太陽光発電システムを接続する方法

個人使用のための太陽電池アレイの設計と設置は、気の遠くなるような、しかしやりがいのある挑戦になる可能性があります......自分が何をやっているのか分かっていれば。 ここで、太陽光発電 DIY のすべての長所と短所、および詳細を学びましょう。

2020 年、太陽の下で家、車、船室、ボートにフル電力を供給するのがかつてないほど簡単になりました。まず、国際エネルギー機関は最近、2020 年の展望報告書の中で、太陽光発電は電力の「新しい王」であると述べました。これまでで最も安価な電気の形態。 その結果、DIYSolar によって光熱費が大幅に削減されるか、さらにはなくなることがほぼ確実になりました。

さらに良いことに、家庭用太陽光発電に必要な資材のコストは、過去10年間で70%減少しました。 価格下落の最大の理由は太陽光発電 (PV) パネル自体です。価格は 2 ドル/ワットからわずか 0.20 ドル/ワットまで 90% 下落しました (2019 年に見られました)。

2010 年から 2020 年にかけて、米国における住宅用太陽光発電システムの設置コストは平均して 7.50 ドル/ワットから 2.50 ドル/ワットに低下しました。 (値は場所によって異なり、DC 電源を使用しているか AC 電源を使用しているかにかかわらず、その差は 1 ～ 2 ドルです。)

これは、初期費用が削減され、投資回収期間が短縮されることを意味します。 すべてを正しく行えば、わずか 5 年から 10 年以内に、DIY 太陽光発電システムが収益を上げ始めると考えるのが自然です。 それはあなたにとっても地球にとっても良いことです。

DIY ソーラーの旅はどこから始めますか? ここでは、導入および運用する前に調査する必要がある家庭用太陽光発電プロジェクトのあらゆる側面を見つけることができます。 ここで説明する段階的なプロセスに従うことで、すべての基礎を確実にカバーし、途中で情報に基づいた意思決定と選択を行うことができます。

DIY ソーラーの概要
太陽光発電を設置したいほとんどの住宅所有者は、最終的には設置会社を見つけることになりますが、それだけが唯一の選択肢ではありません。

電気契約に関する強力な背景や経験を持つ日曜大工の方は、こちらのガイドを使用して慎重に調査し計画を立てた後、DIY 太陽光発電プロジェクトを最初から最後まで完了することができます。

そう思われる方は、ぜひ試してみてください! あなたは、今後数十年間にわたってエネルギーの自給自足と低二酸化炭素排出量の達成を可能にするクリーン エネルギー施設を所有し、運営しています。

ただし、複雑な複数の部品からなる電気システムのセットアップにあまり慣れていない DIY 愛好家であれば、プロジェクト中のいくつかの重要なポイント (設置や配線など) で専門家の助けを得て行う DIY 太陽光発電プロジェクトの方が賢明かもしれません。オプション。

チームに経験豊富な人材がいれば、間違ったコンポーネントや粗悪な材料を購入することを避けることができます。 さらに重要なことは、高電圧に関連して致命的な事故が発生する可能性を排除できることです。 また、保証が無効になる可能性も低くなります。

太陽光発電システムの主な種類
住宅や敷地に電力を供給するために選択できる太陽光発電システムには、次の 3 種類があります。

系統連系 - エネルギー需要がシステム出力よりも高い場合、太陽電池アレイは電力会社に直接接続されます。 超過分はグリッドに送られます。 ほとんどの場所では、電力会社の料金が請求書に組み込まれます。

バッテリー バックアップ付きグリッド タイ (ハイブリッド) - この代替案では、ご自宅のソーラー パネルで生成された余剰電力をバックアップ バッテリーに蓄えることができます。 バッテリーが完全に充電されている場合、余剰電力は送電網に送られ、ほとんどの場合、料金が支払われます。 ご家庭のニーズを満たすために、バッテリー バンクがアクティブになり、電力需要のピーク時間になる前にオフになります。

オフグリッド - この太陽光発電セットアップでは、電力供給から完全に独立しています。 太陽電池アレイの出力が何であれ、所有するのはあなたです。 停電を避けるためにバックアップバッテリーを接続できます。

DIY 太陽光発電プロジェクトの調査と計画段階では、次のことを自問する必要があります。

電力需要は正確にはどのくらいですか?太陽光発電設備を確認したいですか?

