太陽エネルギーについて : 太陽光発電システムの概要

太陽光発電システムの仕組みの概要

太陽光発電システムには、太陽光を流体の熱に変換するコレクター、利用可能なときに電力を収集して必要に応じて分配するためのバックアップ電源ユニット、ストレージから負荷に電力を送信するデバイス、および必要なポンプ、制御などがあります。太陽光から直接エネルギーを抽出するプロセスは、光起電プロセスと呼ばれます。太陽電池は、放射束を直接電流に変換するPV検出器の一種です。さらに、太陽光が必要なため、PVセルを介した熱によって電力を生成できます。

日光が当たると、パネルはバッテリーよりも高い電圧を生成し、バッテリーを充電できるようにします。多くのパネルにはブロッキングダイオード（電気が一方向にのみ流れることを可能にする電気要素）があり、日光が不十分なときにバッテリーがパネルから放電しないようにします。バッテリーへの接続は、使用するための低電圧直流を提供するために行うことができます。

シリコンは半導体であり、絶縁体と金属の両方の特性を備えていることを示しています。頂点層にはシリコンのドープに使用されるリンまたはヒ素が含まれ、最下層にはホウ素またはガリウムが含まれます。リンには5つの価電子があり、これが化学を説明しています。 4つの電子をシリコンに転送し、シリコンは5番目の電子を放出して結合を形成します。シリコン結晶内で多くのリン原子が置換されると、多くの自由電子が存在し、n型シリコンになります。

n型のシリコンは、電子の大部分が存在することを示しています。ホウ素シリコンドーピングの場合、シリコン結晶格子は電子を失います。その結果、それは多数の正孔と少数の電子を持つp型シリコンです。太陽光の粒子、つまり光子が太陽電池パネルに直接落ちると、電子が放出されます。仕事はまだ終わっていません。電気を生成するには、不均衡を作成する必要があります。

p型とn型のシリコンがしっかりと構造化されていれば、これが可能です。 n型シリコンからの余分な電子がp型シリコンに存在する正孔内を移動し、セル全体に電界を生成します。さらに、シリコンは半導体であるため、絶縁体であり、不均衡を効果的に維持できます。

ソーラーパネルの製造に使用される材料

通常、シリコンにはリン、ヒ素、ホウ素、またはガリウムがドープされています。

最近、研究者たちは、はるかに安価で、効率的で、信頼性の高い新しい元素であるアルゴンヌIIIを開発しました。

さらに、シリコンと比較すると、製造時間が短くて済みます。

これにより、コストが高いために家に設置できなかった多くの人々にとって、ソーラーパネルがより手頃な価格になります。

したがって、それは費用効果の高い環境の長期的な開発にとって非常に重要な発明です。

人々がその有用性に基づいて使用するソーラーパネルにはさまざまな種類があります。

ソーラーパネルを購入する際には、設置場所、用途（住宅用またはビジネス用）、コストなど、いくつかの要素を考慮する必要があります。

以下は、ソーラーパネルのいくつかの例です。

多結晶シリコンソーラーパネル

ポリシリコンと多結晶シリコンをベースにしています。生のシリコンを最初に溶かし、次に正方形の型に流し込み、冷却して、完全に正方形のウェーハに切断します。

さらに、1981年に初めて市場に投入されました。多結晶パネルは長寿命です。

25年前に設置されたパネルはまだ完全に機能していることが発見されました。

彼らは120から150ワットメートル四方の性能を持っています。 12％から15％の例外が可能です。

結晶利得境界は電子をトラップする可能性があるため、効率は大幅に低くなります。

多結晶パネルは熱係数が低く、高温定格がわずかに低いことを意味します。

設置に必要なスペースが少なく、広く入手可能ですが、単結晶シリコンソーラーパネルよりも生産性が低くなります。

単結晶シリコンソーラーパネル

単結晶シリコンソーラーパネルは合金からカットされており、パネルに一貫したレイアウトを提供します。

これらの天文サイズの結晶はまれであるため製造が難しく、再結晶プロセスには非常にコストがかかります。電力とサイズの比率が高く、1平方メートルあたり135〜170ワットの効率があります。さらに、一部のユニットでは、18％の効率変換が可能になりました。主な欠点は、日陰やほこりに敏感なことです。日陰に太陽電池が1つしかない場合でも、その性能は20％に低下します。

