オフグリッドシステム用のソーラーパネルとバッテリーのサイズ

適切なソーラーサイズが重要な理由

ソーラーシステムのサイズが小さすぎると、バッテリーが切れたり、ユーザーが怒ったりすることになります。サイズが大きすぎると、不要なパネルやバッテリーで現金を消費してしまいます。これは余分な重量を意味し、遠隔地の山頂リピーターサイトに機器を運ぶ場合や、フィールドセンサーの設置を軽量に保とうとする場合に頭痛の種になります。最初から計算を正しく行うことで、これら両方の故障モードを回避できます。

コアのサイズの問題は実際には単なるエネルギーバランスです。少なくとも 1 日に消費するのと同じ量のエネルギーを生成する必要があります。さらに、曇りの天候や実際のハードウェアで避けられない損失に備えて、ある程度の余裕を持たせる必要があります。ほとんどのエンジニアは、ここでの注意深い分析を飛ばして推測しているだけで、なぜ毎年冬にシステムが停止するのか、なぜ必要な量の2倍を消費するのか疑問に思います。エンジニアリングをきちんと説明してから、実際の数値を使って実際の例を考えてみましょう。

# #エネルギーバランス

基本方程式から始めましょう。あなたの1日のエネルギー需要 $E_{\text{day}}$（ワット時）は次のようになります。

ここで、$P_{\text{load}}$ はワット単位の平均負荷電力、$t_{\text{on}}$ は負荷が実際に稼働する1日あたりの時間数です。年中無休で稼働しているものがあるなら、$t_{\text{on}} = 24$ です。かなり簡単です。

ここが面白いところです。太陽電池パネルは、日照時間が取れる時間帯にこのエネルギーを生成しなければなりません。重要な指標はピーク日照時間 (PSH) です。これは、$1000 \, \text{W/m}^2$ の全放射照度での 1 日あたりの時間数に相当します。これは、その日の変化する太陽光を最大強度で等しい周期に圧縮するようなものと考えてください。この数値は、現在地や天候によって大きく異なります。

• 低気候 (曇り/北部の気候): 約3時間
• 平均 (温帯): 約 5 時間
• 最高気温 (砂漠/赤道): 最長7時間以上

必要なパネルワット数 $P_{\text{panel}}$ は次のようになります。

この $\eta_{\text{sys}}$ という用語はきわめて重要です。現実世界で遭遇するであろうすべての損失を説明しているからです。配線抵抗、チャージコントローラーの非効率、パネルの温度低下、時間の経過に伴うパネルの漸進的な劣化。一般的なシステム効率係数は、$0.75$ から $0.85$ の間です。この計算ツールは $0.80$ を実用的な中間点として用いており、過度に悲観的になることなくほとんどの設備で機能します。

バッテリーバンクのサイズ

バッテリーは、太陽が協力していないときでもシステムを稼働させ続けるものです。必要な容量は、必要な自律性日数によって決まります。基本的に、太陽光発電がまったくなくてもシステムが連続して何日間稼働できるかということです。

バッテリー容量の方程式は次のとおりです。

ここで、$V_{\text{sys}}$ はシステム電圧（通常は12V、24V、または48V）であり、DODは許容される最大放電深度です。この数値は、お使いのバッテリーの化学的性質に大きく依存します。従来の鉛蓄電池では、早期に電池が切れるのを避けるため、通常はDODを $0.50$ に制限しています。定期的にそれよりも深く放電すると、思ったより早く交換することになります。 LiFePO₄ 電池はより寛容で、$0.80$ 以上に押し上げることができます。私たちの計算機は、$0.50$ を控えめなデフォルトとして想定しています。これはどの化学物質でも機能し、実際に使用しているものに基づいて調整する余地があります。

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、電流の流れを調整して過充電を防ぎます。適切なサイズを設定する必要があります。そうしないと、バッテリーが損傷したり、パネルの容量が無駄になったりします。チャージコントローラーの最小定格電流は以下のとおりです。

その $1.25$ の安全係数はNEC 690.8から直接得られたもので、それには正当な理由があります。ソーラーパネルは、寒くて晴れた日、特に雲の縁の反射効果があると、一時的に定格出力を超えることがあります。適切な条件下では、パネルがネームプレートの定格を15〜20％上回るのを見てきました。コントローラーのサイズは、一般的なケースではなく、最悪のケースを考慮してください。

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全体のサイズを考えてみましょう。これは現実的なシナリオです。センサー、マイクロコントローラー、場合によっては小型の無線送信機が、すべて現場で 24 時間 365 日稼働しています。 与えられたパラメーター:

