スタンドアロンソーラーPVシステムの設計と設置方法？

ソーラーPVシステムの設計と設置

現代社会は、産業、暖房、輸送、農業などの日常的な需要にエネルギーを必要とし、主に非再生可能なエネルギー源（石炭、石油、ガス）によって満たされています。しかし、これらのエネルギー源は環境への悪影響があり、分布が不均一で、限られた資源による価格の変動性があります。そのため、再生可能エネルギーに対する需要が高まっています。

太陽エネルギーは豊富であり、世界の需要を満たすことができます。スタンドアロンPVシステム（図1）は、電力会社からの独立性を提供します。以下では、発電のために計画、設計、設置を行う概要を示します。

スタンドアロンPVシステムの計画
サイト評価と調査：

• 日陰の最小化：設置場所（屋上または地面）が日陰の構造物から離れており、将来的な建設が太陽放射を遮らないことを確認します。

• 面積：サイトの面積を決定して、PVパネルの数やサイズを推定し、インバータ、コンバータ、バッテリバンクの配置を計画します。

• 屋上の考慮事項：傾斜のある屋根の場合、傾斜角度を確認し、適切なマウントを使用して太陽光の入射を最大化します（理想的にはパネルに対して垂直）。

• ケーブルルーティング：ケーブル（インバータ、バッテリバンク、充電コントローラ、PVアレイを接続するもの）のルートを計画し、ケーブルの使用量と電圧降下を最小限に抑え、効率とコストのバランスを取ります。

太陽エネルギー資源評価：

• 日照データ：測定または気象観測所から取得した太陽エネルギーの受領量を、kWh/m²/日または日間ピークサン時間（PSH、平均照度1000 W/m²の時間）で表します。

• 主要指標：単純な計算にはPSHを使用します（「平均日照時間」と区別してください。「平均日照時間」は期間を反映するものであり、エネルギーではありません）。システムの信頼性を確保するために、最も低い月間平均日照量を採用します。

スタンドアロンPVシステムに関する考慮事項
1. エネルギー需要の計算

システムの規模は負荷需要により決定され、以下の式で計算されます：

• 日間エネルギー需要 (Wh) = 家電製品の消費電力（ワット） × 日間稼働時間の合計。

• 最も高い日間需要を使用して、信頼性とコストのバランスを取る（ピーク使用時に動作を確保しますが、これはシステムコストを増加させます）。

2. インバータと充電コントローラのサイズ設定

• インバータ：総負荷の1.25倍以上の定格。
  例：2400Wの負荷に対して、3000Wのインバータ（2400W × 1.25）が必要です。

• 充電コントローラ：電流定格 = PVパネルのショートサーキット電流の125%（安全係数）。
  例：ショートサーキット電流10Aの4枚のパネルには、50Aのコントローラ（4 × 10A × 1.25）が必要です。
  注：MPPTコントローラはメーカー仕様に従います。

3. インバータへの日間エネルギー

インバータの効率（例：90%）を考慮します：

• バッテリーからインバータに供給されるエネルギー = 総負荷エネルギー / 効率。
  例：2700Whの負荷 → バッテリーからの3000Wh（2700 / 0.9）。

4. システム電圧

バッテリーの電圧（通常12V、24Vなど）によって決定され、高い電圧はケーブル損失を減らします。例：24Vシステム。

5. バッテリーのサイズ設定

主要パラメータ：放電深度（DOD）、自律日数、システム電圧。

• 使用可能な容量 = バッテリーAh × DOD。

• 必要な充電容量 = バッテリーからのエネルギー / システム電圧。
  例：24Vシステムでバッテリーからの3000Wh → 125Ahが必要。

• 12V、100Ahのバッテリー（DOD 70%）の場合：

• バッテリーの数 = 125Ah / (100Ah × 0.7) ≈ 2（切り上げ）。

• 2つのバッテリーを直列に接続して24Vのシステム電圧を達成します。

したがって、合計で12V、100Ahのバッテリーが4つあり、そのうち2つを直列に接続し、残りの2つを並列に接続します。また、必要なバッテリー容量は以下の式で求められます。

PVアレイのサイズ設定

• PVアレイの総容量（W）：最低の日間ピークサン時間（またはパネル発電係数、PFG）と日間エネルギー需要を使用して計算します：
  総W_peak = (日間エネルギー需要 (Wh) / PFG) × 1.25（損失のためのスケーリング係数）。

• モジュール数：総W_peakを単一パネルの定格出力（例：160W）で割ります。

  例：3000Whの日間需要とPFG = 3.2の場合、総W_peak = 3000 / 3.2 ≈ 931W。160Wのパネルを使用すると、6枚のモジュールが必要です（931 / 160 ≈ 5.8、切り上げ）。

• 損失因子（PFGの調整に使用）：太陽光角度（5%）、最大電力点以外（10%、MPPTでは除外）、汚れ（5%）、劣化（10%）、高温（>25°C、15%）。

ケーブルのサイズ設定

• 主要な考慮事項：電流容量、最小電圧降下（<2%）、抵抗損失、耐候性（防水/UV保護）。

• 断面積の公式：
  A = (ρ × Im × L / VD) × 2
  （ρ = 比抵抗、Im = 最大電流、L = ケーブル長さ、VD = 許容電圧降下）。

• バランス：過小設計（エネルギー損失/事故）または過大設計（コスト効率が悪い）を避ける。適切なブレーカーとコネクタを使用します。