太陽光発電設備の基礎知識

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太陽光発電設備とは

太陽光発電とは、太陽光の日射を電気エネルギーに変換し、電気を生み出す発電技術である。太陽電池(太陽光パネル)を用い、直流の電気を発生させ、パワーコンディショナーを経由して電気の品質を安定させ、住宅に電気を供給する。

太陽光の光を受けている瞬間だけ発電できるため、日中、天気の良い時間帯しか発電しないという、大きな特徴がある。人工衛星に電力を供給するなど、宇宙事業における電力調達がそもそもの発祥であるが、現在では一般建築設備として計画されるまで普及が広がっている。

太陽光発電は、発電過程において有害な排気ガスや二酸化炭素を排出しない、クリーンな発電設備として注目されている。山中や海上、緊急停電時など、電力が調達できない場所においても、太陽光が得られる場所であれば発電できるという利点もある。

しかし、太陽光発電はエネルギー密度が小さく、1m2あたり0.1~0.2kW程度の電力しか取り出せず、かつ天候に左右されるため安定電源とはいえない。太陽光により、高い電力変換効率で電気に変換することが求められ、研究が続けられている。

日本・各国の導入量

日本国内では、住宅用として導入しているのがほとんどで、約80%となる。産業用が約20%で、電力会社が電力供給用として設置している案件はほとんどない。規模も、10~20kWといった小規模施設が約半数を占めるなど、小型の太陽光発電設備が普及している。

太陽光発電の普及が進んでいるドイツでは、住宅用よりも産業用が多く、普及の約半数が産業用となる。電力用としても普及が進んでおり、用途に限らずに広く普及している。

太陽光発電の発電原理と特性

太陽光発電設備は、太陽光パネルによって発電した電力をパワーコンディショナーに送り、周波数や電圧を商用電源に合わせて調整した上で系統連系する。ここでは、太陽光発電設備の内、太陽光パネルの種類とそれぞれの特徴について解説する。

太陽光発電で最も広く利用されているのは、シリコンを原料とした太陽光パネルである。太陽光パネルはn型シリコンとp型シリコンを重ね合わせた構造をしており、日射がパネル表面に当たると、プラスとマイナス(正孔と電子)が発生する。正孔と電子はそれぞれ違った方向に電気の流れが得られ、これに負荷を接続することで電流が流れる。

太陽電池の素子1個あたり、0.6~0.7Vの電圧を発生させ、1cm2あたり30mA程度の電流を得られるので、これを直列に接続することで、所定の電圧と電流値を確保できる。

太陽光発電の出力特性

太陽光発電は、太陽からの日射エネルギーを変換し電力とする設備であり、受光面積1m3あたり1,000Wの日射が照射される状態を基準として性能が規定されている。1,000Wの日射は、真夏の南中時に太陽方向にパネルを向けた時の数値であり、太陽光パネルが最も高い性能を発揮できる数値となる。

アモルファス系では大きな影響はないが、シリコン系の太陽光パネルは温度が高くなるほど発電電圧が低下し、性能が悪くなるという特性がある。太陽光パネルの定格出力は、パネル表面温度25℃を基準としているが、夏季に直射日光に晒されるパネル表面は60~80℃という高温になっており、出力に悪影響を及ぼす。

シリコン系のパネルでは、温度が1℃上昇する毎に、その出力は0.4~0.5%程度減少するといわれているため、設置場所によっては著しい温度上昇により、出力低下を引き起こす懸念がある。

AM(エアマス)とは

太陽光発電の出力特性の要素として、AM(エアマス:Air Mass)という概念がある。AMは光の大気通過量を示す指標であり、光が真上が照射される場合はAM1.0となり、日射角度が変化し、太陽光が大気を通過する長さが長くなるほど数値は大きくなる。大気圏外でのAMはゼロと規定される。

