太陽光発電システムを設計および設置する方法は？

太陽光発電システムの設計と設置

今日、現代の世界では、工業生産、暖房、輸送、農業、稲妻などのさまざまな日常業務にエネルギーが必要です。通常、私たちのエネルギー需要のほとんどは、石炭、原油、天然ガスなどの再生不可能なエネルギー源。しかし、そのような資源の利用は、私たちの環境に大きな影響を与えています。

また、この形式のエネルギー資源は地球上に均一に分散されていません。原油の場合のように、生産と埋蔵量からの抽出に依存するため、市場価格には不確実性があります。再生不可能な資源の入手可能性が限られているため、近年、再生可能な資源の需要が高まっています。

再生可能エネルギー源に関しては、太陽エネルギーが注目されています。豊富な形ですぐに入手でき、地球全体のエネルギー要件を満たす可能性があります。図1に示すソーラースタンドアロンPVシステムは、ユーティリティに依存しないエネルギー需要を満たすためのアプローチの1つです。したがって、以下では、発電用のスタンドアロンPVシステムの計画、設計、および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

サイトの評価、測量、太陽エネルギー資源の評価：

PVシステムによって生成される出力は、時間と地理的な場所によって大幅に異なるため、スタンドアロンのPV設置用のサイトを適切に選択することが最も重要になります。したがって、設置場所の評価と選択には、次の点を考慮する必要があります。

1. 最小シェード： 屋上または地上の選択した場所に日よけがないこと、または設置するパネルに当たる日射を遮る構造がないことを確認する必要があります。また、シェーディングの問題を引き起こす可能性のある、設置の周囲に構造的な構造物がすぐにないことを確認してください。
2. 表面積： 負荷に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数を見積もるために、PVの設置が意図されているサイトの表面積を知る必要があります。これは、インバーター、変換器、バッテリーバンクの設置を計画するのにも役立ちます。
3. 屋上： 屋上設置の場合、屋根のタイプとその構造を知る必要があります。傾斜屋根の場合、傾斜角度を把握し、必要な取り付けを使用して、パネルに日射の入射を増やす必要があります。つまり、放射角度はPVパネルに垂直で、実質的に90度に近い必要があります。 。
4. ルート： インバーター、バッテリーバンク、充電コントローラー、およびPVアレイからのケーブルの可能なルートは、ケーブルの使用率を最小限に抑え、ケーブルの電圧降下を低くする方法で計画する必要があります。設計者は、システムの効率とコストのどちらかを選択する必要があります。

出力電力を見積もるには、選択したサイトの太陽エネルギー評価が最も重要です。日射量は、特定の地域で一定期間に受けた太陽エネルギーの測定値として定義されます。このデータは日射計を使用して見つけることができますが、最寄りの気象観測所で日射量データを見つけることができるため、必須ではありません。太陽エネルギーを評価している間、データは次の2つの方法で測定できます。

• 1日1平方メートルあたりのキロワット時（KWh / m ² /日）： これは、キロワット時で測定されたエネルギーの量であり、1日あたり平方メートルになります。
• 毎日のピーク日照時間（PSH）： 放射照度が平均1000W/ m ² になる1日の時間数 。

ピークサンアワーは、計算を簡素化するため、最も一般的に使用されます。 「平均日照時間」と混同しないでください 」と「ピークサンアワー 」は、気象観測所から収集します。 「平均日照時間」は日照時間が何時間であったかを示します。「ピーク日照時間」は実際に受け取ったエネルギー量をKWh/m ² で表したものです。 /日。ある期間のすべての月の中で、日射量の平均値を最低値で使用します。これにより、不適切な気象条件が原因で太陽が最も少ないときに、システムがより信頼性の高い方法で動作するようになります。

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スタンドアロンPVシステムに関する考慮事項

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、負荷需要によって異なります。負荷とその動作時間はアプライアンスによって異なるため、エネルギー需要の計算時には特別な注意を払う必要があります。負荷のエネルギー消費量は、負荷の電力定格（W）にその動作時間数を掛けることによって決定できます。したがって、単位はワット×時間または単にWhと書くことができます。

