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太陽光発電システムの構成

太陽光発電システムの構成


・系統連系システムの種類
一般に商用の配電線網を「系統」といいます。この系統に発電設備をつないで運転することを「系統連系」といい、現在普及している太陽光発電システムのほとんどは系統連系システムです。
系統連系した状態で施設の電気系統を運用している場合、需要が多くなるとその余剰電力は系統を通して電力会社側へ戻っていきます。これを逆潮流といいます。
系統連系システムは、逆潮流ありのシステム(余剰電力買取システム)と逆潮流なしのシステム(自家消費システム)、非住宅を主体とした全量買取システムの3種類に区分することができます。

(a)逆潮流ありのシステム
太陽光発電システムに余剰電力が生じた場合に電力会社が買い取る制度を利用したもので、平成21年11月の制度が開始されました。
太陽光発電は、その出力が天気に大きく左右されるので、安定した電力を使用するためには電力会社と系統連系して運用する必要があります。
晴天日など、太陽光パネルからの出力が施設内の消費電力に対して不足する場合は、その不足分を系統連系から補う仕組みになっています。
夜間や悪天候時など、太陽光パネルからの出力が足りない場合は、従来通り電力会社から供給されます。
また、停電時には、電力会社の系統連系と切り離して、非常用照明や通信機器に電力を供給させることができる自立運転機能付きのシステムも多く採用されています。

(b)逆潮流なしのシステム
工場など施設内の電力需要が常に太陽光パネルからの出力より大きく、余剰電力があまりないため逆潮流電力を生じる可能性がない場合に採用されます。
このシステムでは、系統連系へ余剰電力を逆潮流させることが認められないため、逆方向の電流が少しでも生じた場合に太陽光発電システムの出力を下げたり、運転を停止したりする機能が必須となります。

(C)全量買取システム
平成24年の固定価格買取制度が運用開始となって以降、急速に拡がりました。住宅以外の10kW以上となるシステムにおいては、ほとんどがこの制度を利用しています。
その名前のとおり、発電した電力を全量、電力会社に系統連系し売電するものです。電力会社には、20年間固定価格での買取が義務付けられています。



では、太陽光発電システムを構成する機器にはどのようなものがあるのか、ご説明しましょう。
・太陽光パネルとアレイについて
今回は、最も導入量が多いシリコン系の太陽光パネルを例にとって説明します。太陽光パネルは、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する最小単位である「太陽電池セル」が基本となります。太陽電池セルは10~15㎝角の板状のシリコンにpn結合(ポジティブとネガティブ)を形成した半導体の一種です。太陽電池セルは、1つでは発生電圧が小さいので、直列に接続して太陽光パネルとして用いられます。

数十枚の太陽電池セルを耐候性パッケージに納めて構成されているのが、太陽光パネルです。
シリコン系の太陽光パネルは、その材質によって変換効率が異なります。
変換効率は、単結晶シリコン太陽光パネルが15~19%、多結晶シリコン太陽光パネルが13~15%、薄膜シリコン太陽光パネルが8~10%、その他の化合物太陽光パネル(CIS,CIGSなど)が11~12%となっています。
変換効率の良いものはコストが高い場合が多く、また、色や柔軟性にそれぞれ特徴があるため、効率や設置性を考慮してパネルが選択されます。

太陽光パネルを、鋼材等を用いて屋根や地上に設置した全体を「太陽電池アレイ」といいます。
太陽電池アレイは、複数枚の太陽光モジュールを直列または並列に接続して必要な直流電圧と発電電力が得られるように構成されます。
「電池」という言葉のイメージから、太陽電池は蓄電するイメージをもたれることがありますが、蓄電するのではなく、パネルを直列、並列に接続して構成することから「太陽電池アレイ」と呼ばれているのです。



・パワーコンディショナとは
パワーコンディショナとは、パワコンと呼ばれ、直流を交流へ変換するインバータと、事故等の場合に系統を保護する系統連系保護装置等で構成されています。
インバータは、太陽電池アレイで発電した直流電力を、電力会社から供給される電力と同等の電圧と周波数の交流電力に変換します。
パワコン主要部分はこのインバータであるため、パワコン自体をインバータと呼ぶこともあります。

