ソーラーPVシステム設計・設置のエキスパートガイド

ソーラーPVシステムの設計と設置

現代社会では、工業製造、暖房、輸送、農業、照明など、さまざまな日常用途でエネルギーが必要です。私たちのエネルギー需要の大半は、石炭、原油、天然ガスなどの非再生可能エネルギー源によって賄われてきました。しかし、こうした資源の利用は環境に大きな影響を与えています。

また、この形態のエネルギー資源は地球上に均等に分布していません。原油のケースのように生産と埋蔵量からの採掘に依存するため、市場価格の不確実性があります。非再生可能資源の限られた可用性により、近年再生可能エネルギー源への需要が高まっています。

太陽エネルギーは、再生可能エネルギー源の面から見ると中心的な注目を集めています。豊富な形で容易に利用可能であり、地球全体のエネルギー需要を満たす潜在能力があります。図1に示すスタンドアロンPVシステムは、電力会社に依存しないエネルギー需要充足のアプローチの1つです。以下では、電力生成のためのスタンドアロンPVシステムの計画、設計、設置について簡単に説明します。

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スタンドアロンPVシステムの計画

サイト評価、調査、太陽エネルギー資源評価：

PVシステムの出力は時間と地理的位置によって大きく変動するため、スタンドアロンPV設置に適したサイトの適切な選定が極めて重要です。したがって、設置場所の評価と選定には以下の点を考慮する必要があります。

1. 最小限の日陰： 選定サイト（屋根または地上）に日陰がないこと、または太陽放射を遮る構造物がないことを確認。また、設置周辺で近い将来に日陰を生じさせる構造物建設の予定がないことも確認。
2. 表面積： PV設置を予定しているサイトの表面積を把握し、必要な電力出力を生成するために必要なパネルのサイズと枚数を推定。これにより、インバーター、コンバーター、バッテリーバンクの設置計画も立てやすくなります。
3. 屋根： 屋根設置の場合、屋根の種類と構造を把握する必要があります。傾斜屋根の場合、傾斜角を知り、太陽放射の入射を最大化するため（理想的には放射角がPVパネルに垂直、実質的には90度に近い）、必要なマウントを使用します。
4. ルート： インバーター、バッテリーバンク、チャージコントローラー、PVアレイからのケーブルルートを、ケーブル使用量を最小限に抑え、ケーブル電圧降下を低減するように計画。設計者はシステムの効率とコストのバランスを取る必要があります。

選定サイトの太陽エネルギー評価を行い、出力電力を推定することは最も重要です。日射量は、単位面積あたりの単位時間における太陽エネルギー受光量として定義されます。ピラノメータを使用してこのデータを取得できますが、必須ではありません。最寄りの気象台で日射量データを入手できます。太陽エネルギー評価では、データを以下の2通りで測定できます：

• キロワット時/平方メートル/日（kWh/m²/日）： 1日あたり1平方メートルに降り注ぐキロワット時単位のエネルギー量。
• 日照ピーク時間（PSH）： 1日のうち、照射強度が平均1000 W/m²となる時間数。

ピーク日照時間は計算を簡略化するため最も一般的に使用されます。「平均日照時間」と「ピーク日照時間」を気象台から収集したデータで混同しないでください。「平均日照時間」は日照があった時間数を示し、「ピーク日照時間」はkWh/m²/日単位の実際の受光エネルギー量です。1年間の全月の中で最も低い平均日射量値を使用すると、不適切な気象条件で日照が最も少ないときでもシステムがより確実に動作することを保証できます。

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スタンドアロンPVシステムの考慮事項

エネルギー需要の計算

スタンドアロンPVシステムのサイズは負荷需要に依存します。負荷とその動作時間は機器によって異なるため、エネルギー需要計算時には特別な注意が必要です。負荷のエネルギー消費は、負荷の電力定格（W）に動作時間（時間）を乗じて求められます。単位はワット×時間、または単純にWhと表記されます。

