太陽光発電所：種類、構成要素、および動作原理

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フィールド: 電気操作

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太陽光発電所は、太陽エネルギーを利用して電力を生成するシステムです。これらは主に2つのタイプに分類できます：太陽光発電（PV）発電所と集中型太陽熱発電（CSP）発電所。太陽光発電発電所は、ソーラーセルを使用して直射日光を直接電力に変換します。一方、集中型太陽熱発電発電所では、鏡やレンズを使用して日光を集約し、タービンやエンジンを駆動する流体を加熱します。この記事では、両タイプの太陽光発電所の構成要素、レイアウト、動作方法、およびその利点と欠点について説明します。

太陽光発電所とは？

太陽光発電所は、大規模なPVシステムで、グリッドに接続され、太陽放射から大量の電力を生産するように設計されています。太陽光発電所は以下のコンポーネントで構成されています：

ソーラーモジュール: これらはPVシステムの基本単位です。太陽光を電気に変換するためのソーラーセルで構成されています。ソーラーセルは通常、フォトンを吸収し電子を放出する半導体材料であるシリコンで作られています。電子は回路を通って流れ、電流を作り出します。ソーラーモジュールは、シリーズ、パラレル、またはシリーズパラレルなど、システムの電圧と電流の要件に応じて異なる構成で配置できます。
マウント構造: これらはソーラーモジュールをサポートし、向きを調整するフレームやラックです。固定式または可動式にすることができます。固定式マウント構造は安価でシンプルですが、太陽の動きを追跡せず、システムの出力を減少させる可能性があります。可動式マウント構造は、太陽の位置を追跡しエネルギー生産を最適化することができます。手動または自動で制御精度が必要な程度に応じて調整可能です。
インバータ: これらのデバイスは、ソーラーモジュールによって生成された直流（DC）を交流（AC）に変換し、グリッドに供給したり、AC負荷で使用したりすることができます。
インバータは中央インバータとマイクロインバータの2種類に分類できます。中央インバータは、複数のソーラーモジュールまたはアレイに接続し、単一のAC出力を提供する大型ユニットです。マイクロインバータは、各ソーラーモジュールまたはパネルに接続し、個別のAC出力を提供する小型ユニットです。中央インバータは大規模システムに対してコスト効率が高く効率的ですが、マイクロインバータは小規模システムに対して柔軟性と信頼性が高いです。
充電コントローラ: これらのデバイスは、ソーラーモジュールまたはアレイの電圧と電流を調整し、バッテリーの過充電または過-放電を防ぎます。充電コントローラはパルス幅変調（PWM）コントローラと最大電力点追従（MPPT）コントローラの2種類に分類できます。PWMコントローラはシンプルで安価ですが、充電電流をオンオフすることで一部のエネルギーを浪費します。MPPTコントローラは複雑で高価ですが、ソーラーモジュールまたはアレイの最大電力点に電圧と電流を合わせてエネルギー出力を最適化します。
バッテリー: これらのデバイスは、ソーラーモジュールまたはアレイによって生成された余剰電力を、日光がない場合やグリッドがダウンしたときに後で使用するために蓄えることができます。バッテリーは鉛酸バッテリーとリチウムイオンバッテリーの2種類に分類できます。鉛酸バッテリーは安価で広く使用されていますが、エネルギー密度が低く寿命が短くメンテナンスが必要です。リチウムイオンバッテリーは高価で一般的ではありませんが、エネルギー密度が高く寿命が長くメンテナンスが少なくて済みます。
スイッチ: これらのデバイスは、ソーラーモジュール、インバータ、バッテリー、負荷、またはグリッドなどのシステムの異なる部分を接続または切断します。スイッチは必要に応じて手動または自動で操作できます。手動スイッチは人間の介入を必要としますが、自動スイッチは事前に定義された条件または信号に基づいて動作します。
メーター: これらのデバイスは、電圧、電流、電力、エネルギー、温度、または照度などのシステムの各種パラメータを測定および表示します。メーターはアナログまたはデジタルで、表示タイプと必要な精度によります。アナログメーターは針やダイヤルを使用して値を示しますが、デジタルメーターは数字やグラフを使用して値を示します。
ケーブル: これらはシステム内の異なるコンポーネント間で電力を伝送するワイヤーです。ケーブルはDCケーブルとACケーブルの2種類に分類できます。DCケーブルはソーラーモジュールからインバータまたはバッテリーへの直流を伝送し、ACケーブルはインバータからグリッドまたは負荷への交流を伝送します。