日本国内ではAM1.5が基準となっており、AM1.5では「光の大気通過量1.5倍」での到達光である。

パワーコンディショナーの役割

太陽電池によって発生する電力は直流であり、そのまま建物に供給しても使えない。商用電源として使用している電圧は交流であり、変換するための装置が必要である。かつ、太陽光からの電力は変動が大きいため、安定化を図らなければ、安心して使えない。

太陽光発電からの直流電源を、交流に変換するためには「パワーコンディショナー」を使用する。変動する太陽光発電による不安定な直流電源は、地域によって50Hzまたは60Hzの安定した交流電源に変換し、既存の電気設備や送電線・配電線に接続できるよう品質改善を行う。これにより照明・空調の電源として利用できる。

パワーコンディショナーによる電源の変換には、一定量の電力ロスが発生する。発電した電力を100%利用することはできず、数%が発熱等に変換されて喪失する。多くのパワーコンディショナーで、発生した電力の6~10%程度がロスとなる。

この変換ロスをゼロに近づけるべく、発生した直流電源を、そのまま負荷に接続して使用する「直流送電」の研究も進んでいる。

白熱電球は、直流電源でも点灯させることが容易であり、本来LED照明も直流電源で点灯可能な光源である。サーバー装置などは直流電源のまま使用可能であり、変換ロスを低減されて省エネルギーを図る研究が進められている。一部の住宅メーカーでは、直流と交流をどちらも使用する「ハイブリッド電源」を計画しているところもある。

太陽光発電設備の設置目的

太陽光発電設備を導入する住宅や業務施設は年々増加している。経済産業省が2009年11月1日から開始した、余剰電力買取の価格倍増の制度により、従来20~30年は必要とされた減価償却が10~15年にまで短縮され、太陽光発電設備の減価償却が容易になったことにより爆発的に普及が進んだ。

太陽光発電設備の自然エネルギー発電の計画には、設置コストの減価償却を検討する必要があり、太陽光発電設備の導入コストをいつ回収でき、いつから利益となるかを検討し、提示すのが一般的となる。

しかし、設置コストの減価償却という視点だけに囚われず、環境負荷の低減を目的とし、かつピーク電力の低減を目的とするなど、コスト一辺倒であった意識の転換も見受けられるようになった。

太陽光発電設備を設置した住宅では、自分の家庭での発電量が数値化されることをきっかけに、発電した電気の無駄遣いをしないよう節電したり、発電量と使用量のグラフを見るのが楽しみになるなど、副次的な効果も生まれている。

電気料金の低減

太陽光発電設備の設置により、電気代を低減させることが可能である。太陽光発電設備の発電量は「設置容量(kW)の1,000倍程度」が年間発電量として見込める。3kWの太陽光発電設備を設置した場合、年間で約3,000kWhの発電量が見込める。

すべての電力が余剰電力として電力会社に逆潮流したとすれば、48円/kWの買取価格で計算した場合、年間で144,000円の収益を見込める。

環境負荷の低減

環境負荷の低減は、国内全体で推し進められている施策のひとつである。太陽光発電設備を設置することで、電力会社の発電設備の稼働を低減させ、化石燃料の消費や二酸化炭素の排出を抑えることが環境保護につながると考え、この一助となりたいという意識が、太陽光発電設備の設置を促している。

多くの家庭が太陽光発電設備を導入することで、太陽光発電の研究投資も盛んになり、より安価で高効率なシステムが生産されていくことを期待できる。国の補助金の交付を受けたり、CO2削減による助成金等を受けられれば、初期投資を低く抑えられる

太陽光発電設備は発電時のCO2発生がほとんどないといわれているが、太陽光発電設備を製作・製造する過程においては一定のエネルギー消費があるため、総合的なCO2発生はゼロにならない。

しかし、発生したCO2は2~3年で回収できると検証されており、産業技術総合研究所という機関が情報公開している。投資金額をすべて償却することは困難としても、環境対策(CO2抑制)の観点からすれば、環境負荷の低減が図られていると判断できる。