エネルギー需要ワット時=電力定格（ワット）×稼働時間（時間）

したがって、Wh単位の1日の総エネルギー需要は、1日あたりの各アプライアンスの個々の負荷需要を加算することによって計算されます。

総エネルギー需要ワット時=∑（電力定格（ワット）×稼働時間（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も高い日のために設計する必要があります。最高の需要に合わせて設計されたシステムは、システムの信頼性を確保します。システムがピーク負荷需要を満たしている場合、システムは最低需要を満たします。ただし、最も需要の高いシステムを設計すると、システムの全体的なコストが増加します。一方、システムはピーク負荷需要時にのみ完全に利用されます。そのため、システムのコストと信頼性のどちらかを選択する必要があります。

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インバーターとコンバーター（充電コントローラー）の評価

適切なインバータを選択するには、入力と出力の両方の電圧と電流定格を指定する必要があります。インバータ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バンクから引き出される電流を処理できる必要があります。システムに接続されている総負荷に基づいて、インバータの電力定格を指定できます。

この場合、2.5 kVAを考えてみましょう。したがって、負荷を実行する電力よりも20〜30％大きいサイズの電力処理能力を持つインバーターを市場から選択する必要があります。モーター負荷の場合、それはそのような電気器具の電力需要より3-5倍高くなければなりません。コンバーターの場合、充電コントローラーは電流と電圧で定格が定められています。その定格電流は、PVモジュールの短絡電流定格を使用して計算されます。電圧の値は、バッテリーの公称電圧と同じです。

コンバーターと充電コントローラーのサイズ設定

充電コントローラーの定格は、太陽光発電パネルの短絡電流の125％である必要があります。つまり、ソーラーパネルの短絡電流よりも25％大きくする必要があります。

アンペア単位のソーラー充電コントローラーのサイズ=PVの短絡電流×1.25（安全率）。

たとえば、システムには160Wのソーラーパネルごとに6つの数字が必要です。以下はPVパネルの関連日です。

PVモジュールの仕様が次のとおりであるとします。

• P _M =160W_ピーク
• V _M =17.9 V _DC
• I _M =8.9 A
• V _OC =21.4 A
• I _SC =10 A

ソーラー充電コントローラーの必要な定格は=（4パネルx 10 A）x 1.25 =50 A

現在、12VDCシステム構成には50Aの充電コントローラーが必要です。

注：この式は、MPPTソーラー充電器には適用されません。適切なサイズについては、ユーザーマニュアルを参照するか、銘板のデータ評価を確認してください。

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インバーターのサイズ設定

インバーターの損失と効率の問題により、インバーターのサイズは総負荷より25％大きくする必要があります。つまり、必要な総負荷（ワット）の125％の定格である必要があります。たとえば、必要なワット数が2400Wの場合、インバータのサイズは次のようになります。

2400W x 125％

2400W x 1.25

3000ワット。

したがって、2400Wの負荷の場合、3kWのインバーターが必要です。

インバーターに供給される毎日のエネルギー

この場合、負荷による1日のエネルギー消費量は2700Whであると考えてみましょう。インバーターには効率があることに注意してください。したがって、インバーターに供給されるエネルギーは、負荷によって使用されるエネルギーよりも多くなければなりません。これにより、インバーターの損失を補償できます。この場合の効率を90％とすると、バッテリーからインバーターに供給される総エネルギーは次のようになります。

バッテリーからインバーター入力に供給されるエネルギー=2700 / 0.90 =3000Wh/日。

システム電圧

インバータの入力電圧はシステム電圧と呼ばれます。これは、バッテリーパック全体の電圧でもあります。このシステム電圧は、選択した個々のバッテリ電圧、ライン電流、最大許容電圧降下、およびケーブルの電力損失によって決まります。通常、バッテリーの電圧は12 Vなので、システム電圧になります。ただし、より高い電圧が必要な場合は、12 Vの倍数にする必要があります。つまり、12 V、24 V、36Vなどです。

電流を減らすことにより、ケーブルの電力損失と電圧降下を減らすことができます。これは、システム電圧を上げることによって行うことができます。これにより、シリーズのバッテリーの数が増えます。したがって、電力損失とシステム電圧のどちらかを選択する必要があります。ここで、この場合、24Vのシステム電圧を考えてみましょう。

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バッテリーのサイズ設定

バッテリーのサイズを決定する際には、次のようにいくつかのパラメーター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時（Ah）容量。
3. 自律日数（完全な日陰や雨の場合にソーラーパネルなしでシステム全体（バックアップ電源）に電力を供給するのに必要な日数です。この部分については、次の記事で説明します）。必要なAh容量のバッテリーを入手してください。

