｛1 − (遮蔽モジュール面日射 量(W ) / モジュール面日射量 (W ))｝
100

式5

日射量比(%) =｛遮蔽ありモジュール面 日射量(W )｝ 100
遮蔽なしモジュール面 日射量(W )式6遮蔽あり発電量 (W )｝ 100
遮蔽なし発電量 (W )式7

発電量減少率(%) =｛1 −以上9