太陽光発電蓄電システムの動作原理を理解するために、図1に沿ってモデルを組み立てました。必要な材料は、オンラインショップや近くの工具店で購入できます。改良を重ねることで、各コンポーネントの機能を段階的に理解しただけでなく、実用的な家庭用太陽光発電システムを構築し、さまざまなアプリケーションシナリオでのこのシステムの可能性を探ることができるようになりました。
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さまざまな資料を調べ、ソーラーパネルの設置に関連する多数のビデオを見た後、よりよく理解できるように、以下のシステムの概略図をまとめました。 システムは 4 つの部分に分けることができます。：
1 ソーラーパネル： ソーラーパネルは太陽光を電気に変換します。 直射日光にさらされると、太陽電池は直流電流を出力し続け、チャージコントローラーによって蓄電池に充電されます。
2 チャージコントローラー： 電流がソーラーパネルから流れ出した後、チャージコントローラーを通過してバッテリーに流れ込む必要があります。 その主な機能は、充電プロセスを制御し、バッテリーの過充電を防ぐことです。 12Vバッテリーを充電するコントローラーで、バッテリー電圧が14Vを超えるとコントローラーはバッテリーへの電流出力を停止します。 過放電を避けるためにバッテリーの放電を制御できるものもあります。 バッテリー電圧が約 10 ボルトに低下すると、充電コントローラーは電流の出力を停止します。 ほとんどの充電コントローラーには、小さな電力負荷を接続するための DC 出力ポートがあります。
3 バッテリー： このバッテリーは電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、貯蔵します。 一般的なのは車に使用される 12V または 24V の鉛酸バッテリーですが、ポータブル電源と呼ばれる高性能バッテリーもあり、そのほとんどは DC-AC インバーターを備えています。
4 DC-AC インバーター バッテリーからの DC 電源出力を、ほとんどの家庭用電化製品で使用できる 100V ～ 240V AC 電源に変換します。 これが家庭用太陽光発電システム構築の基本的な目標です。
このシステムの基本原理は、太陽光を電気エネルギーに変換してバッテリーに蓄え、必要に応じて蓄えた電気エネルギーをインバータを通して出力することです。 このタイプのエネルギー貯蔵システムを設計する場合、負荷によってどれだけ大きなバッテリーやソーラーパネルを購入する必要があるかが決まるため、最初に考慮するのはどれくらいの大きさの負荷を駆動するかということです。 この実験では、最小予算から開始し、負荷目標を 40 ワットに設定しました。
材料を一つずつ見ていきましょう。
ここで少しスペースを使って、各マテリアルを詳しく見てみましょう。
最も一般的な太陽電池の出力電圧は通常 12V で、発電能力の範囲は 5W ～ 200W です。 ニーズと設置場所の制約に応じて、適切なサイズを選択することが重要です。 25W バッテリーのパラメータは次のとおりです。
| 項 目 | 仕 様 | |
|---|---|---|
| 1 | 出 力 数 | 25W |
| 2 | MAX/ピーク電圧（VMP） | 18.0V |
| 3 | オーブン電圧（VOC） | 22.41V |
| 4 | 短絡電流 | 1.54A |
| 5 | MAX電流 | 1.4A |
| 6 | ISC温度係数 | （0.10+/-0.01）%/度 |
| 7 | VOC温度係数 | 0.38+/-0.01）%/度 |
| 8 | 使用できる環境温度 | -40℃-85℃ |
| 9 | 最大変換効率 | 23% |
太陽電池を選択する際は、まず必要なワット数を決定し、製品仕様書を参照して以下の項目に特に注意してください。
1 出力ワット数： この製品の出力電力は 25W です。 最大開回路電圧は 18.0V、最大電流は 1.54A であるため、最大電力は 18.0V × 1.54A、つまり 25.2W となります。 計算結果はスペックシートに近いものですが、実際には、最も理想的な照明条件下であっても、このソーラーパネルが 25W の電力を達成することはほぼ不可能です。 最も一般的な用途は、12V バッテリーの充電です。 12V バッテリーに接続した場合、最大電力は 12.0V x 1.54A = 18.48W ですが、これは小さな差ではありません。