今後の技術革新にCO2の回収は1年程度まで縮められると予測されている。

節電意識の向上

太陽光発電設備の発電量と電力使用量のグラフを見ることで、個人の節電意識を高められる。自分が設置した発電設備によって作られた電気という意識が芽生えるため、電気を無駄に使いたくないという意識につながる。

非常電源としての利用

自立運転機能付きのパワーコンディショナーを作用すれば、電力会社からの電源が途絶えた場合、非常用の電源として太陽光発電設備を利用できる。

家庭用の太陽光発電設備は、通常3kW程度の小規模システムであり、自立運転機能で発生した電力は1,000~1,500W程度までしか使用できないが、携帯電話の充電や、通信機器の稼働など、最低限必要な電源確保ができるのが魅力である。

消費電力の大きなルームエアコンを動かしたり、ドライヤーなど大電流が流れる機器を運転させると、過負荷によってパワーコンディショナーの安全装置が働き、動作停止してしまうことがある。

エアコンは定常時の消費電力は400~500W(4~5A)が多いが、始動時には数倍の電流が必要であり、瞬間的に発生する大電流に追従できずにパワーコンディショナーが停止する。停電時に太陽光発電から電源を供給するような緊急時には、携帯電話の充電や、ラジオの電源として利用するのが現実的である。

太陽光発電設備は通常、蓄電池を併設したシステムではないため、天候によって発電量が大きく変動する。夜になったり、天気が悪くなることで日射が失われれば、発電機能が停止する。

ピークカットとしての利用

太陽光発電をピークカットとして利用する場合、冷房運転する空調機に対して高い効果がある。外気温が高い時、インバーターを内蔵する最近の空調機は、大きな電力を必要とする。

太陽光発電は、天気が良ければ発電量が最大になることから「外気温が上昇する = 天気が良い = 発電量が多い」という図式に当てはまり、空調機が使用する大きな負荷電流を、効率良くまかなえる。

太陽光パネルの種類と特徴

太陽光パネルは「シリコン系」「化合物系」「有機物系」に大きく分類されている。この中でもシリコン系の材料を用いた太陽光パネルは、古くから使用されており極めて広い普及率を誇っている。

近年では、軽量化や高効率化を図るため、化合物系や有機物系の太陽光パネルも研究開発が進められており、各種材料をハイブリッド的に使用した組み合わせ商品も販売されている。

単結晶シリコン方式

単結晶シリコンを主材料とした太陽光パネルである。200~300μmのシリコン単結晶板を使用しており、シリコン系の太陽光パネルとして非常に高い発電効率を持ち、信頼性に優れた材料である。発電効率の高さは電力密度の高さに比例するので、より小さな面積で大きな発電量が確保可能である。

シリコンの特徴として、高温になると発電効率が低下するという欠点があるが、日本国内の気温変化程度であれば、年間を通して十分な発電量が確保できる。

個人住宅の屋根などパネルの設置面積に制限がある場合、単結晶方式のパネルを用いることで、高効率なシステムを構築することが可能とされている。

単結晶シリコン方式では、シリコンの原子が規則正しく並んだ状態で存在しており、発電効率は最も高く、高い信頼性と品質を得られるという利点がある。

半導体分野においては、イレブンナインと呼ばれる「99.999999999%以上」の高純度シリコンが用いられるが、太陽光発電においては必ずしも高純度のシリコンを用いる必要はなく、6~7ナイン「99.9999~99.99999%」の比較的純度の低いシリコンでも十分な性能を発揮する。純度が低くソーラー用に使用されるシリコンは、ソーラーグレードシリコンと呼ばれ区分されている。

シリコンに不純物が混在していると、日射によって発生した電子の移動が不純物によって阻害され、エネルギーを大きく損なうのが理由とされている。トランジスタ用のシリコンなど、微弱で精密な電気エネルギーを扱う電子分野では、不純物の存在が致命的となる。

