いざという時のために!

 太陽光発電 一式セット ならあなたにも簡単に組立られます!



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  太陽光発電をご自分で設計する時の心得

太陽光発電と言っても、色々な規模のものがあります。

ここで設計の対象とするのは、
家の庭に置いている、夜になると明るく光を出すソーラーライトと
売電を考え屋根の上に設置した、本格的な太陽光発電との中間的なものになります。

おもちゃ感覚で自作するのも良し、
あるいは、まさかの時に少しでも役に立てればと用意をするのも良し、
本格的な太陽光発電を考える参考にするのもありでしょう。

いずれにしても相手は太陽であり、いつも晴天でフル充電できるわけではありません。
それを承知の上での自作であれば、気楽でしょう。

太陽光発電の標準的な構成は図のようになります。


 

  太陽発電を何に使うのかを決めてから始めること!

まず初めに考えることは、
@ どの電気製品を何時間使用したいのか?
A 費用はどの程度まで掛けられるのか?
です。

晴天の時に発電しその電力を利用するので、
あなたがどのような使用目的に使うのかによって使う
・ソーラーパネル、
・チャージコントローラー、
・バッテリー、
・インバーター
もおのずと違ってきます。

昼間に電気を貯めて、玄関の夜間照明に使う。
  一般的に一日の間に、充電と放電を繰り返すことになります。
  一日の周期を前提に設計することになります。

長期間掛けて充電し、停電時の非常電源として使う。

ほぼ太陽の出ている間だけ、例えば噴水のポンプ用電源として使う。
  充電しながら使うことになるので、バッテリーもそれほど大きくする必要もないです。

数日間掛けて充電し、それを短時間で使う。
  比較的大容量のバッテリーを用意する必要があります。

ここでは、構成品はニッポンソーラーの自作キットに使われているものを使うことにします。
参考にするデータもニッポンソーラーのホームページに載っているものを参考にしています。
以後の計算は、あくまでも目安なので、単純計算をしています。

設計例:

50Wの電気製品を 6時間使えるようにすることを考えます。

そのためには、 50W × 6h = 300Wh の電気量が必要になります。

このページの以後の設計例は、全てこれを前提にしています。

 

  バッテリーの選び方

バッテリーを選ぶに当たっては、バッテリーの特性を知るが大事になります。

バッテリーにも色々な特性のものがあります。
自動車用に使われているバッテリーは常に充電しながらフル充電に近い状態で使用されています。

そして、一旦、例えば容量の75%以下になるまで放電させると、すなわち25%以上使用すると、その後再充電しても完全には元の状態には戻らないという特徴があります。

一方、太陽光発電に使うバッテリーは、放電後すぐに充電すれば元の状態に戻り、これを何回も繰り返し行える完全補水不要の完全メンテナンスフリーのディープサイクルバッテリーです。

ニッポンソーラーに確認したところでは、太陽光発電一式セットに採用されているバッテリーは、
「バッテリーの充電が満タン時を100%とすると、80%以上を放電(消費)した段階で満タンまで充電を行う、という動作を概ね350回は繰り返すことができます。」
とのことです。

太陽光発電では、夜間等は充電をしないで長時間電流を供給するので、
自動車用のバッテリーではなく、ディープサイクルバッテリーが必要不可欠になります。


 放電に関して

バッテリーの容量が 105Ah/20h とあるのは、
満充電後20時間かけての電流供給であれば、
105Ah ÷ 20h =5A 取り出せることを表しています。
    (ここで h=hour=時間)

そして、バッテリーの特性上、取り出す電流を 5A より小さくすれば、
バッテリー容量は105Ah よりも大きいものとして使えます。

一方、採用しているACDelco社のバッテリーガイドの16ページには次のように説明されています。

必要なバッテリーサイズ = あなたにとって必要なWh / (12V×0.8)+ 25%

   0.8 = バッテリー容量の80%までの放電で使用出来るため、
   25%の追加 = ケーブルロス、過負荷、その他のための余裕のため

逆に考えると、例えば容量が 105Ah/20h のディープサイクルバッテリーの場合であれば、
実際に使用出来る一回当たりの最大電気容量(放電容量)は、上の式から逆算して、
105Ah × 0.8 ÷1.25 = 67.2Ah  として考えるのが理想でしょう。

67.2Ah ÷ 105Ah = 0.64  なので、
話を簡単にして、もう少し余裕を持って50%以下で使うのが良いかもしれません。

設計例:

放電に関して考えると、300Wh の電気量に対応するためには、
バッテリー電圧 = 12V、理想的な使い方をするためにバッテリー容量を 50% で使うとして、

バッテリー容量 = 300Wh ÷ 12V × 2 = 50Ah

以上のバッテリーを使うことが必要となります。

同様にして、バッテリー容量の64%程度で使用する場合であっても、
300Wh の電気量に対応するためには、39Ah のバッテリー容量が必要になります。

ニッポンソーラーのホームページに載っているバッテリーの容量は、
80Ah、105Ah、210Ah の3種類なので、
この中から選ぶと 80Ah のものとなります。

そして、12V 80Ah/20h のバッテリーを選んだ場合の
適正な最大放電電流値をどう考えるかはむずかしい所ですが、
20h(20時間)掛けて放電すれば、80Ah使えるということからして、

80Ah ÷ 20h = 4A  となるので、
ここではこれを最大適正放電電流値と仮定する。

その場合、最大何Wの電気製品を使えるのかを考えると、
4A × 12V = 48W となります。

設計例では、50Wの電気製品を使うことを考えたが、
これは 48W より大きな値になります。

バッテリーにとっては寿命を縮める要因にはなるが、
50W ÷ 48W ≒ 1.04 なので、
50Wの電気製品を使うことも出来るとしました。

設計例では、50Wの電気製品を 6時間使いたいとのことでしたが、
50Wの電気製品ならば最大何時間程度使えることになるのでしょうか?

50W≒48Wと考えて、
50Wの放電をしている時にも、バッテリー容量は80Ahとみなします。

ディープサイクルバッテリーの場合の最大適正使用可能容量はACDelco社の説明によれば、その 0.64 倍ということになるので、
80Ah × 0.64 = 51.2Ah となります。

バッテリー電圧が12Vなので、
51.2Ah × 12V = 614.4AVh = 614.4Wh の電気容量を
50Wで使うことになり、
614.4Wh ÷ 50W ≒ 12.3h = 12.3時間 使えることになります。

ニッポンソーラー 楽天市場店 では、
12V 80Ah/20h のバッテリーを使った場合に、
80Wのテレビや100Wの冷蔵庫にも使えるとありますが、
バッテリーの寿命を考えると余り好ましいことではななそうです。


 充電に関して

充電に当たっては、急速充電を行うとバッテリーに重大な悪影響を与えますので、
バッテリー容量の1/10以下の電流で行うことが良いでしょう。

例えば、バッテリー容量が 105Ah/20h であれば、
ソーラーパネルからの充電電流値は 10.5A以下が望ましいことになります。

設計例:

80Ah のバッテリーを採用した場合、
ソーラーパネルからの充電電流値はその1/10以下ということで、

80Ah ÷ 10h = 8A

以下に抑えるのが良いでしょう。

100wのソーラーパネルの供給できる電流 = 100W ÷ 12V ≒ 8.3A  となりますので、
少しオーバー気味ですがほぼこの条件を満たしていると考えても良いでしょう。

しかし、実際にはチャージコントローラーがバッテリーの状況を確認しながら充電しているので、この数値は参考値として見てください。

 バッテリーの廃棄処分

バッテリーの寿命は使用条件により変わりますが、2〜5年と言われています。
廃棄する時は、産業廃棄物扱いなので案外面倒かも知れません。
あなたの近くにある自動車屋さんやガソリンスタンドにお願いするのも良いかもしれません。

 

  ソーラーパネル

 保証期間

ニッポンソーラーのソーラーパネルは、25年保証になっています。
一般的に、ソーラーパネルは屋外に設置されることを前提にしているため、
10年経過で90%、25年経過で80%の出力を保証するメーカーが多いようです。

なお、ニッポンソーラーのソーラー発電セットのホームページに 「25年保証・永久サポート付き」 とありますが、25年の保証をしているのはソーラーパネルのみとなります。

その他のものの保証期間は極端に短く、ニッポンソーラーによれば、
チャージコントローラー: 6か月間、
バッテリー: 6か月間、
インバーター: 6か月間、
接続ケーブル: 2週間、
とのことです。

 公称最大出力

公称100wのソーラーパネルはソーラーパネルの公称最大出力が100wであることを表しています。

ソーラーパネルの発電量は太陽光の強さに比例します。一方、シリコン系のソーラーパネルでは温度が高くなると発電量が低下します。(出力低下は0.4〜0.5%/℃程度)そのため、JISではソーラーパネルの温度25℃で、快晴時に相当する1u当たり1,000Wの光が入射角41.8度で入った時の発電量を公称最大出力としています。