太陽光発電所のレイアウトは、サイト条件、システムサイズ、設計目標、グリッド要件など、いくつかの要素に依存します。しかし、典型的なレイアウトは発電部、送電部、配電部の3つの主要部分で構成されます。

発電部には、太陽光から電力を生成するソーラーモジュール、マウント構造、およびインバータが含まれています。

送電部には、発電部から配電部へ電力を伝送するケーブル、スイッチ、およびメーターが含まれています。

配電部には、電力を貯蔵または消費するバッテリー、充電コントローラ、および負荷が含まれています。

次の図は、太陽光発電所のレイアウトの一例を示しています：

太陽光発電所の運転は、天候条件、負荷需要、およびグリッド状況など、いくつかの要素に依存します。しかし、典型的な運転は充電モード、放電モード、およびグリッドタイモードの3つの主要モードで構成されます。

充電モードは、日光が余剰で負荷需要が低い場合に発生します。このモードでは、ソーラーモジュールは負荷よりも多くの電力を生成します。余剰電力は充電コントローラを通じてバッテリーに充電されます。

放電モードは、日光がなくまたは負荷需要が高い場合に発生します。このモードでは、ソーラーモジュールは負荷よりも少ない電力を生成します。不足する電力はインバータを通じてバッテリーから供給されます。

グリッドタイモードは、グリッドが利用可能で有利な料金設定がある場合に発生します。このモードでは、ソーラーモジュールが生成する電力はインバータを通じてグリッドに供給されます。

Stand Alone or Off Grid Solar Power Station

グリッドタイモードは、グリッド障害が発生しバックアップ電源が必要な場合にも発生します。このモードでは、ソーラーモジュールが生成する電力はインバータを通じて負荷に供給されます。

集中型太陽熱発電所とは？

集中型太陽熱発電所は、鏡やレンズを使用して日光を集約し、受光器を加熱して流体を駆動し、タービンやエンジンを介して電力を生成する大規模なCSPシステムです。集中型太陽熱発電所は以下のコンポーネントで構成されています：

コレクター: これらのデバイスは、反射または屈折して日光を受光器に集約します。コレクターはパラボラトロフ、パラボラディッシュ、線形フレネル反射板、および中央受光器の4種類に分類できます。パラボラトロフは曲面鏡で、焦点線上にある線形受光器チューブに日光を集約します。パラボラディッシュは凹面鏡で、焦点点にある点受光器に日光を集約します。線形フレネル反射板は平面鏡で、上にある線形受光器チューブに日光を反射します。中央受光器はヘリオスタットと呼ばれる平面鏡の配列に囲まれた塔で、塔の頂点にある点受光器に日光を反射します。
受光器: これらのデバイスは集約された日光を吸収し、熱伝達流体（HTF）に移します。受光器は外部受光器と内部受光器の2種類に分類できます。外部受光器は大気中に露出しており、対流や放射による熱損失が大きいです。内部受光器は真空チャンバー内に封入されており、絶縁と真空化による熱損失が少ないです。
熱伝達流体: これらの流体は受光器を通過し、コレクターからパワーブロックまでの熱を輸送します。熱伝達流体は熱流体と融解塩の2種類に分類できます。熱流体は合成油や炭化水素などの沸点が高く凝固点が低い有機液体です。融解塩はナトリウムニトレートやカリウムニトレートなどの熱容量が高く蒸気圧が低い無機化合物です。
パワーブロック: ここでは、タービンまたはエンジンとジェネレータを組み合わせて熱を電力に変換します。パワーブロックは蒸気サイクルとブレイトンサイクルの2種類に分類できます。蒸気サイクルは水をHTFとして使用し、蒸気を生成して電気ジェネレータに接続された蒸気タービンを駆動します。ブレイトンサイクルは空気をHTFとして使用し、高温の空気を生成して電気ジェネレータに接続されたガスタービンを駆動します。
貯蔵システム: ここでは、日光がない場合や負荷需要が高い場合に後で使用するために余剰の熱を貯蔵します。貯蔵システムは感覚熱貯蔵と潜熱貯蔵の2種類に分類できます。感覚熱貯蔵は岩、水、または融解塩などの材料を使用し、温度を上げることで熱を貯蔵します。潜熱貯蔵は相変化材料（PCM）または熱化学材料（TCM）などの材料を使用し、相や化学状態を変化させることで熱を貯蔵します。