太陽光発電アレイ
もし太陽光発電パネルが個々の太陽光電池を接続して構成されている場合、太陽光発電アレイ、単に太陽光パネルこれは複数の太陽光パネルが接続されたシステムです。
したがって、太陽光発電アレイは複数の太陽光パネルを電気的に配線して、より大きなPVシステム(PVシステム)を形成するアレイであり、一般的にアレイの総表面積が大きいほど、より多くの太陽光発電を生み出します。
完全な太陽光発電システムは、太陽光アレイを電力供給の主な電源として使用します。単一の太陽光パネルやモジュールで発電される太陽光発電量は、一般利用には不十分です。
ほとんどのメーカーは、出力電圧が12Vまたは24Vの標準的な太陽光パネルを製造しています。多くの単一PVパネルを直列接続(高電圧要求の場合)と並列接続(高電流要求の場合)することで、PVアレイは望ましい出力を生み出します。
太陽光発電式太陽電池アレイ
太陽電池やパネルは太陽エネルギーを直流(DC)電力に変換します。単一の太陽光発電アレイにおける太陽光パネルの接続は、単一パネル内のPVセルの接続と同じです。
アレイ内のパネルは、直列、並列、またはその混合で電気的に接続できますが、一般的には出力電圧を高めるために直列接続が選ばれます。例えば、2枚の太陽光パネルを直列に接続すると、電圧が2倍になり、電流は変わらないままです。
太陽光発電アレイのサイズは、都市環境で複数の個別のPVモジュールやパネルがつながれ屋根に設置されたものから構成されることもあれば、フィールド内で数百枚のPVパネルが相互接続されて町や近隣全体に電力を供給することもあります。モジュール式太陽光発電アレイ(PVシステム)の柔軟性により、設計者は大小を問わず多様な電力需要に対応できる太陽光発電システムを構築できます。
異なるメーカーの太陽光パネルやモジュールは、たとえ出力、電圧、電流出力が名目上似ていても、単一のアレイに混同してはいけないことに注意が必要です。これは、太陽電池のI-V特性曲線やスペクトル応答の違いが、アレイ内で追加のミスマッチ損失を引き起こし、全体の効率を低下させる可能性が高いためです。
太陽光発電アレイの電気的特性
太陽光アレイの電気的特性は、出力電流と電圧の関係にまとめられます。太陽放射量と強度(太陽放射量)は出力電流量(I)を制御し、太陽電池の動作温度はPVアレイの出力電圧(V)に影響を与えます。太陽光パネル(I-V)の曲線は、電流と電圧の関係を要約するもので、メーカーによって次のように示されています。
太陽電池アレイのパラメータ
VOC = オープンサーキット電圧:– これは端子がいかなる負荷にも接続されていない状態(開回路状態)にアレイが供給する最大電圧です。この値は、負荷によって固定されるPVアレイの動作に関連するVmaxよりもはるかに高いです。この値は直列に接続されたPVパネルの数に依存します。
ISC = 短絡電流– 出力コネクタが短絡した際(短絡状態)にPVアレイが供給する最大電流。この値は、通常の動作回路電流に関係するImaxよりもはるかに高い値です。
Pmax = 最大パワーポイント– これは、負荷に接続されたアレイ(バッテリー、インバータ)から供給される電力が最大値に達するポイント、すなわちPmax = Imax x Vmaxに関係します。太陽光発電アレイの最大出力はワット(W)またはピークワット(Wp)で測定されます。
FF = フィルファクター –フィルファクターは、通常動作条件下でアレイが実際に提供できる最大電力と、オープンサーキット電圧とショート回路電流の積(Voc x Isc)との関係です。このフィルファクター値はアレイの品質のイメージを示し、フィルファクターが1に近づくほど(1)となります。 アレイが供給できる電力が増えるほどです。典型的な値は0.7から0.8の間です。
% EFF = 効率% –太陽光発電アレイの効率とは、アレイが生み出せる最大電力と、アレイに当たる太陽放射量の比率です。典型的な太陽電池アレイの効率は通常、使用されるセルの種類(単結晶、多結晶、非晶質、薄膜)によって約10〜12%と低くなります。