しかし、比較的大きな電圧や電流を扱う太陽光発電分野では、電子分野と同様の性能を求めずとも、所定の品質が確保できるとし、要求純度が緩和されている。半導体用に用いるシリコンよりも純度が低くても支障ないため、その製造に関わるコストを低減させられ、大量生産を図られるとされている。

従来では、半導体用に用いられる予定のシリコンの内、純度が不足しスクラップとなるシリコンを用いて、太陽光パネル用の材料としていたが、近年の大量需要においてはスクラップだけでは供給が困難となり、ソーラーグレードシリコンと呼ばれる「発電」に適した純度を設定し、供給されるようになる。

単結晶シリコンによる太陽光パネルを製造する場合、純度の高いシリコンを多量に使用しなければならないため、価格が高くなるのが欠点である。このため、純度の低いシリコンの結晶を組み合わせて製造できる多結晶シリコンのパネルよりも普及率に劣っている。しかし、狭い面積で効率の良い発電を行いたい場合、単結晶パネルによるシステムは都合が良く、普及率が向上している。

単結晶シリコンは結晶の配列が規則正しく連続しているため、電子の流れの効率が良く、高い発電能力を確保できる。しかし、大きなシリコンの単板を製作するコストが高く、多結晶の太陽光パネルが優位である。

多結晶シリコン方式

多結晶シリコンを主材料としたパネルは、単結晶パネルとして使用できない小さな多数の結晶を集めた板を使用している。

発電効率は単結晶パネルに劣るが、シリコン半導体の端材や低グレードのシリコン結晶を集めて製造できるため、安価で生産しやすいことから広く普及している。単結晶方式よりも省エネルギーで製造可能であり、広い面積が確保できる案件であれば、コスト効率の良い計画が可能である。

多結晶シリコンは、シリコンの端材を組み合わせて構成されるため、多数の単結晶ブロックがつぎはぎに接続された状態である。つぎはぎ部分は電子の移動が阻害されるため、単結晶よりも発電効率が悪化する。

しかし、大きな単体シリコンを使用せずに製造できるため、製造コストが大きく低減できるため、高い普及率を誇っている。

アモルファスシリコン方式

非結晶であるアモルファスなどを用い、1μmの薄い膜を形成した太陽光パネルである。赤みがかった表面色をしており、低照度でも高い変換効率があるため、電卓の補助電源に広く利用されている。

太陽光パネルとして構築するための必要厚さが極めて小さいため、使用するシリコン原料が少なく済み、大面積を安価に生産できるという特徴がある。しかし結晶シリコンよりも発電効率に劣るため、大きな発電量を確保するのが困難である。

各種メーカーは、多結晶シリコン系とアモルファスシリコン系を積層して効率を高めた太陽光パネル(HIT)を開発しており、設置面積が制限される戸建て住宅の屋根設置用途で普及している。

アモルファスシリコン系の太陽光パネルは、高温でも効率が悪化することがないため、屋根面など高温となる場所でも高い発電性能が維持可能とされている。

CIS(カルコパイライト)方式

化合物半導体を利用した太陽光パネルで、シリコンを使用せず、銅・インジウム・セレンを組み合わせて製作されたものである。アモルファスシリコン系と同様、高温による発電量の低下が少ないという利点がある。

部分的に日射が遮られることがあっても、大きな発電量の低下がないという利点もあるが、単結晶や多結晶方式と比較して発電効率が低いため、建築設備用のソーラーパネルとしてはあまり採用実績は多くない。

特殊仕様の太陽光発電設備

太陽光発電設備は、パネルを組み合わせたアレイを屋根に置くのが一般的であるが、太陽光パネルの存在を建築デザインに取り込み、意匠性を向上させた製品や、発電里性能を向上させた特殊製品などが研究・開発されている。