12 V、100 Ah、DOD 70％のバッテリーがあるとしましょう。したがって、の使用可能容量は100Ah×0.70=70Ahです。したがって、必要な充電容量は次のように決定されます。

必要な充電容量=バッテリーからインバーター入力/システム電圧に供給されるエネルギー

必要な充電容量=3000 Wh / 24 V =125 Ah

これから、必要なバッテリーの数は次のように計算できます;

いいえ。必要なバッテリーの数=必要な充電容量/（100×0.7）

いいえ。必要なバッテリーの数=125Ah /（100×0.7）=1.78（2つのバッテリーを四捨五入）

したがって、12 V、100Ahのバッテリーが2つ必要です。ただし、四捨五入のため、125Ahではなく140Ahが必要です。

必要な充電容量=2×100Ah×0.7=140 Ah

したがって、上記の充電容量を満たすために、2つの12 V、100Ahバッテリーを並列に接続します。ただし、個々のバッテリーは12 V、100 Ahのみであり、システム電圧要件は24 Vであるため、下の図2に示すように、システム電圧を24 Vにするには、2つのバッテリーを直列に接続する必要があります。

つまり、合計で4つのバッテリーがあります。 12 V、100 Ah 2つは直列に接続され、2つは並列に接続されています。

また、必要なバッテリー容量は次の式で求められます。

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PVアレイのサイズ設定

市場で入手可能なPVモジュールのサイズが異なると、出力電力のレベルも異なります。 PVアレイのサイズを決定する最も一般的な方法の1つは、次のように、日射量のピーク時に最低の1日平均日射量（日射量）を使用することです。

PVアレイの合計サイズ（W）=（負荷の1日あたりのエネルギー需要（Wh）/ T _PH ）×1.25

ここでT _PH は1年あたりの1か月の最低日平均ピーク日照時間であり、1.25はスケーリング係数です。これにより、PVモジュールの数N_{モジュール} 必要なものは次のように決定できます;

N_{モジュール} =PVアレイの合計サイズ（W）/選択したパネルの定格（ピークワット）。

この場合、負荷が1日あたり3000Whであるとします。必要な合計W_ピークを知るには ソーラーパネルの容量については、PFG係数を使用します。

合計W_ピーク 太陽光発電パネルの容量=3000/ 3.2（PFG）

=931W_ピーク

これで、必要なPVパネルの数は=931 / 160W=5.8になります。

このように、それぞれ定格160Wのソーラーパネルが6枚必要です。 W _Peak を割ると、ソーラーパネルの正確な数を知ることができます。 可用性に基づいて、他の評価（100W、120W 150Wなど）による。

注 ： PFG（パネル生成係数）の値 地域によって（気候と気温の変化により）変化します。たとえば、米国のPFG =3.22、EU =293、タイ=3.43などです。

さらに、正確なパネル生成係数（PGF）を見つけるには、追加の損失を考慮する必要があります。これらの損失（％）は、次の理由で発生します：

• 太陽光がソーラーパネルに真っ直ぐ当たらない（5％）
• 最大電力点でエネルギーを受け取らない（MPPT充電コントローラーの場合を除く）。 （10％）
• ソーラーパネルの汚れ（5％）
• PVパネルの経年劣化と仕様以下（10％）
• 25°C（15％）を超える温度

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ケーブルのサイズ設定

ケーブルのサイズは、最大電流容量などの多くの要因によって異なります。電圧降下が最小で、抵抗損失が最小である必要があります。ケーブルは屋外環境に配置されるため、耐水性と紫外線性が必要です。

低電圧システムでは電圧降下の問題があるため、ケーブルは通常2％未満の最小電圧降下で動作する必要があります。ケーブルのサイズが小さすぎると、エネルギーが失われ、事故につながることもあります。一方、オーバーサイズは経済的に手頃な価格ではありません。ケーブルの断面積は次のように与えられます;

A =（ρI _M L / V _D ）×2

場所

• ρは導線材料の抵抗率（抵抗計）です。
• Lはケーブルの長さです。
• V _D は最大許容電圧降下です。
• I _M はケーブルによって運ばれる最大電流です。

