オフグリッドシステム用のソーラーパネル、バッテリー、および充電コントローラーのサイズを決定する方法

適切なソーラーサイズが重要な理由

太陽光発電システムのサイズを小さくすると、バッテリーが切れてユーザーが不満を感じることになります。サイズが大きすぎると、お金が無駄になり、不要な重量が無駄になります。これは、リモート設置、ポータブルフィールド機器、およびオフグリッドのセンサーノードにとって本当の問題です。事前に正しく計算しておけば、どちらの故障モードからも回避できます。

サイジングの核となる問題は、要約すると単純なエネルギーバランスに帰着します。つまり、曇りの日やシステム損失に備えて十分な余裕をもって、少なくとも消費するのと同じ量のエネルギーを 1 日あたりに生成する必要があります。では、その背後にあるエンジニアリングについて見ていき、次に実数を計算してみましょう。

エネルギーバランス

基本方程式は単純です。1 日のエネルギー需要「MATHINLINE_9」をワット時単位で表すと、次のようになります。

「MATHBLOCK_0」

ここで、「MATHINLINE_10」はワット単位の平均負荷電力、「MATHINLINE_11」は負荷が 1 日あたりに稼働している時間数です。24 時間 365 日稼働する負荷については、「MATHINLINE_12」と入力します。

ソーラーパネルは、日照時間帯にこのエネルギーを生成する必要があります。ここで重要な指標はピーク日照時間 (PSH) です。これは、完全な「MATHINLINE_13」照度での 1 日あたりの時間数に相当します。これは場所や天候によって大きく異なります。

-低温 (曇り/北部): ~3 時間 -平均 (気温): ~5 時間 -最高気温 (砂漠/赤道): ~7 時間

その場合、必要なパネルワット数「MATHINLINE_14」は次のようになります。

「マスブロック_1」

ここで、「MATHINLINE_15」は配線、チャージコントローラーの効率、温度ディレーティング、パネルの劣化など、現実世界の損失を考慮に入れています。一般的なシステム効率係数は、「MATHINLINE_16」から「MATHINLINE_17」です。私たちの計算機では、実用的なデフォルトとして「MATHINLINE_18」を使用しています。

バッテリーバンクのサイズ調整

太陽が当たらないときでも、バッテリーはエネルギーを供給します。必要なバッテリー容量は、必要な自律走行日数によって異なります。つまり、太陽光発電がなくてもシステムが連続して稼働できる曇りの日数です。

「MATHBLOCK_2」

ここで、「MATHINLINE_19」はシステム電圧 (12V、24V、または48V) で、DOD は最大放電深度です。鉛蓄電池の場合、寿命を延ばすために、DODは通常「MATHINLINE_20」になっています。LifePoの場合は、「MATHINLINE_21」にプッシュできます。この計算機は「MATHINLINE_22」(保守的で化学にとらわれない選択) を想定しているので、そこからスケールを調整できます。

チャージコントローラーの電流

充電コントローラーはパネルとバッテリーの間にあり、電流を調整して過充電を防ぎます。チャージコントローラーの最小定格電流は次のとおりです。

「MATHBLOCK_3」

「MATHINLINE_23」の安全係数（NEC 690.8準拠）は、STCを超える放射照度の急上昇を説明しています。雲の縁に反射する寒くて晴れた日には、パネルが定格出力を一時的に超えることがあります。

実際の例:リモートウェザーステーション

15 Wを継続的に消費するリモートウェザーステーション用のシステムのサイズを考えてみましょう。 与えられた: -負荷電力:「マチンライン_24」 -デューティサイクル:24 時間/日 -場所:温帯 (平均 PSH = 5) -システム電圧:「マチンライン_25」 -自治日数:3 -システム効率:「マチンライン_26」 -DOD:「MATHINLINE_27」 ステップ 1 — 毎日のエネルギー:

「マスブロック_4」

ステップ 2 — 必要なパネルワット数:

「マスブロック_5」

ここでは、100 W パネルを 1 枚用意するのが当然の選択肢です。11% という余裕のあるマージンが得られます。

ステップ 3 — パネル電流:

「マスブロック_6」

ステップ 4 — 必要なバッテリー容量:

「MATHBLOCK_7」

2つの100 Ah鉛蓄電池を並列に接続すると、これをうまくカバーできます。

ステップ 5 — 充電コントローラーの電流:

「マスブロック_8」

10 A の PWM または MPPT チャージコントローラなら、余裕を持ってこれを処理できます。100 W パネル (MPPT コントローラへの最大電力点に標準的な「MATHINLINE_28」が取り付けられています) を使用する場合は、10 A のコントローラで十分です。

実用的な設計のヒント

システム電圧を賢く選択してください。 電圧が高いほど、電流が少なくなり、ワイヤが細くなり、「MATHINLINE_29」損失が減少します。これは、ケーブルが数メートル以上続く場合は特に重要です。48Vシステムでは、同じ電力の12Vと比較して、電流が4分の1に減少します。 自律稼働日を無駄にしないでください。 重要なシステム (通信リピーター、医療用冷蔵、セキュリティカメラ) では、3～5 日間の自律走行が標準です。重要ではない趣味のプロジェクトでは、1～2 日で十分かもしれません。 季節による変動を考慮してください。 温暖な緯度で通年運用できるように設計している場合は、年間平均ではなく、冬季の PSH 値 (通常は 2 ～ 3 時間) に合わせてサイズを調整してください。この最悪の場合の分析には、計算機の「低」PSH設定が役立ちます。

温度は重要です。 ソーラーパネルの出力は、結晶シリコンの場合、25°Cを超えるとおよそ「MATHINLINE_30」低下します。砂漠の暑い環境では、セル温度が 60°C の場合、100 W パネルは 85 W しか供給できないかもしれませんが、システム効率係数でこれを部分的にカバーできますが、極端な環境では明示的なディレーティングを追加してください。

試してみてください

スプレッドシートを飛ばして [ソーラーパネルサイズ計算ツールを開く] (https://rftools.io/calculators/power/solar-panel-sizing/) で自分だけの数値を計算してください。負荷電源を接続し、ピーク日照時間とシステム電圧を選択し、自律性要件を設定すると、パネルのワット数、バッテリー容量、充電コントローラーの電流が即座にわかります。これは、コンポーネントの調達を開始する前に設計の健全性をチェックする最速の方法です。