建材一体型太陽光発電

太陽光パネルを屋根材や手摺と一体化させ、建材の一部として利用できる建材一体形がある。建材と一体にすることで「屋根の上にパネルを置いている」「ひさしの上にパネルを置いている」といった、後付け感を薄め、意匠性の向上を図れる。

建材一体の太陽光発電として、太陽光モジュールをガラスに挟み込み、パネル内蔵ガラスを構築する方式が普及している。トップライトやカーテンウォールのガラスとして利用する「採光形」といった製品もある。

モジュール間に隙間を設けてガラスに配置することで、光を柔らかく透過させ、日射の軽減と発電を兼ねるといった使い方が可能であり、公共建築物のガラス屋根に広く採用されている。

建材と太陽光発電パネルを一体化した場合、デメリットもある。パネルの故障や建材の修理においては、メンテナンスが煩雑になってしまい、屋根材やガラスの交換においては、太陽光モジュールが内蔵されているため、メンテナンス部品の調達コストの増加、納期の延長のリスクが発生する。

集光型太陽光発電(CPVシステム)

集光型太陽光発電は、太陽光発電の周囲・上部に反射板やレンズを設け、太陽光パネルへ集光して効率を向上させる方法である。太陽光発電設備は理論上20%程度の電気変換効率を持っているが、レンズで集光することにより、40%を超える大出力を得られ、パネルの設置面積を半分以下とする技術である。

高倍率のレンズを用いて太陽光を集光する場合、シリコン結晶のセルではなく多接合型化合物のセルが使用される。シリコンを使用した太陽光発電設備は温度上昇によって発電効率が低下する特性があるので、レンズで集光した光を当てると温度上昇も著しく、発電効率が低下してしまいロスが大きいのが理由である。

多接合型の化合物半導体を利用した太陽光パネルであれば、温度上昇による影響を小さく抑えられるため、レンズ集光による利点を活かせるとされる。多接合太陽電池セルとしては主に、InGaP / InGaAs/Ge の化合物半導体を利用した研究が行われている。

高倍率レンズを用いた集光型太陽光発電は、国内では研究段階であるが、海外での実証実験は数多く、今後の太陽光発電設備技術の一端として期待されている。

一部事業者では、太陽光発電パネルの周囲に簡易な反射板を設け、光の取りこぼしを回収して発電効率を向上させる取り組みを実施しており、簡易な反射板でも10%以上の効率向上が望める。

太陽光発電設備の寿命と耐用年数

太陽光発電設備を構成する「太陽光パネル」「パワーコンディショナー」「電力量計(電力メーター)」は、適正な維持管理・保守を行うことで本来の機能を継続的に発揮する。

一般的にメンテナンスフリーとされている太陽光発電設備であるが、パネルに汚れが蓄積すれば発電量が劣化し、パネルの経年劣化による発電量低下も懸念される。

パワーコンディショナーに内蔵されているインバーター類も、経年劣化による効率低下、故障の頻発などが懸念されるため、定期的なメンテナンスや交換が不可欠であり、完全なメンテナンスフリーと考えず、メンテナンスが必須な設備であると認識することが望まれる。

太陽光パネルの耐用年数

太陽光パネル本体の実用上の耐用年数は25~30年とされている。適切な維持管理を行い、かつ落雷や飛来物による損傷、地震災害の天災がなければ、40年以上という長い期間に渡り、発電を続けることも可能である。

太陽光パネルは経年劣化により、毎年0.4~0.8%の発電量低下が見込まれる。超長期間の仕様により、発電量が大幅に低下することが見込まれるので、総発電量の試算を行う場合には、経年劣化を踏まえた計算が重要である。

パワーコンディショナーの耐用年数

パワーコンディショナー本体の実用上の耐用年数は10~15年とされている。太陽光パネルによって発電された直流電源を、一般的な建物で仕様されている交流電源に変換する重要な装置であり、半導体素子、平滑用コンデンサ、絶縁トランスなどが内蔵されている。