実際の使用時には、ソーラーパネルの設置角度、表面の汚れ、天候、日陰等により発電量は大きく影響を受けますので、公称最大出力はあくまでも発電量の目安と考えておいた方が良いでしょう。

 日照時間

日照時間は地域によって大きく変わり、日本の場合4.2〜6.0時間/日となっています。
しかし、ここでは、バッテリーを充電出来る一定量以上の日照時間を考えて、
日本の日照平均時間≒3.5時間/日 として計算します。

 出力特性

ソーラーパネルの出力電流・電圧特性は一般的に下図のようになります。



例えば、ソーラーパネル100w(単結晶)の場合は、
公称最大動作電圧 = 18.0V  公称開放回路電圧 =22.3V
公称最大動作電流 = 5.56A  公称短絡電流 = 5.82A 
となっています。

ソーラーパネルの電流・電圧の関係は、常に赤いIVカーブ特性上の1点にあることになります。
一方、出力(=電流×電圧)は青い線のように途中で最大になります。

そのため、ソーラーパネルを使用する際には、チャージコントローラーの働きで
IVカーブ特性上の印、すなわち出力カーブ上の印で使えるようにしています。

ニッポンソーラーの扱っているソーラパネルのIVカーブ特性をグラフにすると下図のようになります。
赤線のカーブは単結晶、青線のカーブは多結晶のソーラーパネルのIVカーブ特性です。
印および印はそれぞれの最大出力点を表しています。

なお、200Wのソーラパネルの「詳細・性能」の公称短絡電流5.40は、5.80の誤りとして扱いました。



設計例:

300Wh の電気量を充電するに当たって、
何日間でそれをするのかによって使用するソーラーパネルが変ってきます。

実際は晴れの日も、曇りの日もありますが、目安を考えるために、ここでは単純計算で、
日照平均時間≒3.5時間/日として考えます。

バッテリーに充電するために使うチャージコントローラの損失は0として計算します。

昼間に 300Wh 充電して、そのすぐ後、夜に 300Wh を使いたい時は、
300Wh ÷ 3.5h ≒ 86W   以上のソーラーパネルが必要になります。

ニッポンソーラーのソーラーパネルから選ぶと、100wのソーラーパネルになります。
100wのソーラーパネルを使うと、一日で 100W × 3.5h = 350W 発電出来ます。

一方、100wのソーラーパネルを使った時のソーラパネルが供給できる充電電流は、
100w ÷ 12v = 8.3A  となります。

バッテリーの適正充電電流から見て、8.3A は、
8.3(A) ÷ 80(Ah) ≒ 0.104  となるので、一応適切であると考えても良いでしょう。

80Ah のバッテリーと100wのソーラーパネルの条件に当てはまるのは、
100w 太陽光発電一式セット ということになります。

300Wh を充電するのに2日掛けても良い時は、
日照時間は2倍になると考えられるので、
300Wh ÷ (3.5h×2)≒ 43W  のソーラーパネルで十分になります。

ニッポンソーラーのソーラーパネルから選ぶと、50wのソーラーパネルになります。

80Ah のバッテリーと50wのソーラーパネルの条件に当てはまるのは、
50w 太陽光発電一式セット ということになります。

同様にして、
300Wh を充電するのに3日掛けても良い時、あるいは9日掛けても良い時は、
日照時間はそれぞれ3倍、あるいは9倍になると考えられるので、
300Wh ÷ (3.5h×3)≒ 28.6W   あるいは、
300Wh ÷ (3.5h×9)≒ 9.5W   のソーラーパネルで十分になります。

ニッポンソーラーのソーラーパネルから選ぶと、30Wあるいは10Wのソーラーパネルになります。

80Ah のバッテリーを使っていれば、たまにしか発生しない停電等の非常時に
50Wの電気製品を 6時間使いたいということであれば、
30Wあるいは10Wのソーラーパネルでも十分ということにもなります。

≪注意≫ ソーラーパネルの重量ならびに大きさはもしかしたらあなたの予想以上かもしれません。
それぞれの仕様を確認して、設置方法についても事前検討をすることが大事でしょう。

 

  チャージコントローラー (充電制御器)