グリッドタイド、オフグリッド、またはハイブリッド構成のどれが最適ですか?

取得しなければならない許可、免許、検査は何ですか?

私のプロジェクトに市販されている最適な材料は何ですか?

システムが常に最高の効率と機能で動作していることを確認するには、どのようにシステムを監視すればよいですか?

太陽電池アレイがライフサイクル全体にわたって最適に動作するようにメンテナンスするには何をしなければなりませんか?

どのような太陽光発電設備や資材が必要ですか?

急速に拡大する再生可能エネルギー供給市場では、DIY ソーラー システムがその耐用年数全体を通じて効率的に動作するためには、コンポーネントごとに複数のオプションを統合する必要があります。 以下は、ほとんどの太陽系の主要コンポーネントのリストです。 (注: 固有の状況によっては、ここにリストされていない追加の要素が必要になる場合があります。)

ソーラーパネル

インバータ

パワーオプティマイザー

チャージコントローラー

光起電力スイッチ

ケーブル

ラックまたはライザー + ブラケットの取り付け

配線およびその他の電気部品

電池

すべての主要な作業と物流が完了したら、次の作業に進みます。敷地内のどこかのラックまたはポールに PV パネルを取り付け、家庭用の電気パネルに接続します。 グリッドタイドシステム、オフグリッドシステム、ハイブリッドシステムのいずれを選択するかによって、すべてを稼働させるためにさらに電気接続が必要になる場合があります。

DIY ソーラーの利点
太陽電池アレイの購入は多額の投資であるため、選択肢を徹底的に調査し、長所と短所を比較検討することが重要です。

DIY 太陽光発電プロジェクトの主な利点は次のとおりです。

家や車に電気を供給する最も安価な方法。

自分でやったという満足感。

屋外照明や工具小屋などの小規模な電化プロジェクトの場合は、電力網に接続するよりもコスト効率が高い場合があります。

気候危機を抑制するために不可欠な再生可能エネルギーへの移行に個人的に貢献しましょう。

DIY太陽光発電のデメリット

自分で行う太陽光発電プロジェクトにはいくつかの欠点があります。

DIY 太陽光発電プロジェクトの主な欠点は次のとおりです。

太陽電池アレイをゼロから構築するには、あなたが持っていない高度な技術的知識と専門知識が必要です。

DIY ソーラー ホーム キットは通常、小規模プロジェクト向けにオフグリッドで動作するように設計されています。 現在、公共送電網に直接接続できるソーラーキットが入手可能で、家全体に電力を供給できます。

近年、太陽光発電設備全体のコストが劇的に下がっているため、認定企業の認定技術者を利用するよりも自分で作業を行う方がコスト効率が悪くなります。

屋根に太陽光発電を設置するプロジェクトの場合、屋根に穴を開けたり不適切に防水したりするときに、誤って屋根を損傷してしまう可能性があります。

屋根に損傷を与えた場合、保証が無効になる場合があります。 漏れによる水やカビの損傷は保険ではカバーされない場合があります。

無資格の場合、高電圧の近くで作業すると、簡単に感電死を引き起こし、死亡する可能性があります。

屋根に太陽光発電パネルを設置する場合、落下による怪我や死亡のリスクは、高所での作業に慣れていない人にとっては耐えられないほど大きいかもしれません。

太陽光エネルギーを自分で設置すると、認可された太陽光発電会社に依頼した場合に受けられる特定の地方または州のリベートやインセンティブの恩恵を受けられなくなる可能性があります。

DIY 太陽光発電の長所と短所をすべて考慮した後でも、あなたのプロジェクトを支持するかもしれません。 もしそうなら、始める前にやるべきことはたくさんあります。 慎重に従えば、まだ前に出ることができます。