エネルギー需要 ワット時 = 電力定格 ワット × 動作時間 時間

したがって、1日の総エネルギー需要（Wh）は、各機器の1日あたりの個別負荷需要を合計して計算されます。

総エネルギー需要 ワット時 = Σ（電力定格 ワット × 動作時間 時間）

システムは最悪のシナリオ、つまりエネルギー需要が最大となる日向けに設計すべきです。最大需要向けに設計されたシステムは、最小需要も満たします。しかし、最大需要向けに設計するとシステム全体のコストが増加します。一方、システムがフル活用されるのは最大需要時のみです。したがって、コストとシステム信頼性のバランスを取る必要があります。

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インバーター＆コンバーター（チャージコントローラー）定格

適切なインバーターを選択するには、入力・出力電圧と電流定格の両方を指定する必要があります。インバーターの出力電圧はシステム負荷によって指定され、負荷電流とバッテリーバンクからの電流を処理できる必要があります。システムに接続される総負荷に基づいて、インバーター電力定格を指定できます。

ここでは2.5 kVAを考慮します。負荷を運転する電力より20-30%高い電力処理能力を持つインバーターを市場から選択すべきです。モータ負荷の場合、その電力需要の3-5倍以上の定格が必要です。コンバーターの場合、チャージコントローラーは電流と電圧で定格されます。その電流定格は、PVモジュールの短絡電流定格を使用して計算されます。電圧値はバッテリーの公称電圧と同じです。

コンバーターとチャージコントローラーのサイジング

チャージコントローラー定格は、PVパネル短絡電流の125%であるべきです。つまり、ソーラーパネルの短絡電流より25%大きい必要があります。

ソーラーチャージコントローラーのサイズ（アンペア） = PV短絡電流 × 1.25（安全係数）

例として、システムに160Wソーラーパネルを6枚必要とする場合、PVモジュール仕様は以下の通り：

• P_M = 160 W_Peak
• V_M = 17.9 V_DC
• I_M = 8.9 A
• V_OC = 21.4 V（※原文ではAだが電圧の誤記と思われる）
• I_SC = 10 A

必要なソーラーチャージコントローラー定格 = (4枚 × 10 A) × 1.25 = 50 A

したがって、12V DCシステム構成には50Aチャージコントローラーが必要です。

注: この式はMPPTソーラーチャージャーには適用できません。ユーザーマニュアルを参照するか、ネームプレート定格データで適切なサイジングを確認してください。

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インバーターのサイジング

インバーターのサイズは、損失と効率問題により総負荷より25%大きくすべきです。つまり、ワット単位の総必要負荷の125%で定格すべきです。例えば、必要ワット数が2400Wの場合、インバーターのサイズは：

2400W × 125%

2400W × 1.25

3000ワット。

したがって、2400W負荷の場合、3kWのインバーターが必要です。

インバーターへの日次供給エネルギー

ここでは負荷による日次エネルギー消費を2700 Whと仮定します。インバーターには効率があるため、インバーターへの供給エネルギーは負荷使用エネルギーより多く、インバーター損失を補償する必要があります。ここでは90%効率と仮定すると、バッテリーからインバーター入力へ供給される総エネルギーは：

バッテリーからインバーター入力への供給エネルギー = 2700 / 0.90 = 3000 Wh/日

システム電圧

インバーター入力電圧をシステム電圧と呼びます。これは全体のバッテリーパック電圧でもあります。システム電圧は、選択した個々のバッテリー電圧、ライン電流、最大許容電圧降下、ケーブル電力損失によって決定されます。通常、バッテリー電圧は12Vなのでシステム電圧も12Vになります。より高電圧が必要な場合は12Vの倍数、つまり12V、24V、36Vなどになります。

電流を減らすことで、ケーブルの電力損失と電圧降下を低減できます。これはシステム電圧を上げることで可能です。これにより直列接続バッテリー数が増加します。したがって、電力損失とシステム電圧のバランスを取る必要があります。ここではシステム電圧24Vを考慮します。

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バッテリーのサイジング

バッテリーのサイジングでは以下のパラメータを考慮する必要があります：

1. バッテリーの放電深度（DOD）
2. バッテリーの電圧とアンペアアワー（Ah）容量
3. 自立日数（ソーラーパネルなしでフル日陰/雨天時にシステム全体を稼働させるために必要なバックアップ電力日数。次回記事で詳述）による必要Ah容量の算出

ここでは12V、100Ah、DOD 70%のバッテリーを想定します。したがって、使用可能容量は 100 Ah × 0.70 = 70 Ah。したがって、必要充電容量は以下のように決定されます：