チャージコントローラーは、ソーラーパネルの出力電流・電圧特性図の印の点でソーラーパネルを動作させて、発生した電力を効率良くバッテリーを充電するための電圧に変換してバッテリーに電流を供給する働きをしています。

単純に考えると、チャージコントローラーを使うことで、効率良く、
ソーラーパネルで発生した電力 ÷ バッテリー電圧 = バッテリーの充電電流
にすることができます。

ニッポンソーラーで用意されているチャージコントローラーのバッテリーの充電電流は、
ニッポンソーラーオリジナルでは 20A、50A、の2種類、
未来舎製では 6A、12A、30A、の3種類です。

例えば、20Aのチャージコントローラーであれば、
12Vのバッテリーを充電する場合は、
12V × 20A = 240W
のソーラーパネルまでに対応できることになります。

  チャージコントローラーの原理を詳しく理解したい時には、ここをクリックして、
  「7.チョッパ型スイッチングレギュレータを作る」
  の項を参考にすることをお勧めします。
  pdfで詳しく解説されています。

チャージコントローラーには、放電コントローラーの機能も付随していて、バッテリーの電圧での電力を取り出すことができます。ただし、未来舎製の6Aのチャージコントローラーの場合は、ソーラーパネルが発電しない夜間のみ使用できる機能になっています。


設計例:

昼間に 300Wh 充電して、そのすぐ後、夜に 300Wh を使いたいために
100Wのソーラーパネルおよび12Vのバッテリーを使う場合は、
100W ÷ 12V ≒ 8.3A   以上のチャージコントローラーを使うことになります。

100w 太陽光発電一式セット(ニッポンソーラーオリジナル)では、
用意された2種類の中から最小規格の20Aのチャージコントローラーを使っています。

100w 太陽光発電一式セット(未来舎製バージョン)では、
8.3A以上であれば十分なので、12Aのチャージコントローラーを使っています。

300Wh を充電するのに2日掛けても良いということで、
50Wのソーラーパネルおよび12Vのバッテリーを使う場合は、
50W ÷ 12V ≒ 4.2A   以上のチャージコントローラーを使うことになります。

50w 太陽光発電一式セット(ニッポンソーラーオリジナル)では、
用意された2種類の中から最小規格の20Aのチャージコントローラーを使っています。

50w 太陽光発電一式セット(未来舎製バージョン)では、その条件に合ったものとして、
4.2A以上あれば十分なので、6Aのチャージコントローラーを使っています。

 

  放電制御

バッテリーに充電した電力をバッテリーから直接取り出していると、気が付いたらバッテリーが過放電になっていたりします。そこで、バッテリーに充電した電力を過放電にならないように制御しながら取り出すおススメの方法には次の2つがあります。

 その1 チャージコントローラー に付随した機能を使う

バッテリーの電圧である12Vのままで使用するのであれば、チャージコントローラーに付随している放電コントローラーの機能を利用して電力を取り出すことができます。

ただし、未来舎製の6Aのチャージコントローラーの場合は、ソーラーパネルが発電しない夜間のみ使用できる機能になっています。ですから、夜間照明用等の使用に向いています。

設計例:

ここでは、80Ahのバッテリーを採用することを前提にして話を進めて行きます。

50Wの電気製品を 6時間 = バッテリーの電圧12Vで50Wの電気製品を 6時間
ということであれば、チャージコントローラーの付随機能である放電コントローラーを使って
50W ÷ 12V = 4.2A を取り出すことでも実現可能です。

一方、80Ah/20h のバッテリーから取り出せる適正な最大電流は、
80Ah ÷ 20h = 4A だとすると、4.2A は 4A に対して、
4.2A ÷ 4A =1.05 になっていますが、この程度のオーバーはOKとしましょう。

一方、どの時間帯あるいはどの程度の頻度で発生する停電等に対応したい、すなわち
使用したいのかによって、採用するソーラーパネルやチャージコントローラーが違ってきます。

2日掛けて満充電にし、もしかしたら起る程度の夜間の停電時にだけ対応する場合:
300Wh を充電するのに2日掛けて準備していても良いということで、 50Wのソーラーパネル、
6A のチャージコントローラーおよび 12V 80Ah のバッテリーを使っている場合であれば、
6A のチャージコントローラー(未来舎製)の放電コントローラー機能を使うことで、
夜間の停電時にだけ6時間対応するような使い方ならできます。