この計算結果を検証するために、非常に強い直射日光の下で本製品が測定した最大電流値はわずか 1.23A であり、このときのバッテリー電圧は 13.2V で、実際の電力はわずか 16.1W です。 したがって、25Wの電力が必要な場合は、最大電流が少なくとも2Aのソーラーパネルが良いかもしれません
2 MAX/ピーク電圧（VMP）： バッテリーを充電する際にはバッテリーパネルの出力電圧とバッテリーの間に一定の電位差が必要で、この電位差を利用してバッテリーに電流が流れます。 上記の計算からもわかるように、電位差による電力損失も発生し、電位差が大きくなるほど電力損失も大きくなります。 充電制御システムの設計者は、最高の充電効率を達成するために最適な電位差を見つけるために多大な労力を費やします。 家庭用発電システムを構築するだけであれば、ここまで詳しく説明する必要はありませんが、MAX電圧（VMP）とバッテリーとの間には4～5Vの電位差があれば問題ありません。
5 MAX電流： 電流も電力を決定する要素であり、電流が大きいほど、ソーラー パネルの電力も大きくなります。 ただし、電流が増加すると、システムにはそれに応じてより大きなワイヤとスイッチが必要になることに注意することが重要です。 ワイヤが太くなると、システムのコストが増加するだけでなく、安全性の要件も増加します。 これについては、後のシステム拡張セクションで詳しく説明します。
9 変換率： 変換率は、ソーラー パネルが光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を示します。 上記のバッテリーパネルの変換率は 23% に達します。 時間の経過とともに、コンバージョン率は飛躍的に向上し続けます。 2023 年現在、ほとんどの太陽電池の変換率は一般に 21% ～ 23% であり、24% 以上に達する製品もあります。 これは、ソーラーパネルが入射太陽エネルギーの 21% ～ 23% を電気に変換し、残りの 77% ～ 79% を未使用のままにできることを意味します。 発電システムの効率にはさまざまな要因が影響するため、太陽光パネルを購入する際には変換率の高い製品を選ぶようにしましょう。
前述したように、充電コントローラーは太陽電池をバッテリーに接続します。 市販されているチャージコントローラーは、通常、制御方式によって PWM と MPPT の 2 つのカテゴリに分類されます。 予算の観点から見ると、PWM (Pulse Width Modulationパルス幅変調) の方が安価です (約 13 ドル)。 MPPT (Maximum Power Point Tracker最大電力点トラッカー) はより高価 (約 100 ドル) ですが、消費電力は低くなります。 省エネの観点からは、太陽光パネルで発電した電力を無駄にせず、できるだけ効率的に利用したいため、MPPTを選択するのが適切です。 ただし、小規模なシステムを構築する場合は、価格も重要な要素となることがよくあります。 したがって、小規模システムでは、PWM タイプも良い選択となります。
ショッピングサイトなどでは、PWM製品の品質が不安定だったり、使用直後にトラブルが発生したりするという意見が多く寄せられています。 したがって、選ぶ際にはコストパフォーマンスも考慮する必要があります。 安すぎる商品やレビューのない商品は、些細な値引き交渉で大きな損失を被らないように慎重に選ぶ必要があります。 これは、実験で購入したソーラーパネルに付属していたチャージコントローラーが数か月で壊れた時の教訓でもありました。
ほとんどの充電コントローラーの入力電圧は 12V または 24V です。 24Vを超える製品はほとんどないため、24Vを超えるシステムを構築または拡張する場合は、適合するチャージコントローラーが存在するかどうかを確認する必要があります。
バッテリーはエネルギー貯蔵システムの中核コンポーネントです。