必要充電容量 = バッテリーからインバーター入力/システム電圧への供給エネルギー

必要充電容量 = 3000 Wh / 24 V = 125 Ah

これにより、必要バッテリー数は以下のように計算できます：

必要バッテリー数 = 必要充電容量 / (100 × 0.7)

必要バッテリー数 = 125 Ah / (100 × 0.7) = 1.78（切り上げ2個）

したがって、12V、100Ahバッテリー2個が必要です。切り上げにより125Ahではなく140Ahが必要になります。

必要充電容量 = 2 × 100Ah × 0.7 = 140 Ah

したがって、上記充電容量を満たすために2個の12V、100Ahバッテリーを並列接続。しかし個々のバッテリーは12V、100Ahのみで、システム電圧要件は24Vなので、図2のように2個のバッテリーを直列接続して24Vシステム電圧を得る必要があります：

したがって、合計4個の12V、100Ahバッテリーが必要です。2個直列と2個並列の組み合わせです。

また、必要バッテリー容量は以下の式でも求められます：

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PVアレイのサイジング

市場にはさまざまなサイズのPVモジュールがあり、異なるレベルの出力電力を生成します。PVアレイのサイジングを決定する最も一般的な方法の1つは、最低平均日射量（ピーク日照時間）を使用する方法です：

PVアレイ総サイズ（W） = （負荷の1日あたりエネルギー需要（Wh） / T_PH） × 1.25

ここでT_PHは、年間の月ごとの最低日平均ピーク日照時間、1.25はスケーリングファクターです。これにより必要なPVモジュール数N_modulesは：

N_modules = PVアレイ総サイズ（W） / 選択パネルのピークワット定格

ここでは負荷が3000 Wh/日とします。必要なソーラーパネル総ピークワット容量を知るため、PFG係数（Panel Generation Factor）を使用：

PVパネル総ピークワット容量 = 3000 / 3.2（PFG）

= 931 W_Peak

必要PVパネル数 = 931 / 160W = 5.8

したがって、160W定格のソーラーパネル6枚が必要です。W_Peakを100W、120W、150Wなど他の定格で割ることで、入手可能性に基づいて正確な必要枚数を算出できます。

注: PFG（パネル発電係数）の値は地域によって異なります（気候と温度変化による）。例：米国PFG = 3.22、EU = 2.93、タイ = 3.43など。

さらに、正確なパネル発電係数（PGF）を求めるため、以下の追加損失を考慮する必要があります：

• 太陽光がソーラーパネルに垂直に当たらない（5%）
• 最大電力点でエネルギーを受信しない（MPPTチャージコントローラーの場合は除外）（10%）
• ソーラーパネルの汚れ（5%）
• PVパネルの経年劣化と仕様未満（10%）
• 25°C以上の温度（15%）

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ケーブルのサイジング

ケーブルのサイジングは、最大電流容量など多くの要因に依存します。最小電圧降下と最小抵抗損失を持つ必要があります。ケーブルは屋外環境に設置されるため、耐水性と耐紫外線性が必要です。

ケーブルは通常2%未満の最小電圧降下でなければなりません。低電圧システムでは電圧降下が問題になるためです。ケーブルの過小サイジングはエネルギー損失を招き、場合によっては事故につながります。一方、過大サイジングは経済的ではありません。ケーブルの断面積は以下で求められます：

A = (ρ × I_M × L / V_D) × 2

ここで：

• ρは導体材料の抵抗率（オーム・メートル）
• Lはケーブル長
• V_Dは最大許容電圧降下
• I_Mはケーブルが流す最大電流

また、ケーブル・ワイヤーサイズ計算機も使用できます。適切なサイズのサーキットブレーカーと定格プラグ・スイッチも使用してください。

上記例の解決例を示します。

例：

以下の電気負荷（ワット）があり、12V、120Wソーラーパネルシステムの設計と設置が必要とします：

• 40W LEDランプ、1日12時間使用
• 80W冷蔵庫、1日8時間使用
• 60W DCファン、1日6時間使用

必要なソーラーパネル数、チャージコントローラー定格とサイズ、インバーター、バッテリーなどを求めます。

総負荷の算出

1日あたり総負荷（Wh/日）

= (40W × 12時間) + (80W × 8時間) + (60W × 6時間)

