太陽光発電システム

太陽光発電システムは、一般的に独立型システム、系統連系システム、ハイブリッドシステムに分けられます。太陽光発電システムの適用形態、適用規模、負荷の種類に応じて、6つのタイプに分類されます。

システム紹介

太陽光発電システムの用途形態、適用規模、負荷の種類に応じて、太陽光発電システムはより細かく分類されます。太陽光発電システムは、さらに以下の6つのタイプに分類されます。小規模太陽光発電システム（Small DC）、簡易直流システム（Simple DC）、大規模太陽光発電システム（Large DC）、交流・直流給電システム（AC/DC）、系統連系システム（Utility Grid Connect）、ハイブリッド給電システム（Hybrid）、系統連系ハイブリッドシステムです。各システムの動作原理と特徴については、以下で説明します。

電源システム

小型太陽光発電システムの特徴は、システム内に直流負荷のみが存在し、負荷電力が比較的小さく、システム全体の構造がシンプルで操作が簡単なことです。主な用途は、一般家庭用システム、各種民生用直流製品、および関連娯楽機器です。例えば、我が国の西部地域では、このタイプの太陽光発電システムが広く普及しており、負荷は直流ランプであり、無電化地域の家庭用照明問題を解決するために使用されています。

DCシステム

このシステムの特徴は、システム内の負荷がDC負荷であり、負荷の使用時間に特別な要件がないことです。負荷は主に日中に使用されるため、システムではバッテリーは使用されず、コントローラーも不要です。システムは構造がシンプルで、直接使用できます。太陽光発電モジュールが負荷に電力を供給し、バッテリーへのエネルギーの蓄積と放出のプロセス、コントローラーでのエネルギー損失がなくなり、エネルギー利用効率が向上します。PVウォーターポンプシステム、日中の一時的な機器電源、一部の観光施設でよく使用されます。図1は、シンプルなDC PVポンプシステムを示しています。このシステムは、飲用用の純粋な水道水がない発展途上国で広く使用されており、大きな社会的利益を生み出しています。

大規模太陽光発電システム

上記2つの太陽光発電システムと比較すると、大規模太陽光発電システムは依然として直流電源システムに適していますが、この種の太陽光発電システムは通常、負荷電力が大きい。負荷への安定した電力供給を確保するために、それに応じたシステム規模も大きくなり、より大きな太陽光発電モジュールアレイとより大きなバッテリーパックを備える必要がある。その一般的な応用形態は、通信、遠隔測定、監視機器の電源供給、農村地域の集中電源、ビーコン灯台、街灯などです。この形態は、わが国西部の無電地域に建設された一部の農村太陽光発電所で使用されており、中国移動と中国聯通が電力網のない遠隔地に建設した通信基地局も、この太陽光発電システムを電源として使用しています。例えば、山西省万家寨の通信基地局プロジェクトなどです。

ACおよびDC電源システム

上記の3つの太陽光発電システムとは異なり、この太陽光発電システムは直流負荷と交流負荷の両方に同時に電力を供給でき、システム構成の点でも上記の3つのシステムよりも多くのインバータを備えており、直流電力を交流電力に変換して交流負荷のニーズに対応します。通常、このようなシステムの負荷消費電力も比較的大きいため、システム規模も比較的大きくなります。交流負荷と直流負荷の両方に対応する通信基地局や、交流負荷と直流負荷に対応する太陽光発電所などで使用されています。

系統接続システム

この太陽光発電システムの最大の特徴は、太陽光発電パネルで発電された直流電力が系統連系インバーターを介して系統連系電力網の要件を満たす交流電力に変換され、直接系統連系されることです。負荷外では、余剰電力が系統にフィードバックされます。雨天時や夜間など、太陽光発電パネルが発電しない、あるいは発電電力が負荷需要を満たせない場合は、系統連系電力網から電力を供給されます。電力エネルギーが直接系統連系されるため、バッテリーの設置が不要となり、バッテリーへの蓄電・放電プロセスが省略されます。ただし、出力電力が電圧、周波数などの系統電力要件を満たすようにするために、専用の系統連系インバーターが必要です。インバーターの効率の問題により、依然として一定のエネルギー損失が発生します。このようなシステムでは、多くの場合、商用電源と太陽光発電モジュールアレイを並列に接続し、ローカルAC負荷の電源として使用することができます。これにより、システム全体の負荷電力不足率が低減されます。さらに、系統連系型太陽光発電システムは、公共電力網のピークカットにも貢献します。ソイイング・エレクトリックは、系統連系システムの特性を踏まえ、数年前から様々な利得と損失を伴う電力の循環利用に特化した太陽光発電系統連系インバータの開発に成功しています。これにより大きな進歩が遂げられ、系統連系システムにおける一連の技術的課題が克服されました。