太陽光発電I-V特性曲線は、設計者が最大ピーク電力点にできるだけ近づけて動作可能なシステムを構築するために必要な情報を提供します。ピークパワーポイントは、太陽光モジュールが太陽放射(1平方メートルあたり1000ワット、1000 W/m2または1kW/m2)に相当する最大電力を発生させるときに測定されます。以下の回路を考えてみてください。
太陽光発電アレイ接続
上記の単純な太陽光発電アレイは、示したように4つの太陽光モジュールで構成されており、2つの並列な分岐を形成し、2つのPVパネルが電気的に接続されて直列回路を形成しています。したがって、アレイからの出力電圧はPVパネルの直列接続と等しく、上記の例では次のように計算されます:Vout = 12V + 12V = 24ボルト。
出力電流は並列分岐電流の合計に等しくなります。各PVパネルが直射日下で3.75アンペアを発生させると仮定すると、総電流(IT)は次のようになります:IT = 3.75A + 3.75A = 7.5アンペア。すると、太陽全日下での太陽電池アレイの最大出力は次のように計算できます:Pout = V x I = 24 x 7.5 = 180W。
PVアレイは、各PVパネルまたはモジュールの最大出力が45ワット(12V x 3.75A)であるため、直射日光下で最大180ワットに達します。しかし、太陽放射のレベルや温度影響、電気損失などにより、実際の最大出力は通常、計算された180ワットよりはるかに低いです。そして、私たちの太陽光発電アレイの特性を次のように提示できます。
太陽光発電アレイの特徴
太陽光発電アレイにおけるバイパスダイオード
太陽電池とダイオードは、どちらもP型シリコン材料とN型シリコン材料を融合させた半導体デバイスです。光に当たると電圧を発生させる太陽電池とは異なり、PN接合ダイオードは固体の一方通行電気弁のように働き、電流を一方向にのみ流すことを可能にします。
この利点は、ダイオードを用いて太陽光回路の他の部分からの電流の流れを遮断できることです。太陽光発電パネルで使用されるこれらのタイプのシリコンダイオードは一般的にブロッキングダイオードと呼ばれます。
前回の太陽光パネルに関するチュートリアルでは、「バイパスダイオード」が単独または複数の太陽電池と並行して使用され、良好で日光に十分にさらされたPVセルから流れる電流が過熱し、弱いまたは部分的に日影に覆われたPVセルを焼き損ねるのを防ぐために、悪いセルの周りに電流経路を設けていることを説明しました。ブロッキングダイオードはバイパスダイオードとは異なる使い方があります。
バイパスダイオードは通常、PVセルやパネルと「並列」に接続され、周囲の電流をシャントしますが、遮断ダイオードはPVパネルに「直列」接続され、電流が戻るのを防ぎます。したがって、ブロッキングダイオードはバイパスダイオードとは異なりますが、ほとんどの場合ダイオードは物理的には同じですが、設置方法や目的が異なります。以下の太陽光発電パネルを考えてみてください。
太陽光発電アレイにおけるダイオード
先ほど述べたように、ダイオードは電流を一方向に流すことを可能にする装置です。緑色のダイオードはよく知られたバイパスダイオードで、各PVパネルに並列に配置され、パネル周りに低抵抗の経路を提供します。しかし、赤色の2つのダイオードは「ブロッキングダイオード」と呼ばれ、各シリーズの枝に直列に1つずつあります。これらの遮断ダイオードは、直列アレイから外部の負荷、コントローラ、またはバッテリーへだけ電流が流れるようにします。
これは、同じアレイ内の他の並列接続されたPVパネルから発生した電流が弱い(シェード付き)ネットワークを通って逆流するのを防ぎ、また完全に充電されたバッテリーが夜間にPVアレイを経由して放電または電力が戻るのを防ぐためです。したがって、複数のPVパネルが並列に接続されている場合、各並列接続支線にはブロッキングダイオードを使用するべきです。
一般的に、遮断ダイオードは、太陽が空を移動する際に日中にアレイの一部が部分的に影に遮られる可能性がある場合に、PVアレイで使われます。使用される遮断ダイオードのサイズや種類は、太陽電池アレイの種類によって異なります。太陽光発電アレイには2種類のダイオードがあり、PN接合シリコンダイオードとショットキーバリアダイオードです。どちらも幅広い電流範囲で提供されています。
