JP2013113797A

JP2013113797A - 太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システム

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Publication number: JP2013113797A
Application number: JP2011262551A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ukaji; 正明宇梶; Taiichi Kawaraguchi; 泰一瓦口
Original assignee: ARCHITECH CONSULTING CO Ltd
Current assignee: ARCHITECH CONSULTING CO Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-10

Abstract

【課題】日影損失によって発電量が低下したことを迅速且つ確実に評価し、日影損失が発生した際のユーザの経済的損失を最小限に抑制する。
【解決手段】本発明は、太陽光発電アレイ１と、太陽光発電アレイ１に取り付けられる魚眼カメラ２と、少なくとも異なる二つの時点に前記魚眼カメラにより撮影された各全天画像から天空域と日射遮蔽物とのエッジを画像処理によりそれぞれ検出するエッジ検出手段１１と、エッジ検出手段１１により検出された各エッジに基づき前記少なくとも異なる二つの時点における斜面日射量をそれぞれ算出する斜面日射量算出手段１２と、して機能するＣＰＵ７と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池を利用して太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換する発電方式である太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムに関するものである。

最近、原子力発電に対する不信感の高まりや、二酸化炭素の排出による地球温暖化現象に対する危機感の高まりに伴い、安全でクリーンなエネルギーの供給源として太陽電池を利用した太陽光発電システムが注目されている。

一般に、従来の太陽光発電システムは、建物の屋上等に専用架台を介して複数の太陽光発電モジュール（太陽電池）を並設し、該太陽光発電モジュールが太陽の光エネルギーを受けて発電した直流電力を、パワーコンディショナにより電力会社と同じ交流電力に変換し、建物内に電力を供給する。その一方、余剰電力は電力会社に買い取ってもらい、不足電力は電力会社から供給されるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３３２７５１号公報

しかしながら、上記した従来の太陽光発電システムは、図１０に示すように、太陽光発電モジュールの経年劣化や汚れなどのシステム側の要因によって発電量が低下するおそれがある一方、太陽光発電モジュールを設置後に、周囲に太陽光を遮蔽する高層建物などが建設されたり、樹木が成長したりして日陰の面積が増大する日影損失によっても発電量が低下するおそれがある。

通常、前記システム側の要因による発電量の低下は、太陽光発電システムの設計時にある程度予想が付くため、予めユーザに説明して理解を得られることができる。しかしながら、前記日影損失による発電量の低下は、太陽光発電システムの設計時に予想するのが困難なため、その状況が発生した後、大幅に発電量が減少したことをユーザが気付くまで、長期間に渡って判明しない場合が多く、ユーザ側に予想外の経済的損失を与えるおそれがあり、ユーザとの間で補償問題に発展するおそれもある。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、日影損失によって発電量が低下したことを迅速且つ確実に評価し、日影損失が発生した際のユーザの経済的損失を最小限に抑制することのできる太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムを提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するため、本発明に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムは、太陽光発電アレイと、該太陽光発電アレイに取り付けられる魚眼カメラと、少なくとも異なる二つの時点に前記魚眼カメラにより撮影された各全天画像から天空域と日射遮蔽物とのエッジを画像処理によりそれぞれ検出するエッジ検出手段として機能するＣＰＵと、を備えていることを特徴とする。

この特徴によれば、エッジ検出手段が検出した少なくとも異なる二つの時点におけるエッジを、ユーザが比較し、両エッジ間に変化があるかどうかを目視で判断することによって、日影損失により発電量が低下したかどうかを評価することができるため、日影損失が発生した際のユーザの経済的損失を最小限に抑制することができる。

また、本発明に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムにおいて、前記ＣＰＵは、前記エッジ検出手段により検出された各エッジに基づき前記少なくとも異なる二つの時点における斜面日射量をそれぞれ算出する斜面日射量算出手段としてさらに機能することを特徴とする。

この特徴によれば、エッジ検出手段が検出した少なくとも異なる二つの時点におけるエッジに基づきエッジ斜面日射量算出手段が算出したそれぞれの時点における斜面日射量を比較することにより、日影損失が発生したかどうかをより迅速且つ確実に把握し、評価することができるため、日影損失が発生した際のユーザの経済的損失を最小限に抑制することができる。