混合供給システム

この太陽光発電システムでは、太陽光発電モジュールアレイに加え、石油発電機もバックアップ電源として使用されています。ハイブリッド電源システムを採用する目的は、様々な発電技術の利点を総合的に活用し、それぞれの欠点を回避することです。例えば、前述の独立型太陽光発電システムの利点はメンテナンスの容易さですが、欠点はエネルギー出力が天候に左右され不安定であることです。

ディーゼル発電機と太陽光発電アレイを組み合わせたハイブリッド電源システムは、単一エネルギーの独立型システムと比較して、天候に依存しないエネルギーを提供できます。

系統接続型混合供給システム

太陽光発電産業の発展に伴い、太陽光発電モジュールアレイ、商用電源、バックアップ用石油発電機を総合的に活用できる系統連系ハイブリッド電源システムが登場しています。この種のシステムは通常、コントローラとインバータを統合し、コンピュータチップを用いてシステム全体の動作を全面的に制御し、様々なエネルギー源を総合的に活用して最適な動作状態を実現します。また、AESのSMDインバータシステムのように、バッテリーを使用することでシステムの負荷電力供給保証率をさらに向上させることもできます。このシステムは、ローカル負荷に適切な電力を供給し、オンラインUPS（無停電電源装置）として機能します。電力は、系統から供給または取得することもできます。システムの動作モードは通常、商用電源と太陽光発電を並列で動作させることです。ローカル負荷にとって、太陽光発電モジュールの発電電力が負荷の使用に十分である場合、太陽光発電モジュールの発電電力を直接使用して負荷のニーズに供給します。太陽光発電モジュールの発電量が直近の負荷の需要を超える場合、余剰電力を系統に戻すこともできます。太陽光発電モジュールの発電量が不足している場合は、商用電源が自動的に有効になり、商用電源を使用してローカル負荷の需要を供給します。負荷の消費電力がSMDインバータの定格主電源容量の60%未満の場合、主電源は自動的にバッテリーを充電し、バッテリーが長時間フローティング状態であることを保証します。主電源に障害が発生した場合、つまり主電源が故障した場合、または主電源の品質が標準に達していない場合、システムは自動的に主電源を切断し、独立した動作モードに切り替わり、負荷に必要なAC電力はバッテリーとインバータによって提供されます。主電源が正常に戻ると、つまり電圧と周波数が上記の正常状態に戻ると、システムはバッテリーを切断し、系統接続モードに切り替わり、主電源から電力を供給します。一部の系統接続型ハイブリッド電源システムでは、システム監視、制御、データ収集機能も制御チップに統合できます。このようなシステムの中核コンポーネントは、コントローラとインバータです。

オフグリッド太陽光発電システム

オフグリッド太陽光発電システムは、太陽光発電モジュールで発電し、コントローラーを介してバッテリーの充放電を管理し、直流負荷またはインバータを介して交流負荷に電気エネルギーを供給する新しいタイプの電源です。高原、島嶼、遠隔山岳地帯、過酷な環境の現場作業で広く使用されています。また、通信基地局、広告ライトボックス、街路灯などの電源としても使用できます。太陽光発電システムは無尽蔵の自然エネルギーを利用し、電力不足地域の需要対立を効果的に緩和し、遠隔地の生活と通信の問題を解決します。地球の生態環境を改善し、持続可能な人類の発展を促進します。

システム機能

太陽光発電パネルは発電部品です。太陽光発電コントローラは、発電した電気エネルギーを調整・制御します。調整されたエネルギーはDC負荷またはAC負荷に送られ、余剰エネルギーはバッテリーパックに送られて蓄えられます。発電した電気が負荷のニーズを満たせない場合、コントローラはバッテリーの電力を負荷に送ります。バッテリーが完全に充電された後、コントローラはバッテリーが過充電されないように制御する必要があります。バッテリーに蓄えられた電気エネルギーが放電されると、コントローラはバッテリーを保護するために過放電しないようにバッテリーを制御する必要があります。コントローラの性能が良くないと、バッテリーの寿命に大きく影響し、最終的にはシステムの信頼性に影響します。バッテリーの役割は、夜間や雨の日に負荷に電力を供給できるようにエネルギーを蓄えることです。インバータは、AC負荷で使用するためにDC電力をAC電力に変換する役割を果たします。