(注) 6A のチャージコントローラーは、日中、充電制御と放電制御の同時制御はできません。

昼間に停電が起きても対応したい場合、あるいは毎晩起る停電に対応する場合:
一日の間に 300Wh を充電出来るようにするということで、100W のソーラーパネル、
12A のチャージコントローラーおよび 12V 80Ah のバッテリーを使っている場合であれば、
12A のチャージコントローラー(未来舎製)の放電コントローラーを使うことで、
夜間だけでなく、昼間の充電している間も停電に対応できます。

 その2 インバーターを使う

一般的に家庭で使われている電気製品に使用する場合には、バッテリーから得られる12Vの直流をインバーターを使って電力会社から供給されているのと同様の波形をした交流の100Vに変換して使用します。

ニッポンソーラーで用意されている12Vバッテリー対応のインバーターには、
ニッポンソーラー製では・・・・300W、500W、1000W、2000W、
未来舎製では・・・・・・・・・・・・250W、350W、700W、1000W、2000W、  のものがあります。

(注) ニッポンソーラーの太陽光発電一式セットに採用されているバッテリーは全て12Vです。

設計例:

50Wの電気製品を 6時間 = 100Vの電圧で50Wの電気製品を 6時間 ということであれば、
ニッポンソーラーで用意されているインバーターの中から信頼性を考えて未来舎製を選んだとしても250Wのもので十分ということになります。

一方、50W および 100W の太陽光発電一式セット(未来舎製バージョン)では、
使用している80Ahのバッテリーの適正最大放電電流からみた最大放電W数は
80Ah ÷ 20h × 12V = 48W 程度にもかかわらず、7倍以上の350Wのインバーターを使っています。

もし規格いっぱいの350Wで使うと、流れる電流は 350W ÷ 12V ≒ 29A となります。
29AはRC(リザーブキャパシティ)として定義されている25Aより大きな値なので、
80AhのバッテリーのRC値である135分より短い時間しか使用できないことになります。

せっかく採用している350Wのインバーターと80Ahのバッテリーなので、それを生かして、
バッテリーの寿命を縮めても良いからRC値いっぱいの25Aで使いたいということであれば、
25A×12V=300Wの電気製品に対して約135分間使うことも可能なようです。

 

  結論

設計例として色々と検討してきたことを改めて整理してみます。

50Wの電気製品を 6時間使えるようにするためには、300Whの電気量が必要になりますが、
ニッポンソーラーで紹介されている太陽光発電セットから選ぶと次の2つが考えられます。

なお、どちらの場合にも、未来舎製バージョンのチャージコントローラーを採用して、
直流電圧12Vそのままで使える電気製品を使うという場合には、
直流12Vを交流100Vに変換する正弦波インバーター350Wは不要です。


設計例:

 その1 昼間に 300Wh 充電して、そのすぐ後、夜に 300Wh を使いたい時

 ニッポンソーラーのソーラー発電一式セットの中から選ぶと、100wのセット になります。



 80Ahのバッテリーに対しては適正放電電流は80Ah÷20h=4A以下となるので、
 4A×12V=48W以下の消費電力が望ましく、50Wの電気製品では少しオーバー気味ですが、
 この程度はOKとしました。

 設計例では、50Wの電気製品が使用対象でありますが、もっと余裕を見たとしても、
 採用している正弦波インバーターはRC(リザーブキャパシティ)を考えた
 25A×12V=300W にも十分に対応しています。

 正弦波インバーターに未来舎製のものを使うとしても、その連続出力電力は、
 RC(リザーブキャパシティ)を考えた 25A×12V=300W には対応してはいませんが、
 250Wのものでも十分ということで、一式セットではなくそれぞれを個別に揃えてみました。




 その2 300Wh を充電するのに2日掛けても良い時

 ニッポンソーラーのソーラー発電一式セットの中から選ぶと、50wのセット になります。



 80Ahのバッテリーに対しては適正放電電流は80Ah÷20h=4A以下となるので、
 4A×12V=48W以下の消費電力が望ましく、50Wの電気製品では少しオーバー気味ですが、
 この程度はOKとしました。

 設計例では、50Wの電気製品が使用対象でありますが、もっと余裕を見たとしても、
 RC(リザーブキャパシティ)を考えた 25A×12V=300W にも十分に対応しています。

 正弦波インバーターに未来舎製のものを使うとしても、その連続出力電力は、
 RC(リザーブキャパシティ)を考えた 25A×12V=300W には対応してはいませんが、
 250Wのものでも十分ということで、一式セットではなくそれぞれを個別に揃えてみました。




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