パワコンから供給される電力と、電力会社から供給される電力との関係についてご説明しましょう。
例えば、住宅内で1kWの電力を使っているとします。パワコンから供給される電力が3kWであれば余剰の2kW分は電力会社の配電線へ逆潮流し、電力会社へ買い取ってもらうことができます。
逆に住宅内の電力需要がインバータから供給される電力よりも多い場合は、不足分の電力が電力会社の配電線から流れ込んで補うことになります。
 なお、10kW以上のシステムでは、固定価格買取制度により発電した電気をすべて電力会社に系統連系し売電することができます。これが、全量買取制度です。
連系保護装置の部分は、電気設備の技術基準の解釈で規定されている安全装置として働きます。
この連系保護装置は、周波数の上昇・低下の検出や過不足電圧の検出をはじめ、電力会社の配電線の停電検出(単独運転検出)により太陽光発電システムを系統から一時的に切り離すための安全装置として機能します。
連系保護装置はインバータに内蔵されるのが一般的であるが、別置きで設置される場合もあります。



・関連機器と部品について
太陽光発電システムを構成する、その他の関連機器と部品についてご説明します。
●接続箱
接続箱とは、ストリング(太陽電池アレイの1単位)ごとに発電した直流電力を、ある一定のブロックごとにまとめ、パワコンまたは直流集電箱に供給するための盤です。
住宅用では、ほとんどが接続箱1台でまかなわれますが、産業用は規模が大きいため、複数台の接続箱が使用されるケースが多くみられます。
●集電箱
集電箱には、直流側(太陽光パネル側)で使用する直流集電箱と交流側(系統側)で使用する交流集電箱があります。
直流集電箱とは、メガソーラーなどパワコン容量が大きなタイプを使用する場合に主に用いられ、複数の接続箱でまとめられた直流電力をさらに大容量にまとめ、パワコンに供給するための盤です。
交流集電箱とは、中規模システムなど、容量の小さなパワコンを複数まとめて系統または受変電設備へ供給するための盤です。
●キュービクル式高圧受電設備
パワコン出力を集電して高圧に昇圧する変圧器、主遮断装置、低圧遮断器などの機器を備える設備です。
系統連系規定に基づき、OVGR(地絡過電圧継電器)など、保護継電器を実装しています。
総称して「キュービクル」と呼ばれることもあります。


2019年問題

 太陽光パネルメーカー大手の「ソーラーフロンティア」が、2017年にメインのパネルの生産を国富工場に集約しました。それまで稼働していた宮崎工場、そして昨年本格的に稼働したばかりの東北工場の生産を中止したのです。


 その背景にあったのがアメリカです。アメリカは2016年から結晶系パネルの価格競争が一気に過熱し、価格が急落、いくつかのパネルメーカーは破産を余儀なくされました。


こんにちは、天意です。

 太陽光パネル業界で国内メーカーが逆境に立たされています。ソーラーフロンティアは、産業用では国内メーカー最後の雄としてここまで市場を牽引してきましたが、とうとう大きく舵を切り始めました。 本日はその経緯と今後の方策をお伝えしようと思います。





生産拠点を国富へ集約


 ソーラーフロンティアは以前からアメリカに進出しており、アメリカの状況には他社よりも詳しかったですが、ここまでの激変は予想できなかったのです。


 もともと生産品の4割をアメリカへと輸出していたため、アメリカはいわば大口の顧客というべき存在でした。結果的に、ソーラーフロンティアは生産のほとんどを輸出から国内販売へと切り替えるしか、すべはありませんでした。


 2016年第4四半期には、国富工場の生産を7割に抑えてしのごうとしましたが、結局大打撃となり、12月の決算は前期比で22%の減収227億円もの赤字を計上しました。


 以降、現在まで国内販売にシフトし、赤字幅は減少していますが、17年には3期連続で赤字となり、最終的に生産拠点を国富への集約を決定し、そのほかの工場で早期希望退職者を募りました。


頭をかかえる男性に雷




コストの見直してチャンスへつなげる


 工場の集約は生産の縮小や工員のリストラなど、悪い面が目立ちますが、見方を変えればコストの見直しになり、収益力向上が見込める策でもあります。


  例えば東北工場で作られていたのは3x4の低電圧、宮崎では2x4を生産してきましたが、これらは当然国富でも生産されるようになります。


 また、宮崎工場は80MWと小規模なうえに、施設の老朽化が課題だったため、すべてを国富に集約することで、そもそもの製造原価が抑えられるうえに、コスト構造を見直して競争力を高める一つのチャンスとしても考えられます。




東北工場は開発拠点として復活


 最初に書きました通り、東北工場は16年から本格的に生産をスタートさせたばかりの工場でした。東北工場の主な目的は、将来の海外生産展開を目指すうえでのモデル工場となる事でした。