パワーコンディショナーの耐用年数は、内蔵される部品を交換することで維持される。落雷サージによる焼損など、致命的な基盤損傷がなければ、本体を一式交換することはない。定期的に、損傷しやすい内蔵部品の取替えで長期運用を図るのが一般的である。

パワーコンディショナー内蔵部品のうち、最も耐用年数が短いのはインバーター平滑回路に使用されるコンデンサであり、これが故障につながりやすいとされている。

電力メーターの耐用年数

太陽光発電設備に使用する売電用電力量計は、その計測された数値に基づく売買契約となるため、計量法に基づいた検定メーターを使用しなければならない。

計量法では、10年以内にメーターを交換することが義務付けられており、通常、電力量計本体に交換期限シールが貼付されている。従来は回転式のアナログメーターが主流であるが、近年ではデジタルメーターが普及しており、交換頻度が長くなった。

配線・ケーブル類の耐用年数

太陽光パネル・パワーコンディショナー・電力量計を接続する配線用遮断器(ブレーカー)やケーブルは、実用上の耐用年数が20~30年とされており、太陽光パネルと同等以上の耐久性がある。定期的な絶縁抵抗測定、端子の増し締めなどを実施し、端子の緩みによる異常発熱を防止することで長寿命化を図る。

屋上の太陽光パネルを接続するケーブルは、直射日光にさらされると断線につながるため、パネルの下部に隠して直射日光を避けるのが通常であるが、直射日光が当たる部分は電線管に収容することが望まれる。

電線管も同様、直射日光によって劣化し割れることがあるので、年次点検時に損傷がないか確認する。PF管など樹脂製の電線管を使用する場合、PFD管と呼ばれる二重管を使うと良い。

ケーブルが直射日光に当たり続けると、紫外線によってケーブル表面が割れ、漏電の原因となるため、注意が必要である。

太陽光発電設備の設置検討と設計

太陽光発電設備は、年間を通じて、安定して日射が当たる場所に設置するのが原則である。太陽光発電設備に影が当たると、発電量が著しく低下する。

太陽光パネルは1枚毎に発電しているわけではなく、何枚かのパネルが直列に接続され、全体がひとつの回路として発電を行っている。CIS系の太陽光パネルを採用している案件でない限り、組み合わせを構成している太陽光パネルの内、一枚でも影になると、ユニット1組の全体発電量が低下する。

太陽光発電設備を計画する場合、近隣に高い建物がないか、今後高い建物が建たないか、大きな樹木はないかなどを、十分調査することが重要である。

太陽光パネル表面の経年の汚れによっても発電量が減少するので、ほこりが多い環境や鳥が多く飛来する環境でも、発電量が減少するおそれがある。

屋根強度の調査

太陽光発電設備は3kWシステムとしても、15kg/枚のパネルを15枚から20枚程度敷き詰める必要があるため、全体で約300kg程度の荷重を屋根に載せる。この荷重に、屋根が耐えられるかを確認する。

強度不足の場合は、屋根の補強や補修を実施する。テレビのアンテナなど、太陽光発電とは関係のない設備が、影になるので、干渉する場合は移設することも考慮する。

電気系統の調査

一般的な需要家では、電力会社との取引用の電力量計が設置されているが、太陽光発電設備を導入した場合、新たに売電用の電力量計を設ける。既存の電力量計に横並びで電力量計が追加されるため、外壁を大きく専有することになり意匠性の低下が懸念される。

売電用の電力量計は無償提供されるものではなく、計量法の検定を受けた電力量計が設置される。電力量計は定期的な交換も必要になるため、コストが発生することを認識し、説明するのが重要である。

自然災害による破損への考慮

太陽光発電は、自然災害による破損を考慮しなければならない。落雷によるパネル破損、パワーコンディショナーや接続箱の落雷サージ破損、台風や強風による物理的損傷など、多くの事故の可能性がある。