また、本発明に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムにおいて、前記ＣＰＵは、前記エッジ検出手段により新たに検出されたエッジを、その直前に前記エッジ検出手段により検出された過去のエッジと比較し、両エッジ間に変化があるかどうかを判断するエッジ比較手段としてさらに機能し、該エッジ比較手段が前記両エッジ間に変化があると判断した場合に、前記斜面日射量算出手段に対して前記両エッジに基づき前記斜面日射量を算出するよう指令することを特徴とする。

この特徴によれば、エッジ比較手段が前記両エッジ間に変化があると判断した場合に、前記斜面日射量算出手段に対して前記両エッジに基づき前記斜面日射量を算出するよう指令することにより、少なくとも異なる二つの時点における斜面日射量を迅速且つ確実に算出することができ、日影損失が発生したかどうかをより迅速且つより確実に把握し、評価することができる。

本発明によれば、少なくとも異なる二つの時点に魚眼カメラで撮影した全天画像からエッジ検出手段でエッジをそれぞれ検出し、これらの少なくとも異なる二つの時点におけるエッジを、ユーザが比較し、これらのエッジ間に変化があるかどうかを目視で判断することができる。したがって、太陽光発電アレイを設置後に、周囲に太陽光を遮蔽する高層ビルが建設されたり、樹木が成長したりして日影損失が発生した場合には、その状況を迅速且つ確実に把握し、評価することができ、日影損失が発生した際のユーザの経済的損失を最小限に抑制することができる。

また、このように日影損失を迅速且つ確実に把握し、評価できるシステムを構築することにより、太陽光発電システムにおいて日影損失が発生した際にユーザが被る損失を補填する太陽光発電量保険を新たに作ることができ、新たなビジネスチャンスを生み出すことができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの魚眼カメラで撮影した全天画像を示す魚眼写真である。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの魚眼カメラで撮影した全天画像から検出したエッジを示す図である。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの魚眼カメラで撮影した別の全天画像を示す魚眼写真である。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの魚眼カメラで撮影した別の全天画像から検出したエッジを示す図である。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの日射量算出方法を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの直達日射量算出方法を示す図である。本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの天空日射量算出方法を示す図である。太陽光発電システムの発電量と運転年数との関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

図１に示されているように、本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムは、太陽光発電アレイ１と、太陽光発電アレイ１に取り付けられる魚眼カメラ２と、インターネット回線等の通信回線を介して魚眼カメラ２に接続されるサーバー３と、サーバー３に接続されるコンピュータ４と、を備えて構成されている。

太陽光発電アレイ１は、例えば建物の屋根５に専用架台（図示省略）を介して固定される複数（図示では８個）の太陽光発電モジュール（太陽電池）６が並設されることにより構成されている。

魚眼カメラ２は、例えば画角１８０°の魚眼レンズ１０付きのデジタルカメラで等距離射影方式のものであり、固定雲台（図示省略）を介して太陽光発電アレイ１に取り付けられる。

コンピュータ４は、コンピュータ４の各構成手段を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）７と、ＣＰＵ７が実行するプログラムや各種データを一時的に記憶するためのメモリ８と、入力装置９と、表示装置１０と、を備えて構成されている。

ＣＰＵ７は、魚眼カメラ２により撮影された全天画像から天空域と日射遮蔽物とのエッジを画像処理により検出するエッジ検出手段１１と、エッジ検出手段１１により検出されたエッジに基づき斜面日射量を算出する斜面日射量算出手段１２と、エッジ検出手段１１により新たに検出されたエッジをその直前にエッジ検出手段１１により検出された過去のエッジと比較して両エッジ間に変化があるかどうかを判断するエッジ比較手段１３と、して機能するように構成されている。

入力装置９としては、例えば、マウス、タッチパネル等のポインティングデバイスや、キーボード等が使用され、また、表示装置１０としては、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等が使用される。

次に、図面を参照しつつ、上記した構成を備えた太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムの動作を示すフローチャートである。

先ず、図２のＳ１及び図３に示すように、基準となる全天画像２１を魚眼カメラ２で撮影し、この全天画像２１を魚眼カメラ２側からの操作によりサーバー３に格納する。また、コンピュータ４のＣＰＵ７がエッジ検出手段１１として機能し、図２のＳ２及び図４に示すように、魚眼カメラ２で撮影した前記全天画像２１から天空域２２と日射遮蔽物２３とのエッジ２４を画像処理により検出し、この基準となるエッジ２４を示した画像２５をメモリ８に格納する。