個人レベル用太陽光発電システムの場合、最も一般的で、入手が容易で、最も費用対効果の高いバッテリーは、小型自動車用鉛蓄電池です。 これらのバッテリーの電圧は 12V、容量は通常 48Ah または 55Ah で、価格は安く、ほとんどが 100 ドル以内です。 近年、ポータブル電源という製品ががネット上に数多く登場しています。 これらの電池には通常、自動車用の鉛蓄電池に比べて数倍から数十倍の容量を持つリン酸鉄電池や三元系リチウムイオン電池が使用されています。 よりコンパクトで持ち運びが容易で、多くの場合、AC 電力を直接出力できるインバーターが内蔵されています。 見た目は完璧です。
ただし、見た目が完璧なだけに、このタイプの製品の最大の欠点は、高価で使える場面が限られていることです。価格は300ドルから始まり、高いものでは3,000ドルにもなります。この点について後ほど詳しく説明しますが、これほど高額な投資をしても、実際に役立つ場面がほとんど見当たらないのが現状です。
バッテリー容量に関しては、通常、仕様はAh（アンペア時）またはmAh（ミリアンペア時）で示されます。これらの単位の定義は、バッテリーの種類によって異なります。一般的には、私たちは蓄電システムがどれだけのキロワット時の電力を供給できるか、または高電力の負荷をどのくらいの時間動作させることができるかに関心があります。これらの質問に答えるためには、書店やウェブサイトから多くの情報を収集する必要があります。以下に要約します。
具体的な内容について詳しく説明する前に、まずAh（アンペア時）またはmAh（ミリアンペア時）の概念を理解し、その後にWh（ワット時）の概念を紹介します。最後にWh（ワット時）を使い、さまざまな一般的なバッテリーの容量と実際のワット数を見てみます。
Ah/mAh： 1Ahは、1時間の1アンペアの電流の電力を表します。そして、mAhはAhの1/1,000です。では、1アンペアの電流で1時間にどれだけの仕事ができるのでしょうか？この質問に答えるには、明らかに電圧を知る必要があります。12Vの電圧を出力し、1アンペアを出力して1時間動作する鉛蓄電池がある場合、電力は12V✖️1アンペア✖️1時間 = 12ワットです。言い換えれば、1アンペアの電流を継続的に出力すると、このバッテリーは1時間あたり0.012キロワット時の電力を供給します。
上記の例を通じて、バッテリー電圧とAh/mAhがエネルギー貯蔵容量に与える重要な影響を直感的に理解できます。これをよりよく理解するために、モバイルバッテリーと自転車用電源に注目してみましょう。5,000mAhモバイルバッテリーと8,000mAh自転車バッテリーを比較してください。5,000mAhと5,000mAhの2つの数値を比較すると、これら2つのバッテリーのエネルギー貯蔵能力に大きな違いはないようです。ただし、2つのバッテリーのサイズは大きく異なるため、非常に直感的ではありません。したがって、エネルギー貯蔵能力の違いを直感的に理解することは困難です。この問題を解決するには、電圧を調べて簡単な計算を行うことができます。
モバイルバッテリーのワット数 = 5,000mA x 3.7V x 1h = 18,500 mWh
自転車のバッテリーのワット数 = 8,000mA x 25.2V x 1h = 201,600 mWh
自転車のバッテリー/モバイルバッテリー = 201,600 / 18,500 = 10.9
結論: 自転車バッテリーのワット数はモバイルバッテリーのワット数のほぼ 11 倍であり、これは直感的な感覚と一致しています。
そのため、エネルギー貯蔵システムを構築する際には、バッテリーが提供するワット数に更に注意が払われ、バッテリー容量は電圧と電流の積であるmWhを使用して評価されます。
興味本位から、現在よく使われているいくつかの電池のmWhを収集してみました。以下に示す表ができました。
| バッテリーの種類 | ワット数(kWh) |
|---|---|
| 5,000mAhモバイルバッテリー | 5,000mAh, 3.7V ワット数0.0185kWh |
| 8Ahアシスト自転車用電池 | 8Ah, 25.2V ワット数0.2kWh |
| 小型自動車用 | 55Ah, 12V ワット数 0.66kWh |
| Toyota Prius 2017 Model駆動用 | 8.8 kWh |
| Tesla Model 3 用 | 50 - 75 kWh |