ショットキーバリアダイオードは、シリコンデバイスのPNダイオードの0.7ボルト降下に比べて、順方向電圧降下が約0.4ボルトとかなり低くなっています。この低い電圧降下により、太陽電池アレイの各直列枝で1つのPVセルを節約できるため、ブロッキングダイオード内で消費される電力が少なく、アレイの効率が向上します。ほとんどのメーカーは、設計を簡素化するために遮断ダイオードをPVモジュール内に搭載しています。
自分だけの太陽光発電アレイを作ろう
太陽放射量と日々のエネルギー需要は、太陽光発電アレイおよび太陽光発電システムの設計における二つの制御要因です。太陽光発電アレイは負荷需要に対応し、システムの損失を考慮したサイズでなければならず、太陽光アレイのどの部分の遮りもシステム全体の出力を大幅に減少させます。
太陽光パネルが直列に接続されている場合、各パネルの電流は同じになり、部分的に日陰になっている場合は同じ電流を発生させることはできません。また、日陰付きのPVパネルは電力や廃棄物を熱として消費し、発生するのではなく熱として利用するため、バイパスダイオードの使用により代替の電流経路を提供することでこうした問題を防げます。
完全直列接続システムではブロッキングダイオードは必須ではありませんが、夜間や太陽放射が低い時にバッテリーからアレイへの逆電流流を防ぐために使用すべきです。いかなる設計においても、日光以外の気候条件も考慮しなければなりません。
シリコン太陽電池の出力電圧は温度に関連したパラメータであるため、設計者は日々の極端な気温(高温・低気温)や季節変動の両方を把握しなければなりません。さらに、雨や降雪も設置構造の設計に考慮しなければなりません。特に山頂の設置では風荷重が重要です。
次回のチュートリアル「太陽光発電」では、半導体太陽光発電アレイと太陽光パネルをスタンドアローンPVシステムの一部として活用し、オフグリッド用途向けに電力を生成する方法を見ていきます。
もし太陽光発電パネルが個々の太陽光電池を接続して構成されている場合、太陽光発電アレイ、単に太陽光パネルこれは複数の太陽光パネルが接続されたシステムです。
したがって、太陽光発電アレイは複数の太陽光パネルを電気的に配線して、より大きなPVシステム(PVシステム)を形成するアレイであり、一般的にアレイの総表面積が大きいほど、より多くの太陽光発電を生み出します。
完全な太陽光発電システムは、太陽光アレイを電力供給の主な電源として使用します。単一の太陽光パネルやモジュールで発電される太陽光発電量は、一般利用には不十分です。
ほとんどのメーカーは、出力電圧が12Vまたは24Vの標準的な太陽光パネルを製造しています。多くの単一PVパネルを直列接続(高電圧要求の場合)と並列接続(高電流要求の場合)することで、PVアレイは望ましい出力を生み出します。
太陽光発電式太陽電池アレイ
太陽電池やパネルは太陽エネルギーを直流(DC)電力に変換します。単一の太陽光発電アレイにおける太陽光パネルの接続は、単一パネル内のPVセルの接続と同じです。
アレイ内のパネルは、直列、並列、またはその混合で電気的に接続できますが、一般的には出力電圧を高めるために直列接続が選ばれます。例えば、2枚の太陽光パネルを直列に接続すると、電圧が2倍になり、電流は変わらないままです。
太陽光発電アレイのサイズは、都市環境で複数の個別のPVモジュールやパネルがつながれ屋根に設置されたものから構成されることもあれば、フィールド内で数百枚のPVパネルが相互接続されて町や近隣全体に電力を供給することもあります。モジュール式太陽光発電アレイ(PVシステム)の柔軟性により、設計者は大小を問わず多様な電力需要に対応できる太陽光発電システムを構築できます。
異なるメーカーの太陽光パネルやモジュールは、たとえ出力、電圧、電流出力が名目上似ていても、単一のアレイに混同してはいけないことに注意が必要です。これは、太陽電池のI-V特性曲線やスペクトル応答の違いが、アレイ内で追加のミスマッチ損失を引き起こし、全体の効率を低下させる可能性が高いためです。