必要な電力を計算する
ソーラーパネルでどのくらいの電力を生成したいですか? この質問に答えることが、DIY 太陽光発電プロジェクトの最も重要な側面です。

これにより、必要なソーラーパネルの数を計算し、必要に応じて、ソーラーストレージに使用するバッテリーバンクのサイズを決定することができます。 エネルギー使用量によって、必要なインバーターや充電コントローラー、配線の太さ、ヒューズのサイズも決まります。

総電力出力を得るには、すべての機器をこの計算に含める必要があります。 すべての家電製品 (冷蔵庫、オーブン、給湯器、コンピューター、テレビ、洗濯機、乾燥機、ヘアドライヤー、時計、照明、電気巾木、スペースヒーター、携帯電話など)、タブレットの電力要件の合計が必要になります。 、 等々。

まず、すべての家電製品やデバイスの消費電力定格ラベルを探します。

これらの中にはワット数が表示されるものもあります。 他の場合には、指定されたアンペア数または電圧に基づいて計算する必要があります。 変換には次の式を使用します。

ワット (W)=ボルト (V) * アンペア (A)

合計に使用できるオンライン計算機が多数あります。 または、次のようなテーブルを設定することもできます。

注: 4 番目の列に記入するには、出力電力 (2 列) に 1 日あたりの使用時間 (3 列) を掛けます。 次に、4 番目の列のすべての値を合計して、1 日に使用する合計ワット数をキロワット時 (kWh) で表します。

あらゆる種類の DIY 太陽光発電プロジェクトで、複数の計算に使用したキロワット時 (kWh) の数を使用して、プロジェクトに完全に電力を供給するために必要なソーラー パネルの数と電圧を計算します。 無料のオンライン計算機を使用すると、DIY 太陽光発電プロジェクトに関連する計算やその他の多くの計算を簡素化できます。

DIY グリッドタイドソーラー
系統接続型太陽光発電システムでは、公共電力会社の送電網に直接接続されます。 これは、太陽電池アレイが必要以上の電力を生成すると、その電力が送電網に送られ、他の人が消費できることを意味します。

ほとんどの場合、電力会社は正味計量と呼ばれるプロセスを通じてこのエネルギーの料金を支払います。 これは、余剰の再生可能エネルギーが送電網に入るときにメーターに戻され、全体的なエネルギー使用量 (支払った金額) が削減されることを意味します。

電力会社が小売または卸売で補償するかどうかは、お住まいの地域によって異なります。 残念ながら、すべての州がネットメーターを許可しているわけではありません。

州の正味測定規則の詳細については、DSIRE (州の再生可能エネルギーおよび効率インセンティブのデータベース) にアクセスしてください。

送電網接続システムでは、夜間などに太陽光発電システムが供給できるエネルギー需要を上回る場合や、パネルが送電網で覆われている場合に、停電を避けて必要な電力を住宅に供給します。

グリッドタイド太陽光発電システムに必要な構成
グリッド接続システム (グリッド接続ソーラー屋上セットアップとも呼ばれます) では、適切な動作のためにいくつかの基本コンポーネントが必要です。

太陽光発電パネル

取り付け金具

系統接続セットアップ用の純粋な正弦波インバーター (PV から家庭用 AC に DC を変換し、追加の AC を電力網に送り返す)

DC またはパワー オプティマイザー (太陽電池から回収されるエネルギーを最大化)

グリッドの切断 (停電時にシステムをシャットダウンします)

DC サーキット ブレーカー (メンテナンスのためにアレイをシャットダウンします)

コンバイナーボックス (すべてのコンポーネントを 1 か所にまとめます)

注: 系統連系システムでは 3 つの異なるタイプのインバータが動作します。 どれを選択する場合でも、純粋な正弦波タイプのインバーターであることを確認してください。 (これについての詳細は、以下の「オフグリッド」セクションを参照してください)。

ストリングインバータ
家が南向きで日陰が問題にならない場合は、ストリング・インバータが最も経済的です。 このインバータでは、一連の複数のパネルからの電流が接続され、インバータに供給されます。 ストリング内の 1 つのパネルがシェーディングの影響を受けるか、故障すると、ストリング全体のエネルギー出力が低下します。