ほとんどのポータブル電源にはインバーターが内蔵されているため、すでにそのようなバッテリーを持っている場合は追加のインバーターを購入する必要はありません。
ポータブル電源がない場合は、バッテリーと併用するインバーターを別途購入する必要があります。インバーターはさまざまな用途に使用できます。低電力のものを購入すると、必ず役立つ時があり、無駄にはなりません。
ショッピングサイトでインバータを選ぶ際に注目すべきパラメータは主に2つあります。1つ目は電力（ワット数）、2つ目は出力波形（正弦波かどうか）です。
電力 電力に関しては、必要な電化製品の電力に合わせてインバーターを選択します。その際、電化製品の消費電力だけでなく、電化製品のピーク電力も考慮する必要があります。ほとんどのインバータは、通常は最大電力の3～5倍の短時間のピーク電力を許容します。
出力波形 インバータが出力する交流電力の出力波形は、矩形波と正弦波の2種類があります。送電網は正弦波です。交流電を使用する電化製品が正弦波入力用に設計されています。矩形波インバータは整流回路が不要なため安価です。電気毛布など、正弦波交流を必要とするすべての電化製品が影響を受けるわけではありませんが、扇風機など矩形波を使用する一部の機器では大きなノイズが発生し、テレビがまったく使用できなくなる場合があります。したがって、キャンプ中に電気毛布に電力を供給するためにのみインバーターを想定する場合は、低価格の矩形波インバーターを選択することでほとんどのニーズを満たすことができます。
これまでの調査結果に基づいて、以下の部品を購入しました。 実験の本来の目的が最小限の投資であることを考慮し、材料は最小限のものを選びました。
まずはバッテリーですが、車から交換した古いバッテリーを使用しており、容量は38Ah、電圧は12Vです。
ソーラーパネルは25Wのものを選びましたが、これは40ドル以下でチャージコントローラーも付属しています。
最終的に、300W インバーターを 100 ドル未満で購入しました。
注文してから発送を待つ数日間、組み立ての詳細を示すビデオをたくさん見ていました。材料が到着したら、説明書を見ながら問題なく組み立てを完了しました。その後、正常に発電し、すぐにバッテリーがフル充電されました。次に、インバーターを使って電気スタンドを点灯しました。
しかし、2ヶ月使用した後、ソーラーパネルに付属していたチャージコントローラーが壊れてしまいました。これにより、システムが数週間停止してしまいました。基板が壊れていることがわかり、それを確認した後、Amazonで新しいチャージコントローラーを購入しました。
したがって、実験には合計 170 ドルの費用がかかりました。 古いバッテリーの容量が少なくなってきたので、バッテリー補充液にさらに 1 ドルを費やしました。これにより、バッテリーの性能が大幅に向上しました。 太陽が明るいときは、60Wの負荷に同時に充電して接続し、2時間連続作業できます。
システムが適切に動作していることを確認した後、システムの機能を調べるために一連のテストを実行し、次の結果が得られました：
ソーラーパネルの最大出力電流最適な太陽光条件下では、最大で1.23A の出力電流を得られました。
ソーラーパネルの最大出力電力 最も理想的な条件下では、ソーラー パネルの最大出力電力は 17.9 W であることが観察されました。
発電能力に影響を与えるいくつかの重要な要素 1) 入射光がソーラーパネルに対して垂直でない場合、出力電流は最大値から 1.1A に低下し、直射日光の90％程度です。2) 太陽光にさらされてソーラーパネルの表面温度が高温になると、出力電流も同じように最大値の約90%の1.1Aまで低下します。 3) 曇りの日等に直射光が当たらない場合、出力電流は 0.2A 以下に低下します。 4) ソーラーパネルに木や電線などの影がある場合、出力電流は0.26Aとなります。
1)と2)の影響は大きくありませんが、3)と4)の影響は無視できません。
毎月の発電量 太陽光パネルが直射日光を受け、障害物がない環境でテストを続けます。古いバッテリーでも2～3日で満充電できますが、週に1〜2回、電動アシスト自転車バッテリーの充電にのみ使用しています。計算結果によると、このバッテリーは1回の充電で0.2キロワット時の電気を蓄えることができ、月に4〜6回充電することができます。総額は1キロワット時の電気代で約0.2ドルです。したがって、この計算に基づくと、システム費用を回収するには約850か月（約71年）かかります。