 出力も180Wを超える高出力パネルの生産に注力しており、これから本格生産をというところで、アメリカの突然の事態により、方向を修正したのです。以降は3x4の低電圧を限定的に生産していましたが、実は東北工場で取り組んでいた、出力向上技術は無駄にはなりませんでした。


 国富にて、これまで東北で生産していた3x4の180wはすでに生産可能になり、18年からは190wのパネルの生産、販売も十分可能という判断になりました。さらに、東北工場は、19年をめどに新製品の開発拠点として、再び復活させることを明言しました。


 しかし、現段階では依然として厳しいままです。生産部門の人員が余っていることは確かで、早期希望退職者の募集や、国内販売の拡充により生産から営業への転換を命じられる社員も大勢いました。


 東北工場から20人が国富工場へ、宮崎工場からは50人国富工場や営業へと回されました。ですが18年、19年以降、東北工場で開発が進められる新製品は、軽くて薄く、割れないという頑丈なパネルで、差別化を図った新たな価値を、とソーラーフロンティア平野社長が明言しました。




まとめ


 ソーラーフロンティアは、他のメーカーとは異なる方式(CIS)のパネルで独自性を出し、差別化を図ってきました。影や曇りに強い特性を活かし、近年かなりシェアを伸ばしてきてもいました。しかし、価格競争は激しさを増し、価格の安い中国勢に押される形となってしまいました。


 弊社も最近2年にわたって取り扱いをさせていただいておりましたので、何とかこのピンチを乗り切って、復活を遂げて欲しいと願っています。アメリカのピンチが、チャンスへと変わる一手になってくれれば幸いです。





ソーラーシェアリング

前置き
 農地認定された土地は農業以外に商業利用してはならないという規約があります。
 しかし、その規約が見直され、一定期間商業利用を認める一時転用という考えが広まっています。
 その先駆けとして営農用太陽光発電(ソーラーシェアリング)というものがあります。

見出し1:『新たな土地利用の可能性』
 営農用太陽光発電(ソーラーシェアリング)とは農業を行っている土地で、同時に太陽光による発電を行う仕組みです。
 これにより農業収益の他に、発電した電力を売ることで収益を得ることが出来るようになります。
 この動きは2013年3月末から始まった農地の一時転用の規則緩和によりスタートし、その許可件数は、初年度の13年で100件未満から増加し、16年度で380件程になりました。
 けれども、全体から考えると普及しているとは言い難い状況です。
 営農用太陽光発電設備は特殊な架台を使うため、設置コストが割高なのに撤去時の買い取り価格が一般設備と変わらず、事業者の負うリスクが高くなっているのが原因です。

見出し2:『高い障壁 営農の継続』
 更に、一時転用を認める条件として事業者に出された「営農の継続」の3要点が普及が進まない主な要因となっていると推測されます。

①8割以上の収量
 事業者は農地に太陽光発電設備の設置後も、その農地で取れる平均収量の8割以上を確保することを条件とされます。
 これを満たせなければ一時転用の許可が取り消され、撤去しなければならなくなります。
 しかし収量を量る方法が具体的に示されていないという問題点が不安要素として挙げられています。

②期限3年の一時転用
 事業者は3年ごとに一時転用の申請義務を負います。
 農林水産省は「営農が確認できれば、3年後も継続的に農地の転用を認める」と定めていますが、許可されない場合も想定されます。
 よって金融機関は営農用太陽光発電による収入を不確実とし、融資基準を厳しく設定しているのが実情となっています。

③農業委員会の許認可
 事業者は規則緩和まで農地転用を厳しく取り締まって来た農業委員会に申請し、一時転用の許可を貰います。
 そのため、申請を認可してくれる自治体が増えつつあるなかで、いまだに申請段階で不認可とされるケースも少なくありません。

まとめ:【営業用太陽光で農家の悩みを解決】
 農家の高齢化が深刻な日本では、全ての農地を管理するのは難しい状態です。
 しかし農地によっては最低限の管理が必要となる場所もあり、それらの管理費用は農家にとって頭の痛い問題点です。
 そう言った農地を太陽光発電の場として活用することで、売電収入から管理費用を捻出することができます。
 農地の保全のため、あるいは農業衰退に歯止めをかけるための手段として、営農用太陽光発電は国策として推進していくべき課題となっていくべきでしょう。