DC オプティマイザー技術を備えたストリング インバーター

DC オプティマイザ技術を備えたストリング インバータは、この問題を解決します。 個別のパワー オプティマイザーがアレイ内の各ソーラー モジュールに接続され、他のすべてのモジュールから独立して動作します。 オプティマイザからのすべての DC は、DC-AC 変換が行われるインバータに送られます。

このタイプのインバータでは、影や障害は特定のパネルにのみ影響します (ストリング全体ではありません)。 このタイプのインバータを使用することで、各パネルの動作を監視することができます。

マイクロインバータ
microinverterはパネル毎にinverterです。 そこでは DC から AC への変換が行われます。 AC 電力は屋根からプールされ、自宅の AC ブレーカー ボックスに直接供給されます。

このタイプのインバータは設置が最も簡単です。 また、それぞれにマイクロインバータを備えた他のタイプまたはモデルの PV パネルを使用して太陽電池アレイを拡張することもできます。 (対照的に、ストリングインバーターを使用して太陽電池アレイを拡張するには、同じタイプのパネルを使用する必要があります。)

すべての要素を考慮すると、グリッド接続システムが最もシンプルで低コストのセットアップです。 オフグリッドおよびハイブリッド システムには、上記のグリッド接続システムの基本コンポーネントに加えて、充電コントローラー、バッテリー バンク、およびその他の追加の過電流保護装置が必要です。

DIY オフグリッド太陽光発電システム
何らかの形でオフグリッドでの生活に興味がある場合、または公共施設から遠く離れている場合は、DIY オフグリッド (スタンドアロンとも呼ばれます) 太陽電池アレイを試すのは簡単です。 2020 年の良いニュースです。遠隔地のキャビン、バン、RV、ボートに電力を供給する場合でも、オフグリッド ソーラーの可能性は事実上無限です。

オフグリッド太陽光発電システムに必要な構成
オフグリッド システムの基本コンポーネントはグリッド接続セットアップと似ていますが、次の点が追加されています。

充電コントローラー (バックアップ バッテリー バンクに DC を送信しますが、過充電を防ぐために時々オフになります)

バッテリーパック（太陽光がない場合の電力供給に必要）

インバーター (電力ニーズに応じて、修正された正弦波または純粋な正弦波)

システムバランス (BoS) コンポーネント (ワイヤー、ヒューズ、ブレーカーボックスなど)

Su-KamSolar 次の短いビデオでは、純粋な正弦波インバーターと修正された正弦波インバーターのさまざまな使用法を説明しています。 2 つの図の違いがわかるだけではありません。 比較も聞けます。

オフグリッド太陽光発電システムの電力要件の決定

前述したように、どのような種類の DIY 太陽光発電プロジェクトでも、必要な電力を決定する必要があります。 オフグリッドを使用すると、その値を計算し、それを保存するために必要なバッテリーの数を把握できます。 数日または数週間持続する電力を使用したい場合は、このことも考慮する必要があります。

バッテリーの場合、室温または室温よりわずかに高い温度での保管が求められているため、これは複雑になります。 これは、凍結状態にある場合、ストレージ容量が大幅に (50% 以上) 減少することを意味します。 したがって、寒い場所や季節では、この理由だけでバッテリーパックのサイズを大幅に増やす必要がある場合があります。

バッテリー電圧
バッテリーパックの電圧 (12V、24V、または 48V) も重要です。 それは、それらを接続するワイヤとインバータにつながるケーブルの太さ（および価格）に影響します。

電圧を決定するには、すべての電化製品に電力を供給するのに何ワットかかるかを考慮してください。 12V バッテリー パックは、携帯電話といくつかの 12V DC 家電には十分な場合があります。 ただし、2,000 ワット以上を生成したい場合は、24V または 48V バッテリー パックの方が合理的です。

太陽の中の時間
もう 1 つの重要な考慮事項は、パネルが毎日受ける太陽光の時間です。 この数値は日照時間と同じではなく、季節によって異なります。

それはパネルの方向に対する太陽の角度によって異なります。 米国の日照時間の地図は、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) から入手できます。