太陽光発電設備のメーカー保障期間は一般に5~10年程度であり、20~30年を減価償却期間と考えると、10年以降は修理が有償になるため、運用リスクが高まる。

災害によるパネル破損時の感電事故と対策

太陽光発電設備はパネル部分に太陽光を受けると発電が行われ、これを停止できない。太陽光発電設備を設置している建築物が火災に罹災した場合、消火活動中の消防隊に対して太陽光パネルがリスクとなる。

破損した太陽光パネルに消防士が接触し、感電するという事故が実際に発生しており、消防法によって太陽光パネルに対する各種規制が行われた。消防隊に限らず、建物利用者が災害から避難する際、破損したパネル等に接触すると、同様に感電事故につながる。

台風や地震などで太陽光パネルが吹き飛ばされたり、接続されている電線が外れた場合も、破損したパネルに接触すると感電事故につながる。東京消防庁では、太陽光パネルが設置されている建築物の消火活動を行う場合、下記のような対策を実施している。

  • 太陽光発電回路を切断する
  • 遮光シートをパネル上部に展開する
  • 感電の危険性が排除されない限り接近・放水しない
  • 絶縁用防護具を着装した消防隊員が作業する

太陽光発電設備は、発電設備の一種であり、パワーコンディショナーや接続箱、ケーブル類の施工不良や損傷があれば、出火する可能性がある。災害時はケーブル接続部が緩んだり、外れたりするおそれが非常に高く、異常発熱し出火するおそれがある。

消防活動の支障になることを回避するため、屋上にパネルを設置する場合「太陽光パネルを設置しない消防活動専用のスペース確保」「太陽光発電設備であることの表示」「非常用進入口に建材一体型パネルを使用しない」といった計画上の考慮も重要である。

太陽光発電設備の法的規制と規制緩和

太陽光発電設備は「太陽電池アレイ」「接続箱」「パワーコンディショナー」の3つの機器を組合せた発電設備である。

太陽光発電の電力を安定させる「蓄電池」も、関連機器の一つとして挙げられるが、都心部など商用電源が問題なく供給されるエリアでは、コストや設置スペースの観点から、メリットが生じないため計画に組み込むことがほとんどない。

電力会社の観測によれば、将来的に太陽光発電の普及が広がり、電力会社の配電網に大規模な太陽光発電施設が組み込まれた場合、配電線側の電源品質の確保や維持が困難になると予想されている。

需要家側が蓄電池を搭載し、逆潮流する電力量や時間帯を調整するスマートグリッドや、マイクログリッドの思想が重要視される時代が近いともいえる。

太陽光発電設備は、電力会社が運営している原子力発電所や火力発電所、水力発電所と同様、規模は小さいが「発電所」として扱われる。電力会社の配電線に逆潮流し、大規模な発電所で発電した電力と混在するため、太陽光で発電した電力の管理にも数多くの規制を受ける。

電力会社の配電網と、需要家が設置した発電設備を接続することを「系統連系」と呼ぶ。系統連携を行う場合「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」と呼ばれる各種規制に準拠する必要があるので、内容を熟読し、ガイドラインから逸脱しないように計画を進める必要がある。

詳細は系統連系・逆潮流を参照。

電気主任技術者の専任と規制緩和

太陽光発電設備はその名称の通り発電設備に分類されるため、一定規模以上の発電設備は、電気主任技術者の有資格者による維持管理が法的に求められる。

太陽光発電設備の普及を促進するため、火力・水力・内燃力といった他の発電設備よりも規制緩和が進んでおり、電気事業法によって「50kW未満」の太陽光発電設備は、規制が緩い「一般用電気工作物」として扱われる。

住宅用など小型の太陽光発電設備は3kW程度が一般的であり、電気主任技術者の専任は不要である。

従来、20kWまでが一般用電気工作物として適用されていたが、電気事業法施行規則の改正により、太陽電池発電設備は出力50kWまでを一般用電気工作物として扱われることとされ、多くの需要家において、電気主任技術者による専任管理が不要となった。