エネファーム&エコキュート

 ゼロエネルギー住宅の推進が叫ばれる現在ですが、太陽光発電システム以外にも、様々な省エネ、創エネ設備が日々開発されています。

 こんにちは、天意です。

 今回は、ZEH(ゼロエネルギーハウス)※には不可欠のヒートポンプ式電気給湯器ののエコキュート、家庭用燃料電池のエネファームにスポットを当てていきます。

※ZEH:「ゼッチ」と読みます。快適な室内環境を保ちながら、住宅の高断熱化と高効率設備により、出来る限り省エネルギーに努め、太陽光発電等によりエネルギーを創ることで、1年間で消費する住宅のエネルギー量が正味で概ねゼロ以下となる住宅。



ヒートポンプ式電気給湯器「エコキュート」

 エコキュートとは、大気熱のエネルギーと電気エネルギーを使い、効率よくお湯を作る給湯器の一種です。従来、給湯器というとガスや電気「だけ」でお湯を作っていましたが、エコキュートは電力だけでお湯を沸かすのに比べ、およそ3分の1に抑えました。

 ZEHにおいての省エネ設備として、高い威力を発揮する給湯器になります。このエコキュートと相性が良いのが、オール電化であり、太陽光発電設備です。

 エコキュートはもともと、2001年には一般発売されており、住宅用太陽光発電システムが普及する前から、オール電化設備製品の一つとして販売されていました。実際、太陽光発電システムを取り扱う前からすでに販売していたという事業者も少なくありません。パナソニックや三菱電機など、大手企業でも取り扱っており、実売価格は50万円程度となっていました。

 しかし、年間出荷台数は2010年の57万台をピークに減少していき、ここ数年では40万から45万台規模で推移していました。11年の原発事故以降は各電力会社や政府も含め、あらゆる支援、補助金が生まれたため、再び上昇し始めています。

 もともと、給湯にかかるエネルギーの消費量は、一次エネルギーの消費量の中で3分の1を占めており、エコキュートなどの給湯の省エネ設備は非常に効果的なものになります。例えば太陽光パネルがあまり多くつけられない住宅でも、エコキュートで効率を上げることで、ZEH化も可能になります。



各メーカー、それぞれのメリットがある

 メーカー各社は、このエコキュートに様々な付加価値をつけて発売させました。三菱はマイクロバブルを使った配管洗浄や、入浴機能をプラスし、パナソニックは湯温をお好みで3つのモードから簡単にセレクトできる、混浴セレクト機能を搭載させました。湯温の上下がたやすくできるという機能です。

 エコキュートは特に、連携して使うのが最も経済的な利用になります。例えばパナソニックのエコキュートは、HEMSと連携して、太陽光発電の余剰電力を使って自動で沸き増しできる機能があります。これは後に、売電するよりも自家消費する方が経済的という状況になった時、かなりの節約になります。そして、その時は刻一刻と近づいているはずです。



家庭用燃料電池「エネファーム」

 エネファームは燃料電池の一種です。仕組みは都市ガスやLPガスなど、通常使っているガスから取り出した水素を、空気中の酸素と化学反応させ、電気を生み出すというものです。そこで発生した熱ももちろん活用でき、非常に効率の高いコジェネレーション(熱と電気の併給)システムになっています。

 熱は主に給湯に用い、万が一切れたときにもバックアップの熱源機も内蔵しています。発電した電気は家庭内で自家消費されますが、去年から電力自由化が施行され、各地で売電が可能になりました。

現在、エネファームの主なメーカーは、固体高分子型燃料電池のパナソニックと、東芝の燃料電池システム、そして固体酸化物型燃料電池のアイシン精機の3社がメインとなっています。16年発売のモデルでは3社とも700ワットで、中でも東芝ものは通常の一戸建て4人家族であれば、電力量の6割ほどは賄えるといわれて意味明日。

 更に東芝のエネファームは学習制御機能をもち、最適な運転を自動で制御し、行うとされています。元々東芝の燃料電池システムは、12年頃から自立運転機能を搭載したエネファームも発売しており、それの発展形とも言えます。

 実は、家庭用燃料電池は、基本的にガス系の販売店、事業者から発売されていることが多いため、太陽光発電を専門とするような電気店などでは、あまり取り扱いはありません。しかし、特別太陽光発電システムと相性が悪いというわけではなく、むしろその逆で、FITが始まってからは太陽光発電システムと家庭用燃料電池を併用し、ダブルで自家発電をするという利用法が非常に効率よくなったのです。

 昼間は太陽光発電システム、夜はエネファームなどの燃料電池で発電することで、大きく助けられるどころか、太陽光そのものの搭載量も少なく済むのです。ただし、家庭用燃料電池は導入コストが非常にかかるものでもあります。現在も国や一部自治体などで補助金制度が継続しておりますが、それでも相場としては140万円程度が大半です。