アモルファスまたは薄膜ソーラーパネル

蒸着により、シリコンが基板にスプレーされます。シリコン水は1ミクロンの厚さの層を持っており、単結晶または多結晶の水よりも生成に必要なエネルギーが少なく、効率が低いことを示しています。他の2つのパネルと比較すると、高温の環境で優れたパフォーマンスを発揮しますが、より多くのスペースを占有します。シリコンの使用量が少なく、アルミフレームがないため、全体の効率が自動的に低下します。 Staebler-Wronski効果はモジュールの効率を低下させます。基本的な理由は、日光に長時間さらされるとアモルファスシリコンの密度が変形するためです。

太陽光発電システムインバーターの目的は何ですか？

インバーターは、ソーラーシステムの中で最も労働集約的なコンポーネントです。その主な機能は、ソーラーパネルから流れる直流（DC）を家で使用される交流（AC）に変換することです。この主要な機能とは別に、ソーラーインバーターは、電圧追跡、グリッド通信、および緊急遮断という3つの追加タスクを実行します。ソーラーパネルインバーターは、ソーラーシステムの電圧を継続的に監視して、ソーラーパネルが動作できる最適な電力を決定し、パネルが全体を通して最もクリーンな電力を生成するようにします。オフグリッドインバーターは、一般に、より安価な修正正弦波技術を使用します。

対照的に、グリッドに接続された家庭用ソーラーインバーターは、AC電力の純粋な正弦波を生成し、敏感な家電製品がスムーズかつ効率的に動作することを保証します。ソーラーインバーターは電力網と通信する必要があります。インバーターは、短期間の停電の場合に、ソーラーパネルからのエネルギーが家の外の送電線に出ないようにします。これにより、配線の修理を行う専門家が混乱することはありません。家に電力が必要ない場合、またはバッテリーがいっぱいの場合、インバーターは電力負荷をグリッドに供給します（ソーラーシステムに接続されている場合）。インバーターは、危険な電気アークを検出した場合にもシャットダウンする必要があります。これは、システムの経年劣化や、家の配線やソーラーパネル内の材料の劣化によって引き起こされます。安全遮断に関しては、一部のインバーターが他のインバーターよりも優れています。

太陽光発電システム用のインバーターオプション

あなたの家にソーラーパネルシステムを設置するときに行う最も重要な決定の1つは、使用するインバーターのタイプです。インバーターは、複雑なパワーエレクトロニクスとソフトウェアが含まれているため、太陽光発電システムの継続的なパフォーマンスにとって重要です。

選択できるソーラーインバーターには4つの主要なタイプがあります。

文字列インバーター

ストリングインバーターは、基本的にグループでつなぎ合わされたパネルで動作するように設計されています。パネルによって生成されたすべてのDC電力は、ACに変換するために一度にラインを介してインバーターに送られます。ストリングインバーターは複数のストリングセットを処理でき、ソーラー設備のサイズによっては複数のストリングが必要になる場合があります。パネルの1つが、特定の時間に木陰になっているとします。その場合、生産量は最も性能の悪いソーラーパネルの性能に依存するため、セット全体の効率が低下します。ストリングインバーターは通常10年から15年続きます。直射日光を避け、涼しく換気の良い場所に設置すれば、最長20年も使用できるものもあります。