• 負荷電力: $15 \, \text{W}$
• デューティサイクル:24 時間/日 (連続運転)
• 場所:温帯気候 (平均 PSH = 5)
• システム電圧: $12 \, \text{V}$
• 自治日数:3
• システム効率: $0.80$
• 最大 DOD（放電深度）: $0.50$

ステップ1 — 1日のエネルギー消費量の計算:

つまり、毎日360ワット時を消費していることになります。それほど大きくはありませんが、合計すると増えます。

ステップ 2 — 必要なパネルワット数の決定:

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。計算された最小値を約 11% 上回るマージンが得られますが、これは良い習慣です。この余分なヘッドルームは、時間の経過とともにパネルが劣化し、天候が平均よりも悪くなる原因となっています。

ステップ3 — バッテリーへのパネル電流の計算:

これは、太陽のピーク時にパネルから充電コントローラーに流れる電流です。

ステップ 4 — バッテリーバンクのサイズ調整:

2つの100Ah鉛蓄電池ディープサイクルバッテリーを並列に接続すると、この要件をうまくカバーできます。リーズナブルな価格で見つけられれば、200Ahのバッテリーを1つ使用することもできます。よりコンパクトな設置の場合は、180 Ah LiFePO₄ のバッテリー1個で問題なく動作しますが、初期費用は高くなります。

ステップ 5 — チャージコントローラーの定格電流を選択:

10AのPWMまたはMPPTチャージコントローラは、余裕を持ってこれを快適に処理します。実際に 100 W のパネル (通常、MPPT コントローラーへの給電時の最大電力点が 5.5 A 前後の $I_{\text{mp}}$) を使用する場合、10 A コントローラーで十分です。ピンチで8Aのコントローラーを使うこともできますが、なぜそこまで切ったのでしょう？

実用的なデザインのヒント

システム電圧は、ほとんどの人が考える以上に重要です。 電圧が高いほど、同じ電力でも電流が少なくなり、配線が細くなり、$I^2R$ の損失が大幅に減少します。これは、ケーブルの長さが数メートルを超える場合に重要になります。48 V システムでは、同じ電力レベルで 12 V の場合の 4 分の 1 に電流が削減されます。配線の節約だけでも、大規模システムの電圧変換の費用を賄うことができます。 自動運転の日に安くするのはやめましょう。 通信リピーター、医療用冷蔵庫、セキュリティカメラなど、ダウンタイムにより実際のお金や安全性が犠牲になるような重要なシステムでは、標準で3～5日間の自律性が望まれます。重要ではない趣味のプロジェクトや実験的なセットアップの場合は、1 ～ 2 日で済む場合があります。しかし、システムが停止したらどうなるかは、自分に正直に言ってください。 通年運用を想定して設計する場合は、季節変動を考慮してください。 温帯緯度では、冬季の PSH 値が 2 ～ 3 時間、場合によってはそれ以下に低下することがあります。年間平均 5 時間に基づいてシステムのサイズを設定した場合、夏は問題ありませんが、12 月は問題ありません。この計算ツールの「低」の PSH 設定は、このような最悪の場合の分析に最適です。冬用サイズ、夏は余った分を楽しんでください。 温度はパネル出力を低下させます。 結晶シリコンパネルは、25°Cを超えると摂氏あたり約 $0.4\%$ 減少します。セル温度が60°Cに達する暑い砂漠環境では、100 Wパネルの電力は85Wしか供給できない場合があります。システム効率係数はこれを部分的にカバーしますが、極端な環境（砂漠、熱帯設備、高温が続く場所）では、明示的なディレーティングが追加されます。アリゾナ州のシステムでは、温度係数を適切に考慮していないため、パフォーマンスが 20% 低下しているのを目の当たりにしてきました。 MPPTとPWMコントローラの違い 小型の12Vシステムでは、多くの場合、シンプルなPWMコントローラの方が適切でコストも抑えられます。しかし、より高い電圧で動作している場合や、パネルとバッテリの電圧のミスマッチが大きい場合は、MPPT コントローラの方が、同じパネルから抽出するエネルギーは 20 ～ 30% 多くなります。追加のコストは、必要なパネル数を減らすことで元が取れます。

# #自分で試してみてください

スプレッドシートの悩みを解消して、ソーラーパネルサイズ計算ツールを開くで自分だけの数値を計算しましょう。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すぐにわかります。これは、コンポーネントの調達や特定の構成に取り掛かる前に、設計の健全性をチェックする最速の方法です。パラメータを微調整し、サイジングがどうなるかを確認し、特定のアプリケーションのコストと信頼性の間の最適な場所を見つけましょう。