まとめ

 今回はエコキュート、エネファームについて簡単にご紹介していきました。どちらの設備も、各メーカーごとにあらゆる付加価値をつけ、凌ぎを削っています。そして、太陽光発電設備とコラボレーションすることによって、更に相乗効果を得ることができるのです。自分の住宅、ライフスタイルに合わせた設備を使って、省エネ、創エネ住宅を作っていきましょう。


太陽光パネルの影の影響

響とPID

ホットスポットバイパスダイオード
太陽光パネルは、「太陽電池セル」という小さな半導体の集合体です。セルは直列につながっていて、発電した電気はセルの中にある電線を通って流れていきます。
セルを流れている電気が何らかの原因で流れにくくなると、抵抗が次第に大きくなって、電気が滞ってしまいます。
その際に太陽電池セルに直列で接続されている他の太陽電池セルの全電圧が印加され、発熱します。これを「ホットスポット」といいます。
太陽光パネルのガラスに鳥のフンや落ち葉がついたり、雑草が伸びてしまってになるなどした場合に起こる他、太陽電池セルに欠陥または特性劣化が生じた場合にも起こります。
これを防ぐために、太陽光パネルには通常、太陽電池セル数個単位で太陽電池セルの電流と逆方向になるよう、並列に「バイパスダイオード」がついています。
太陽光パネルは太陽電池セルを直列に接続した「ストリング」で構成されています。バイパスダイオードは、このストリングを保護します。セル表面に当たる光量に大きな差ができたとき、バイパスダイオードが働き電流を通します。
道路でいう「一般道路」と「バイパス」のような関係ですね。
太陽光パネルができる時、ストリングに沿ってができる場合は太陽光パネルの日陰面積に応じてI-V特性の電流が減ります。
一方で、すべてのストリングにまたがって、一部がになる場合は、太陽電池アレイの電圧がへっていく為、接続するパワーコンディショナが動作しなくなってしまいます。

PID現象について
PID(Potential Induced Degradation)現象とは、高圧の太陽光発電所などで太陽光パネルを多数、直列に接続し高電圧下で運用した場合に発生が懸念される劣化現象で、発電量が大幅に低下するのが特徴です。
太陽電池セルと大地との間の設置電圧は太陽光発電システムの設計によって異なりますが、1000Vの電圧を抑制しながら温度50℃、相対湿度50%の環境下で太陽光パネルを48時間維持すると出力特性が40%以下に低下するものがあることが、ドイツのフランフォーファー研究所から2012年6月に報告されました。
このPID現象は、太陽光パネルに高電圧が印加されることにより、ガラス中のナトリウムイオンが太陽光パネルの電気特性を低下させる現象として知られています。
システムを設計する上での対策も検討されていますが、どのような太陽光発電システムでも安心して利用できるように、太陽光パネルそのもののPID耐性を確認する公的な試験法の規格化が求められています。

・太陽光パネルの強度について
太陽光パネルは長時間にわたって屋外で風雨に晒されるため、その強度に対する信頼性が非常に重要です。
このため、太陽光パネルの仕様には耐風圧などの記載がされるようになっています。
試験方法はJISで定められており、結晶系太陽光パネルの環境試験法、耐久性試験方法(JIS C 8917)、アモルファス太陽光パネルの環境試験法、耐久性試験方法(JIS C 8938)で規定されています。
風による加重に耐えるための耐風圧試験については、送風機と圧力箱を用いた装置で行いますが、簡易的に乾燥砂を太陽光パネルの上から載せていく静荷重試験でも良いとされています。
雹による衝撃に耐えるための降雹試験は、アイスボールを用いて試験を行いますが、簡易的に鋼球を1mの高さから落下させて強度を確認する方法も許可されています。
太陽光パネルを取り付ける際の機械的強度に耐えるための耐久性試験は、ねじり試験として太陽光パネルを剛体枠に固定し、一隅を一定量変化させて問題がないことを確認しています。
また、太陽光パネルの認証を取得するための規格としては、「太陽光モジュールの安全性適合認定-第2部:試験に関する要求」(JIS C 8992-2)においては、破壊した際の壊れ方などを規定することにより、太陽光パネルの安全性を確保しています。

プロフィール

天意(てんい)

運営者:天意(てんい)
 太陽光発電初心者が投資に失敗しないための知識や業界の動向を現場目線でお伝えしていきます。
 メディアでは報道されない業界の現状や本当の姿を紹介していければと思います。
 → 詳しいプロフィール
 

 
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