太陽光発電アレイの電気的特性
太陽光アレイの電気的特性は、出力電流と電圧の関係にまとめられます。太陽放射量と強度(太陽放射量)は出力電流量(I)を制御し、太陽電池の動作温度はPVアレイの出力電圧(V)に影響を与えます。太陽光パネル(I-V)の曲線は、電流と電圧の関係を要約するもので、メーカーによって次のように示されています。
太陽電池アレイのパラメータ
VOC = オープンサーキット電圧:– これは端子がいかなる負荷にも接続されていない状態(開回路状態)にアレイが供給する最大電圧です。この値は、負荷によって固定されるPVアレイの動作に関連するVmaxよりもはるかに高いです。この値は直列に接続されたPVパネルの数に依存します。
ISC = 短絡電流– 出力コネクタが短絡した際(短絡状態)にPVアレイが供給する最大電流。この値は、通常の動作回路電流に関係するImaxよりもはるかに高い値です。
Pmax = 最大パワーポイント– これは、負荷に接続されたアレイ(バッテリー、インバータ)から供給される電力が最大値に達するポイント、すなわちPmax = Imax x Vmaxに関係します。太陽光発電アレイの最大出力はワット(W)またはピークワット(Wp)で測定されます。
FF = フィルファクター –フィルファクターは、通常動作条件下でアレイが実際に提供できる最大電力と、オープンサーキット電圧とショート回路電流の積(Voc x Isc)との関係です。このフィルファクター値はアレイの品質のイメージを示し、フィルファクターが1に近づくほど(1)となります。 アレイが供給できる電力が増えるほどです。典型的な値は0.7から0.8の間です。
% EFF = 効率% –太陽光発電アレイの効率とは、アレイが生み出せる最大電力と、アレイに当たる太陽放射量の比率です。典型的な太陽電池アレイの効率は通常、使用されるセルの種類(単結晶、多結晶、非晶質、薄膜)によって約10〜12%と低くなります。
太陽光発電I-V特性曲線は、設計者が最大ピーク電力点にできるだけ近づけて動作可能なシステムを構築するために必要な情報を提供します。ピークパワーポイントは、太陽光モジュールが太陽放射(1平方メートルあたり1000ワット、1000 W/m2または1kW/m2)に相当する最大電力を発生させるときに測定されます。以下の回路を考えてみてください。
太陽光発電アレイ接続
上記の単純な太陽光発電アレイは、示したように4つの太陽光モジュールで構成されており、2つの並列な分岐を形成し、2つのPVパネルが電気的に接続されて直列回路を形成しています。したがって、アレイからの出力電圧はPVパネルの直列接続と等しく、上記の例では次のように計算されます:Vout = 12V + 12V = 24ボルト。
出力電流は並列分岐電流の合計に等しくなります。各PVパネルが直射日下で3.75アンペアを発生させると仮定すると、総電流(IT)は次のようになります:IT = 3.75A + 3.75A = 7.5アンペア。すると、太陽全日下での太陽電池アレイの最大出力は次のように計算できます:Pout = V x I = 24 x 7.5 = 180W。
PVアレイは、各PVパネルまたはモジュールの最大出力が45ワット(12V x 3.75A)であるため、直射日光下で最大180ワットに達します。しかし、太陽放射のレベルや温度影響、電気損失などにより、実際の最大出力は通常、計算された180ワットよりはるかに低いです。そして、私たちの太陽光発電アレイの特性を次のように提示できます。
太陽光発電アレイの特徴
太陽光発電アレイにおけるバイパスダイオード
太陽電池とダイオードは、どちらもP型シリコン材料とN型シリコン材料を融合させた半導体デバイスです。光に当たると電圧を発生させる太陽電池とは異なり、PN接合ダイオードは固体の一方通行電気弁のように働き、電流を一方向にのみ流すことを可能にします。
この利点は、ダイオードを用いて太陽光回路の他の部分からの電流の流れを遮断できることです。太陽光発電パネルで使用されるこれらのタイプのシリコンダイオードは一般的にブロッキングダイオードと呼ばれます。