= 1480 Wh/日

ソーラーパネルシステムに必要なワット数

= 1480 Wh × 1.3 …（システム内エネルギー損失用係数1.3）

= 1924 Wh/日

ソーラーパネルのサイズと枚数の算出

ソーラーパネルのW_Peak容量

= 1924 Wh / 3.2

= 601.25 W_Peak

必要ソーラーパネル数

= 601.25 / 120W

ソーラーパネル数 = 5枚

このように、120Wのソーラーパネル5枚で負荷要件を賄えます。

インバーターの定格とサイズの算出

システムにAC負荷のみが特定時間存在し（バッテリーに直接接続される追加・直流DC負荷なし）、総必要ワット数は：

= 40W + 80W + 60W

= 180W

インバーター定格は、インバーター損失により総負荷より25%大きくすべきです：

= 180W × 1.25

インバーター定格・サイズ = 225 W

バッテリーのサイズ、定格、個数の算出

負荷ワット数と動作時間（時間）

= (40W × 12時間) + (80W × 8時間) + (60W × 6時間)

ディープサイクルバッテリー公称電圧 = 12V

必要自立日数（ソーラーパネル電力なしでバッテリーのみで稼働）= 2日

[(40W × 12時間) + (80W × 8時間) + (60W × 6時間) / (0.85 × 0.6 × 12V)] × 2日

必要バッテリー容量（アンペアアワー） = 483.6 Ah

したがって、2日間の自立のために12V 500Ahバッテリー容量が必要です。

この場合、12V、125Ahのバッテリー4個を並列接続して使用できます。

入手可能なバッテリー容量が175Ah、12Vの場合、3個使用可能です。必要バッテリー容量（Ah）を入手可能なバッテリーAh定格で割ることで、正確な必要バッテリー数が得られます。

必要バッテリー数 = 必要バッテリー容量（Ah） / 入手可能バッテリーAh定格

• 関連記事: バッテリー充電時間と充電電流の公式（120Ahバッテリーの例付き）

ソーラーチャージコントローラーの定格とサイズの算出

チャージコントローラーは、ソーラーパネル短絡電流より125%（または25%大きい）であるべきです。

ソーラーチャージコントローラーのサイズ（アンペア） = PV短絡電流 × 1.25

PVモジュール仕様：

• P_M = 120 W_Peak
• V_M = 15.9 V_DC
• I_M = 7.5 A
• V_OC = 19.4 V（※原文ではAだが電圧の誤記と思われる）
• I_SC = 8.8 A

必要なソーラーチャージコントローラー定格 = (5枚 × 8.8 A) × 1.25 = 44 A

最寄りの定格である45Aのチャージコントローラーを使用できます。

この方法ではMPPTソーラーチャージャーの正確なサイズは求められません。メーカー提供のユーザーマニュアルを参照するか、印刷されたネームプレート定格を見てください。

ケーブル、ブレーカー、スイッチ、プラグのアンペア容量の算出

以下のツールと解説記事（チャート付き）を使用して、ワイヤー・ケーブル、スイッチ・プラグ、サーキットブレーカーの正確なアンペア定格を求めてください。

• ケーブルワイヤーサイズ計算機、またはアンペア容量を用いた適切なワイヤーサイズの求め方
• スイッチ・プラグのアンペア定格の求め方
• サーキットブレーカーの適切なサイズと定格の求め方

結論

スタンドアロンPVシステムは、太陽のすぐそこにある環境に優しいエネルギーを利用する優れた方法です。その設計と設置は、小規模、中規模、大規模なエネルギー需要に対して便利で信頼性が高いです。このようなシステムは、特に遠隔地において、世界中のほぼあらゆる場所で電気を利用可能にします。エネルギー消費者を電力会社や石炭、天然ガスなどの他のエネルギー源から独立させます。

このようなシステムは環境に悪影響を与えず、設置後長期間エネルギーを供給できます。上記の体系的な設計と設置は、現代社会におけるクリーンで持続可能なエネルギーへの需要に対する有用なガイドラインを提供します。

• 著者: M. Phansopkar
• 更新: Electrical Technology