太陽光発電設備の発電量計算

太陽光発電設備を住宅に設置する場合は、3kWシステムが主流である。太陽光パネル一枚で約15Vの電圧を得られ、発電できる電力は150Wから180W程度が主流である。

太陽光パネルを十数枚連結し、200V程度の電圧を確保してパワーコンディショナーに供給するのが、住宅用の基本システムになる。ここで、連結された太陽光パネルのユニットを「太陽電池アレイ」と呼ぶ。

電圧15V、150Wの太陽光パネルを使用すると仮定し、太陽光パネル14枚を直列に接続したものとして算出する。設置面の方位による効率・係数の影響は省略する。

  • 電圧:15V/枚 × 14枚 = 210V
  • 電力:150W/枚 × 14枚 = 2,100W

2,100Wを発電する太陽電池アレイを2組配置すれば、4,200W発電できる太陽光発電システムとなる。

パワーコンディショナーの変換ロスを考慮

太陽電池アレイから発電される理論値は4,200Wであるが、ここで発生している電力は直流であり、需要家内の電力として利用できない。

直流を交流に変換するため、パワーコンディショナーを経由して変換を行う。パワーコンディショナーでの変換にはエネルギーロスが発生するので、発電数値から数%の電力が失われる。

電力ロスを10%とした場合、4,200W × 0.9 = 3,780W が、実際に得られる電力となる。この計算は、定格電力を発電するアレイを前提としており、パネル表面の汚れや、近隣建物による影の影響などを考慮し、10%程度の発電ロスを見込んで計画することが望まれる。

周囲環境によるロスを考慮した場合、3,780W × 0.9 = 3,402W 程度を、実際の発電量として考えると良い。

年間発電量の簡単な計算方法

太陽光発電設備の年間発電量は、設置した太陽光発電システム容量の1,000倍で概算できる。3kWの太陽光発電システムを構築した場合の年間発電量は、約3,000kWh/年が概算値となる。

住宅用、業務用を問わず、日本国内に太陽光パネルを設置し、変換効率90%以上のパワーコンディショナーを使用していれば、ほとんどの案件で、1,000倍の年間発電量計算が成立する。

太陽光発電設備の監視システム

監視システムは、太陽光発電のパネルに電力センサーや電流センサーを設け、発電量を監視することで発電量の瞬時値、積算値をデータ収集するシステムである。「日射量が十分なのに発電していない」といった情報を故障警報として送信すれば、故障の早期発見につながる。

太陽光発電設備が適切に発電を継続しているか、また、故障などが発生していないかを監視するための設備であり、発電量の維持に役立つ。発電量を常時監視しておけば、発電量の低下や停止の早期発見が可能となり、故障や汚損の除去も容易となる。

発電量の低下は、電力売買に伴うコスト回収の遅れにつながるため、出来る限り避けるべき問題である。監視システムの導入により、万が一の故障に対しての対応が迅速となるメリットが生まれる。

パワーコンディショナーから情報を収集し、専用のPCを接続するローカルシステムから、クラウドサーバーなどにデータをアップロードして、インターネットを通じて外部から閲覧するウェブシステムまで、多岐に渡る監視システムが構築できる。

クラウドを活用したウェブシステムであれば、据え置き型のPCだけでなく、スマートフォンやタブレットからの閲覧も可能であり、専用監視システムの構築コストの低減が可能である。

インターネットへのデータアップロード方法

収集したデータは、インターネット回線を通じてデータサーバーに格納しなければならないが、有線による更新先が確保できない場合、3G回線を搭載したルーターをシステムに組み込んで、インターネット回線に接続する方法が採用される。月々のネットワークコストが発生するが、通信回線に伴う工事は安価となるため、メリットが大きい。

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