前回の太陽光パネルに関するチュートリアルでは、「バイパスダイオード」が単独または複数の太陽電池と並行して使用され、良好で日光に十分にさらされたPVセルから流れる電流が過熱し、弱いまたは部分的に日影に覆われたPVセルを焼き損ねるのを防ぐために、悪いセルの周りに電流経路を設けていることを説明しました。ブロッキングダイオードはバイパスダイオードとは異なる使い方があります。
バイパスダイオードは通常、PVセルやパネルと「並列」に接続され、周囲の電流をシャントしますが、遮断ダイオードはPVパネルに「直列」接続され、電流が戻るのを防ぎます。したがって、ブロッキングダイオードはバイパスダイオードとは異なりますが、ほとんどの場合ダイオードは物理的には同じですが、設置方法や目的が異なります。以下の太陽光発電パネルを考えてみてください。
太陽光発電アレイにおけるダイオード
先ほど述べたように、ダイオードは電流を一方向に流すことを可能にする装置です。緑色のダイオードはよく知られたバイパスダイオードで、各PVパネルに並列に配置され、パネル周りに低抵抗の経路を提供します。しかし、赤色の2つのダイオードは「ブロッキングダイオード」と呼ばれ、各シリーズの枝に直列に1つずつあります。これらの遮断ダイオードは、直列アレイから外部の負荷、コントローラ、またはバッテリーへだけ電流が流れるようにします。
これは、同じアレイ内の他の並列接続されたPVパネルから発生した電流が弱い(シェード付き)ネットワークを通って逆流するのを防ぎ、また完全に充電されたバッテリーが夜間にPVアレイを経由して放電または電力が戻るのを防ぐためです。したがって、複数のPVパネルが並列に接続されている場合、各並列接続支線にはブロッキングダイオードを使用するべきです。
一般的に、遮断ダイオードは、太陽が空を移動する際に日中にアレイの一部が部分的に影に遮られる可能性がある場合に、PVアレイで使われます。使用される遮断ダイオードのサイズや種類は、太陽電池アレイの種類によって異なります。太陽光発電アレイには2種類のダイオードがあり、PN接合シリコンダイオードとショットキーバリアダイオードです。どちらも幅広い電流範囲で提供されています。
ショットキーバリアダイオードは、シリコンデバイスのPNダイオードの0.7ボルト降下に比べて、順方向電圧降下が約0.4ボルトとかなり低くなっています。この低い電圧降下により、太陽電池アレイの各直列枝で1つのPVセルを節約できるため、ブロッキングダイオード内で消費される電力が少なく、アレイの効率が向上します。ほとんどのメーカーは、設計を簡素化するために遮断ダイオードをPVモジュール内に搭載しています。
自分だけの太陽光発電アレイを作ろう
太陽放射量と日々のエネルギー需要は、太陽光発電アレイおよび太陽光発電システムの設計における二つの制御要因です。太陽光発電アレイは負荷需要に対応し、システムの損失を考慮したサイズでなければならず、太陽光アレイのどの部分の遮りもシステム全体の出力を大幅に減少させます。
太陽光パネルが直列に接続されている場合、各パネルの電流は同じになり、部分的に日陰になっている場合は同じ電流を発生させることはできません。また、日陰付きのPVパネルは電力や廃棄物を熱として消費し、発生するのではなく熱として利用するため、バイパスダイオードの使用により代替の電流経路を提供することでこうした問題を防げます。
完全直列接続システムではブロッキングダイオードは必須ではありませんが、夜間や太陽放射が低い時にバッテリーからアレイへの逆電流流を防ぐために使用すべきです。いかなる設計においても、日光以外の気候条件も考慮しなければなりません。
シリコン太陽電池の出力電圧は温度に関連したパラメータであるため、設計者は日々の極端な気温(高温・低気温)や季節変動の両方を把握しなければなりません。さらに、雨や降雪も設置構造の設計に考慮しなければなりません。特に山頂の設置では風荷重が重要です。
次回のチュートリアル「太陽光発電」では、半導体太陽光発電アレイと太陽光パネルをスタンドアローンPVシステムの一部として活用し、オフグリッド用途向けに電力を生成する方法を見ていきます。