マイクロインバーター

いくつかのパネルが日陰、損傷、または鳥の糞が多すぎるために危険にさらされたとき、一部の巧妙なエンジニアは、システムパフォーマンスの問題を解決するためにソーラーマイクロインバーターの概念を考案しました。マイクロインバーターは、すべてのパネルの背面でDCをACに変換する役割を果たします。さまざまな遮光条件下でも、ソーラーパネルから自宅と電力網に最大レベルの交流（AC）電力が流れます。調査によると、ストリングインバーターの代わりにマイクロインバーターを使用すると、部分的に遮光されたソーラー設備の効率が27％向上します。各パネルにコンポーネントを配置すると、個別のパネルモニタリングも可能になり、予期しないパフォーマンスの問題が発生した場合に警告を発します。

パワーオプティマイザー

マイクロインバーターと同様のパワーオプティマイザーは、各ソーラーパネルの背面に取り付けられており、個々のパネルの追跡が可能です。ただし、電気をDCからACに変換することはありません。むしろ、ソーラーパネルのストリングを流れるDC電流の電圧とステータスを監視して、最大量の電力がインバーターに送られるようにします。最適化および調整されたDC電力は、変更された小型のインバーターに送られ、DC電力が交流（AC）に変換されます。パワーオプティマイザーのセットアップは、マイクロインバーターよりも安価で、信頼性が高く、簡単なシステム拡張が可能です。バッテリーとソーラーパネルは同じDC言語で会話するため、パワーオプティマイザーはバッテリーバックアップシステムに最適です。ソーラーパネルからの電力でバッテリーを直接充電できるため、DCをACに変換してからDCに戻すことによるシステムの損失を防ぐことができます。

ハイブリッドインバーター

信頼性とエネルギーの独立性がますます重要視されているため、ハイブリッドインバーターは家庭用バッテリーバックアップシステムも補完することに注意することが重要です。ハイブリッドインバーターは、ソーラーパネルからのDC電力を家庭用のACに変換し、グリッドからDCへのAC電力を変換してバッテリーバンクを充電することができます。また、充電コントローラーも含まれています。充電コントローラーは、バッテリー、家庭用回路、またはグリッドに電気を送るタイミング、またはグリッドから電気を引き出してバッテリーを充電するタイミングをインテリジェントに検出します。一部のハイブリッドインバーターには、グリッドがダウンしているときに重要なホーム回路に電力を供給するためにインストールできるさまざまなモードがあります。

太陽光発電システムの計装とメーター

ナットやボルトに至るまで、必要なすべてのコンポーネントを備えた事前設計されたソーラーパネルを購入できます。あなたの場所とニーズの説明を考慮して、どんな良いベンダーもあなたのためにシステムのサイズを決めて指定することができます。それでも、システムの各部分、利用可能なさまざまなタイプ、および選択基準に関する知識は不可欠です。サージプロテクタは、雷がソーラーパネルまたは近くの電力網に当たった場合に発生する可能性のある電圧スパイクからシステムを防ぎます。電力サージは、設計電圧を超える電圧の大幅な増加です。ソーラーパネルは主に2種類のメーターを利用します。

ユーティリティキロワット時計

ユーティリティキロワット時メーターは、グリッドに供給またはグリッドから受信される電力量を測定します。公益事業会社は通常、太陽光発電システムを備えた家庭でデジタルディスプレイを備えた双方向メーターを使用して、両方向の電気を別々に追跡します。一部の電力会社では、逆回転できる標準のメーターを使用できます。この場合、ユーティリティメーターは、グリッドから電力を引き出すと前方に回転し、システムが電力をグリッドに供給するか「プッシュ」すると後方に回転します。

システムメーター

システムメーターは、システムの状態と有効性を監視および表示します。モジュールによる発電、使用エネルギー、バッテリー充電などが監視対象の例です。システムメーターなしでシステムを実行することは可能ですが、メーターを強くお勧めします。最新の充電コントローラーにはシステム監視機能が含まれているため、別のシステムメーターは必要ない場合があります。