上記の実験結果に基づいて、暫定的に次の結論を導き出すことができます。 現状では、コスト回収の観点から見ても、経済的観点から家庭用太陽エネルギー貯蔵システムへの投資は難しい決断です。
小規模ソーラー蓄電システムは経済的に実行可能ではないかもしれませんが、価値がないわけではありません。 私の実験システムに関する限り、電動アシスト自転車のバッテリーの充電に加えて、チャージ コントローラーの USB ポートを使用して常夜灯を駆動したり、秋にはハロウィーンのカボチャ ランタンを接続しリチ、クリスマス ライトに電力を供給したりすることもできます。 これらの応用シナリオに基づいて、エネルギー貯蔵システムが実用的になるには、次の特性が必要であると私は考えています。
構成品を固定するシステムは固定された場所に設置されなければならず、風、雨、雪、氷などのさまざまな自然環境のテストに耐える必要があります。 頻繁に移動する必要がなく、電力がある限り稼働し、停電すると停止します。
ここでポータブル電源の問題を振り返ってみましょう。 ポータブル電源は、コンパクトなデザインで持ち運びが容易で、テクノロジーが満載のように見えますが、前述の議論によると、携帯性は実用的な価値と同じではありません。
災害時の電源として使用される蓄電システムであっても、日常にも活用されなければいけません。蓄電システムは、災害時にだけでなく日常生活でも役立つようにする必要があります。近年、ポータブル電源は防災グッズとして注目されています。例えば、災害が発生した直後は、携帯電話の充電が最も重要なニーズの一つです。乾電池やモバイルバッテリー、手回しラジオなどは実用的ですが、大容量のポータブル電源はより多くの保証を提供できます。しかし、高価なポータブル電源を購入した場合、災害時だけでなく日常生活でも活用したいと考える人が多いでしょう。
小規模な太陽光発電システムは、携帯電話の充電や常夜灯、ハロウィーンのランタン、クリスマスライト、あるいは屋根裏の換気扇に電力を供給するために使うことができます。これらの用途では、太陽光発電の価値がコストを上回ると感じられます。出力kWh以上のポータブル電源の使い方は次のトピックの課題に残します。
これまでの実験でソーラー蓄電システムの各部分の動作原理そして、実用性と経済性を理解しました、それでも個人で蓄電システムを構築したい時に、私が効果的だと考える実用的なアイデアをいくつか紹介します。
まず、あなたのローケーション あなたの位置における太陽光発電の可能性を知ることは、システム設計において最も重要です。地球上の緯度、高度、気候などの要因は、受け取る太陽エネルギーの量に直接影響します。この情報は多くのウェブサイトで入手できますが、その一例が『GLOBAL SOLAR ATLAS』です。このサイトでは、世界中の太陽エネルギー資源の分布が地図上でわかりやすく表示されています。特に『全球水平日射量（Global Horizontal Irradiation GHI）』マップは、1平方メートルあたりに発生する可能性のある太陽エネルギーを評価し、直感的な情報を提供しています。
最初のステップは、上記のWebサイトで「PV Study」の「全球水平日射量（GHI）」を調べることです。このマップは、各地域が1平方メートルあたりに1日受け取る可能性のあるエネルギー量を評価し、年間換算値を提供します。この直感的な情報を活用して、地域ごとの太陽エネルギーの潜在的な違いを発見できます。さらに、このウェブサイトでは、地理、気候、環境、産業政策などの要素を考慮して、地域の太陽光発電の可能性を包括的に評価できます。これらの要素は個々のシステムには直接関係しませんが、関連するコンテキストでは有用な参考情報となります。したがって、独自の太陽光発電システムを設計する前に、「GHI」マップを通じて環境の太陽光発電の可能性を理解することで、システムの性能評価と目標設定に科学的なサポートを提供できます。
次に、ソーラーパネルの効率に影響を与える要因を排除する
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