さらに、このケーブルとワイヤのサイズ計算機を使用できます。また、適切なサイズの回路ブレーカーと定格のプラグおよびスイッチを使用してください。

上記の例の解決済みの例を見てみましょう。

例：

12V、120Wのソーラーパネルシステムの設計と設置が必要な場合に、ワット単位で次の電気負荷があるとします。

• 40WのLEDランプで1日12時間。
• 1日8時間80Wの冷蔵庫。
• 1日6時間の60WのDCファン。

では、ソーラーパネルの数、充電コントローラー、インバーター、バッテリーなどの定格とサイズを調べましょう。

総負荷を見つける

総負荷（Wh/日）

=（40W x 12時間）+（80W x 8時間）+（60W x 6時間）

=1480Wh/日

ソーラーパネルシステムに必要なワット数

=1480 Wh x 1.3…（1.3はシステムで失われるエネルギーに使用される係数です）

=1924Wh/日

ソーラーパネルのサイズと数を見つける

W_ピーク ソーラーパネルの容量

=1924 Wh /3.2

=601.25W_ピーク

必要なソーラーパネルの数

=601.25 / 120W

ソーラーパネルの数=5つのソーラーパネルモジュール

このようにして、それぞれ120Wの5枚のソーラーパネルで負荷要件を強化できます。

インバーターの定格とサイズを確認する

システムには特定の時間だけAC負荷があり（つまり、バッテリーに追加の直接DC負荷が接続されていない）、必要な合計ワット数は次のとおりです。

=40W + 80W + 60W

=180W

これで、インバーターの定格は、インバーターの損失により、総負荷より25％大きくなるはずです。

=180W x 2.5

インバーターの定格とサイズ=225 W

電池のサイズ、定格、数を確認する

負荷ワット数と稼働時間（時間単位）

=（40W x 12時間）+（80W x 8時間）+（60W x 6時間）

ディープサイクルバッテリーの公称電圧=12V

必要な自律日数（ソーラーパネル電源なしのバッテリーによる電力）=2日。

[（40W x 12時間）+（80W x 8時間）+（60W x 6時間）/（0.85 x 0.6 x 12V）]x2日

アンペア時のバッテリーの必要容量=483.6 Ah

このように、2日間の自律性のために12V500Ahのバッテリー容量が必要です。

この場合、並列に接続された12 V、125Ahのバッテリーをそれぞれ4個使用できます。

使用可能なバッテリー容量が175Ah、12 Vの場合、3個のバッテリーを使用できます。 アンペア時のバッテリーの必要容量を使用可能なバッテリーのAh定格で割ることにより、正確なバッテリー数を取得できます。

必要な電池数 =アンペア時のバッテリーの必要容量/使用可能なバッテリーのAh定格

• 関連記事：バッテリーの充電時間と充電電流の計算式（120Ahバッテリーの例を使用）

ソーラー充電コントローラーの定格とサイズを見つける

充電コントローラーは、ソーラーパネルの短絡電流より125％（または25％大きい）にする必要があります。

アンペア単位のソーラー充電コントローラーのサイズ=PVの短絡電流×1.25

PVモジュールの仕様

• P _M =120W_ピーク
• V _M =15.9 V _DC
• I _M =7.5 A
• V _OC =19.4 A
• I _SC =8.8 A

ソーラー充電コントローラーの必要な定格は=（5パネルx 8.8 A）x 1.25 =44 A

したがって、次に近い定格充電コントローラーである45Aを使用できます。

この方法では、MPPTソーラー充電器の正確なサイズを見つけることはできません。メーカーが提供するユーザーマニュアルを参照するか、それに印刷されている銘板の評価を参照してください。

ケーブル、CB、スイッチ、プラグの電流容量を見つける

次のツールとチャート付きの説明記事を使用して、ワイヤとケーブル、スイッチとプラグ、および回路ブレーカーの正確な定格電流を見つけてください。

• ケーブルワイヤサイズ計算機または電流容量のある適切なワイヤサイズを見つける方法。
• スイッチとプラグの定格電流を確認する
• 回路ブレーカーの適切なサイズと定格を見つけます。

結論

スタンドアロンのPVシステムは、すぐに利用できる環境に優しい太陽エネルギーを利用するための優れた方法です。その設計と設置は、小規模、中規模、および大規模のエネルギー要件に対して便利で信頼性があります。このようなシステムにより、世界中のほぼどこでも、特に遠隔地で電気を利用できるようになります。これにより、エネルギー消費者は、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します。

このようなシステムは、環境に悪影響を与えることはなく、設置後も長期間にわたってエネルギーを供給することができます。上記の体系的な設計と設置は、現代世界におけるクリーンで持続可能なエネルギーの必要性に役立つガイドラインを提供します。

• 作成者：M。Phansopkar
• 更新者：電気技術