太陽光発電システムが切断される

自動および手動の両方の安全切断により、配線とモジュールが電圧スパイクやその他のシステム障害から保護されます。また、システムを安全にシャットダウンし、修理やメンテナンスのために部品を取り外すことができるようにします。グリッド接続システムの場合、安全切断により、発電設備がグリッドから分離されていることを確認します。これは、ユーティリティ担当者の安全にとって重要です。全体として、システム内のすべての電源またはエネルギー貯蔵デバイスは切断する必要があります。システムの機能ごとに異なる切断を行う必要は必ずしもありません。たとえば、インバータが外部に配置されている場合、1つのDC切断は、アレイDC切断とインバータDC切断の両方として機能できます。コンポーネントのメンテナンス中は、個別の切断を怠ると危険な状態になるかどうかを検討してください。切断の位置も考慮に入れてください。不便な位置にある切断は、維持中に電源をオンのままにする傾向を促し、安全上のリスクをもたらす可能性があります。コンポーネントのDC切断は、メンテナンスまたは障害検出を実行している間、ソーラーパネルからの電流の流れを確実に停止するのに役立ちます。電圧スパイクから保護するために、アレイのDC切断には、集積回路ブレーカーまたはヒューズを含めることもできます。

インバーターのDC切断は、インバーターのAC切断と組み合わせて、システム全体からインバーターを安全に切断するために使用されます。ほとんどの場合、インバーターのDC切断は、アレイのDC切断としても機能します。インバーターAC切断は、ソーラーパネルを家の配線とグリッドから切り離します。 AC切断は通常、家のメイン電気パネルの内部に設置されます。インバーターが電力会社の近くにないとします。その場合、通常、安全で、目に見えるブレードがあり、簡単にアクセスできるようにユーティリティグリッドの隣に設置されている外部AC切断が必要です。電気パネルの内部またはインバーターの一部として配置されたAC切断は、これらの仕様を満たしていません。メーター自体の取り外しは、アクセス可能なAC切断と同様に一部の公益事業会社に適用できるオプションのひとつですが、それは標準ではありません。機器を購入する前に、公益事業会社にアクセスして、グリッド接続の仕様を確認してください。電気パネル、追加のAC切断はインバーターの近くに設置する必要があります。

太陽光発電システムモジュール

ソーラーモジュールは、太陽エネルギーシステムの中核です。プロデューサーは多くの太陽電池を配線してソーラーモジュールを作成します。ソーラーモジュールを構内に設置する場合、それらは直列に接続されてストリングを形成します。モジュールの文字列を並列に接続すると、配列が形成されます。グリッド接続された住宅用PVシステムは、定格出力が100〜300ワットのモジュールを使用します。定格電力は、25°Cのセル温度で静止空気中の1平方メートルあたり1,000ワットの太陽光線でパネルが生成できる最適なエネルギーです。実際の現実は、市販の効率を補完することはめったにないため、実際のエネルギー出力は多くの場合少なくなります。バッテリーを使用しない複雑なシステムは、通常、235Vから600Vを生成するように配線されています。バッテリーベースのシステムでは、より高いアレイ電圧も使用されていますが、ほとんどの充電コントローラーは、バッテリーストリングの電圧を補完するために、12V、24V、または48Vのより低い電圧を必要とします。モジュールの価格と機能は技術と生産技術が向上するにつれて絶えず変化しているため、どのタイプのモジュールが最も安価であるか、または全体的に最良のオプションであるかなど、将来的に当てはまる推奨事項を作成することは困難です。比較は、プロデューサーによって提供された現在の詳細と使用法の厳密なガイドラインに基づいて行う必要があります。高性能モジュールのワット数と面積の比率は大きくなります。効率が高いほど、パネルの同じエネルギー出力を達成するために必要な面積は小さくなります（つまり、モジュールが少なくなります）。より効率的なモジュールは設置コストを削減しますが、これはモジュールのより大きなコストとバランスを取る必要があります。