太陽光発電システムの構成と動作原理
太陽光発電システムの構成と動作原理
太陽光発電（PV）システムは主に、PVモジュール、コントローラー、インバータ、バッテリー、およびその他のアクセサリ（並網システムではバッテリーは不要）で構成されています。公共の電力網に依存するかどうかにより、PVシステムは独立型と並網型に分類されます。独立型システムは、電力網に依存せずに単独で動作します。安定したシステム供給を確保するためにエネルギーストレージ用バッテリーを装備しており、日中や長期間の曇天や雨天時に太陽光発電が不足しても負荷に対して電力を提供することができます。
システムタイプに関わらず、動作原理は同じです：PVモジュールは直射日光を直流（DC）電力に変換し、インバータによって交流（AC）に変換され、消費または並網が可能になります。
1. 太陽光発電（PV）モジュール
PVモジュールは、発電システム全体の核心的な部品です。個々のPVセルを組み合わせて作られ、レーザーやワイヤーカット機械を使用して異なるサイズに切断されます。単一の太陽電池の出力電圧と電流は非常に低いため、まず複数のセルを直列に接続して高い電圧を達成し、その後並列に接続して電流を増加させます。組み立てには逆流防止ダイオード（逆流を防ぐため）が含まれ、ステンレス鋼、アルミニウム、または非金属材料製のフレームに封入されます。前面には強化ガラス、背面にはバックシートを使用し、窒素ガスで満たされ、気密に密封されます。複数のPVモジュールを直列および並列に接続してPVアレイ（ソーラーアレイとも呼ばれる）を形成します。
動作原理：太陽光が太陽電池の半導体p-n接合部に当たると、電子-正孔対が生成されます。p-n接合部の電界の影響下で、正孔はp領域へ、電子はn領域へ移動します。回路が閉じると電流が流れます。PVモジュールの主な機能は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換し、バッテリーに蓄えるか、または直接電気負荷に供給することです。
PVモジュールの種類：
単結晶シリコン：効率 ≈ 18%、最大24% — 全てのPVタイプの中で最も高い。通常、強化ガラスと防水樹脂でカプセル化され、耐久性があり長期使用が可能です（寿命は最大25年）。
多結晶シリコン：効率 ≈ 14%。単結晶シリコンと同様の製造プロセスですが、効率が低く、コストも低いです。また、製造が簡単でエネルギー消費が少なく、生産コストも低いため、広く採用されています。
非晶質シリコン（薄膜）：効率 ≈ 10%。完全に異なる薄膜プロセスで製造され、最小限のシリコンとエネルギーを必要とします。主な利点は、低照度条件での性能が良いことです。
2. コントローラー（独立型システムで使用）
太陽光充電コントローラーは、バッテリーの過充電と過放電を自動的に防止する装置です。高速CPUマイクロプロセッサと高精度A/Dコンバータを搭載し、マイクロコンピュータベースのデータ収集および監視制御システムとして機能します。リアルタイムの運転データを迅速に収集し、システム状態を監視し、履歴データを保存することで、システム設計と部品の信頼性評価に正確かつ十分な情報を提供します。また、複数のPVサブステーションの集中管理と遠隔制御をサポートします。
3. インバータ
インバータは、太陽パネルで生成された直流電力を交流電力に変換し、標準的な交流電力器具と互換性を持つようにします。PVインバータは主要なバランス・オブ・システム（BOS）部品であり、最大電力点追跡（MPPT）や島嶼保護などの特殊な機能を含んでいます。
太陽光インバータの種類：
スタンドアロンインバータ：独立型システムで使用されます。PVアレイがバッテリーを充電し、インバータはバッテリーから直流電力を引き出して交流負荷に供給します。多くのスタンドアロンインバータには、交流電力を使ってバッテリーを再充電する内蔵バッテリーチャージャーが含まれています。これらのインバータは電力網に接続されておらず、島嶼保護は必要ありません。
並網インバータ：交流電力を電力網に戻します。その出力波形は、電力網の位相、周波数、電圧と一致しなければなりません。安全上の理由から、電力網が遮断された場合に自動的にシャットダウンします。電力網障害時にはバックアップ電力を提供しません。
バッテリーバックアップインバータ：バッテリーを主電源として使用し、それらを充電するチャージャーを含む特別なインバータです。余剰電力は電力網に戻すことができます。電力網障害時には指定された回路に交流電力を供給することができ、そのため島嶼保護が含まれています。
4. バッテリー（並網システムでは不要）
バッテリーはPVシステムのエネルギー貯蔵ユニットです。一般的なタイプには、密閉型鉛蓄電池、開放型鉛蓄電池、ゼル型、ニッケルカドミウムアルカリ蓄電池があります。密閉型鉛蓄電池とゼル型が最も広く使用されています。
動作原理：昼間、太陽光がPVモジュールに当たり、直流電圧を生成し、光を電気に変換します。この電力はコントローラーに送られ、過充電を防ぎ、必要なときに使用するためにバッテリーに蓄えられます。