なお、この時のエッジ２４の検出には、ゼロ交差法をベースに１次微分（勾配）の方向を予測するキャニー（Canny）法や、２次微分を利用するラプラシアン（Laplacian）による方法等、従来の公知の検出方法が利用可能である。

また、この時、天空域２２の画像が雲の影響などにより非連続的に明るさが変化し、エッジ２４の検出が困難な場合には、エッジ検出手段１１は、天候や時間帯の異なる複数の全天画像を足し合わせることにより平均的な全天画像２１を取得し、この平均的な全天画像２１からエッジ２４を検出することもできる。この場合には、エッジ検出手段１１によるエッジ２４の検出精度をより高めることができる。

その後、図２のＳ３及び図５に示すように、定期的に全天画像２６を魚眼カメラ２で撮影し、その都度、全天画像２６を魚眼カメラ２側からの操作によりサーバー３に格納する。また、ＣＰＵ７がエッジ検出手段１１として機能し、図２のＳ４及び図６に示すように、定期的に魚眼カメラ２で撮影した前記全天画像２６から天空域２７と日射遮蔽物２８とのエッジ２９を画像処理により検出し、このエッジ２９を示した画像３０をメモリ８に格納する。

なお、この時のエッジ２９の検出には、ゼロ交差法をベースに１次微分（勾配）の方向を予測するキャニー（Canny）法や、２次微分を利用するラプラシアン（Laplacian）による方法等、従来の公知の検出方法が利用可能である。

また、この時、天空域２７の画像が雲の影響などにより非連続的に明るさが変化し、エッジ２９の検出が困難な場合には、エッジ検出手段１１は、天候や時間帯の異なる全天画像を足し合わせることにより平均的な全天画像２６を取得し、この平均的な全天画像２６からエッジ２９を検出することもできる。この場合には、エッジ検出手段１１によるエッジ２９の検出精度をより高めることができる。

次いで、図２のＳ５に示すように、ＣＰＵ７はエッジ比較手段１３として機能し、エッジ検出手段１１が新たにエッジ２９を検出すると、その直前にエッジ検出手段１１が検出した過去のエッジ２４と比較し、図２のＳ６に示すように、両エッジ２４，２９間に変化があるかどうかを判断する。

この結果、例えば、図５に示すように新たに高層ビル３１が建設されたことによって新たなエッジ２９に過去のエッジ２４にはない突出した部分３２が存在したりすると、エッジ比較手段１３は前記両エッジ２４，２９間に変化があると判断し、その場合には、ＣＰＵ７は斜面日射量算出手段１２に対して前記各エッジ２４，２９に基づきそれぞれの斜面日射量を算出するよう指令する。

この指令を受けて、次のステップＳ７では、ＣＰＵ７が斜面日射量算出手段１２として機能し、気象観測で計測される水平面全天日射量から斜面日射量をそれぞれ算出する。この時の斜面日射量の算出には、IsotropicモデルやPerezモデルによる方法等、従来の公知の各種算出方法が利用可能である。

図７は従来のIsotropicモデルによる斜面日射量の計算フローを示すフローチャートである。この方法によれば、先ず、全天日射量Ｉ_Ｇを法線面直達日射量Ｉ_ｂと水平面天空日射量Ｉ_ｄに分離する。その後、図８に示すように、魚眼写真から日射遮蔽物３３を抽出し、魚眼写真の撮影時の方位角及び傾斜角から太陽の軌跡３４，３５，３６を求めた後、その軌跡から日照時間と太陽位置を求めて斜面直達日射量Ｉ_T,ｂの理論値を算出する。なお、この時の方位角及び傾斜角の値は太陽光発電アレイ１の施工図面より読み取るか、或いは現地を測定することにより取得する。

また、図９に示すように、魚眼写真から天空域３７を抽出し、魚眼写真の撮影時の方位角及び傾斜角から実天空域を求めた後、該実天空域から斜面一様天空日射量Ｉ_T,iの理論値を算出する。さらに、全天日射量Ｉ_Ｇから地表面日射量Ｉ_T,rの理論値を算出し、前記斜面直達日射量Ｉ_T,ｂの理論値と前記斜面一様天空日射量Ｉ_T,iの理論値と前記地表面日射量Ｉ_T,rの理論値とを合計して斜面日射量Ｉ_T,Gの理論値を算出する。

一方、前記ステップＳ６において、エッジ比較手段１３が前記両エッジ２４，２９間に変化がないと判断した場合に、前記ステップＳ３に戻り、以降の前記ステップＳ４〜Ｓ６を繰り返し、上記したように日影損失の監視を継続する。

このように上記した本発明の実施の形態に係る太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システムによれば、定期的に、魚眼カメラ２で全天画像２６を撮影すると共にエッジ検出手段１１でエッジを検出した上で、エッジ比較手段１３がエッジの変化を判断し、該エッジの変化前後の斜面日射量を斜面日射量算出手段１２が算出するように構成されているため、太陽光発電アレイ１を設置後に、周囲に太陽光を遮蔽する高層ビル３１が建設されたり、樹木が成長したりして日陰の面積が増大する日影損失が発生した場合には、その状況を迅速且つ確実に把握し、評価することができ、日影損失が発生した際のユーザの経済的損失を最小限に抑制することができる。また、このように日影損失を迅速且つ確実に把握し、評価できるシステムを構築することにより、太陽光発電システムにおいて日影損失が発生した際にユーザが被る損失を補填する太陽光発電量保険を新たに作ることができ、新たなビジネスチャンスを生み出すことができる。

なお、上記した本発明の実施の形態では、エッジ比較手段１３がエッジ間に変化があると判断した場合にのみ、斜面日射量算出手段１２が斜面日射量を算出するように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、エッジ検出手段１１がエッジを検出する度に該エッジに基づき斜面日射量算出手段１２が斜面日射量を算出するように構成してもよい。

また、ＣＰＵ７は、少なくともエッジ検出手段１１として機能すれば、ユーザが、エッジ検出手段１１により新たに検出されたエッジを、その直前にエッジ検出手段１１により検出された過去のエッジと比較し、両エッジ間に変化があるかどうかを目視で判断することによって、日影損失により発電量が低下したかどうかを評価することができるため、ＣＰＵ７は必ずしも斜面日射量算出手段１２やエッジ比較手段１３として機能しなくてもよい。

また、図２のフローチャートでは、斜面日射量算出手段１２が各エッジ２４，２９に基づき斜面日射量を算出してフローが終了となっているが、斜面日射量の算出後、各エッジ２４，２９に基づきそれぞれ算出した斜面日射量の差を算出したり、この斜面日射量の差が所定値又は所定割合を超えた場合にユーザが通報したりするように構成することもできる。

さらに、図１では、太陽光発電アレイ１の中央に１個の魚眼カメラ２を取り付けているが、これは単なる例示に過ぎず、魚眼カメラ２を太陽光発電アレイ１の複数箇所に取り付けてもよい。この場合、斜面日射量算出手段１２は、各魚眼カメラ２が撮影した複数箇所でそれぞれ斜面日射量の理論値を算出し、該各斜面日射量の理論値を積算することにより太陽光発電アレイ１全体の斜面日射量の理論値を算出するように構成することもできる。

さらに、上記した本発明の実施の形態の説明は、本発明の好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１太陽光発電アレイ
２魚眼カメラ
７ＣＰＵ
１１エッジ検出手段
１２斜面日射量算出手段
１３エッジ検出手段

Claims

太陽光発電アレイと、
該太陽光発電アレイに取り付けられる魚眼カメラと、
少なくとも異なる二つの時点に前記魚眼カメラにより撮影された各全天画像から天空域と日射遮蔽物とのエッジを画像処理によりそれぞれ検出するエッジ検出手段として機能するＣＰＵと、
を備えていることを特徴とする太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システム。
前記ＣＰＵは、前記エッジ検出手段により検出された各エッジに基づき前記少なくとも異なる二つの時点における斜面日射量をそれぞれ算出する斜面日射量算出手段としてさらに機能することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システム。
前記ＣＰＵは、前記エッジ検出手段により新たに検出されたエッジを、その直前に前記エッジ検出手段により検出された過去のエッジと比較し、両エッジ間に変化があるかどうかを判断するエッジ比較手段としてさらに機能し、該エッジ比較手段が前記両エッジ間に変化があると判断した場合に、前記斜面日射量算出手段に対して前記両エッジに基づき前記斜面日射量を算出するよう指令することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムにおける日射量の日影損失評価システム。