チャージコントローラー
太陽電池アレイの電圧とバッテリーバンクの電圧がわかったら、両方を管理する充電コントローラーが必要になります。 利用可能な充電コントローラ技術には、PWM (パルス幅変調) または MPPT (最大電力点追跡) の 2 つの基本的なタイプがあります。

電圧が一致する場合は、PWM 充電コントローラで十分です。 電圧が異なる場合はMPPTコントローラをご使用ください。

DC/ACコンバータ
最後に重要なことはインバーターです。これは、モジュール内の DC 電力を、AC で動作するデバイスの AC 電力に変換するために必要です。 さらに、インバーターが必要とする AC 電力の種類を知る必要があります。 米国では、120/240V 分割位相、60Hz です。

一部のインバータは設定可能ですが、その他は固定です。 購入する前にインバータの仕様書 (マニュアルまたは会社の Web サイト) をチェックして、システムに必要なものが揃っていることを確認してください。

さらなる考慮事項
さらに複雑な要因は、一部の家電製品は 240 V を使用し、他の製品は 120 V を使用することです。すべてのインバーターが 240 V を生成するわけではないため、すべての電力ニーズを満たすには、定格 120 V のインバーターを 2 つ積み重ねる (つまり、接続する) 必要がある場合があります。 仕様シートを再確認して、適切な機器を使用していることを確認してください。

最後にもう 1 つ: インバーターは、12V、24V、48V のいずれであっても、特定のバッテリーに適合するように設計されています。 したがって、インバーターを購入する前に、使用するバッテリーバンクのサイズを決定する必要があります。

将来的に太陽電池アレイや蓄電池容量を構築したいと考えている場合は、追加の電圧に対応できるインバーターを今すぐ購入しておくと、後で高価なインバーターのアップグレードを行う必要がなくなります。

DIY ハイブリッド ソーラー システム
グリッドタイドソーラーシステムとオフグリッドソーラーシステムの両方の機能を組み合わせたハイブリッドシステムは、両方の長所を享受できます。 夜間や停電時に備えて太陽光エネルギーを蓄えることができます。

これは、夕方または夜間にグリッド電力に対して高いピーク料金を支払わなければならない特定の地域の住宅所有者にとって理想的です。

ただし、適切なネットメーターがあり、停電が最小限に抑えられている地域にお住まいの場合は、標準の送電網システムが最良の選択肢となる可能性があります。

以下の図は、ハイブリッド システムがどのように動作するかを示しています。

このタイプのシステムでは、図に示すように特殊なタイプのハイブリッド インバーターが使用されます。 このセットアップを選択した場合は、設置時にバッテリーを購入する必要があることに注意することも重要です。 バッテリー技術は急速に進化しているため、待機時間が長すぎると、ハイブリッド システムとの互換性がなくなる可能性があります。 これは、後で多くの高価なアップグレードを行う必要があることを意味する可能性があります。

ハイブリッド システムでは、AC 結合バッテリーが一般的です。 これらのバッテリーは、太陽電池アレイからの DC と交流 (AC) 用のグリッド AC の両方を収容します。 現在、Tesla Powerwall は、AC 結合バッテリーとして最も人気のある選択肢の 1 つです。

対照的に、DC 結合バッテリーはソーラー パネルからの DC 電力を蓄え、グリッドからの AC 電力を DC 電力に変換し、これもバッテリーに蓄えられます。

DC 結合バッテリーを使用する PV システムは、現在の AC 結合バッテリーよりもエネルギー効率が高くなります。 この違いは、大規模なインストールではより顕著になります。 したがって、家庭用太陽光発電設備の効率には影響しない可能性があります。

DIY 太陽光発電プロジェクトに最適なソーラー パネルのタイプはどれですか?
住宅プロジェクトには主に 3 種類のソーラー パネルを使用できます。

単結晶太陽電池モジュールは、外側のガラスと金属フレームを備えた均一な黒色のシリコンで作られた 60 個または 72 個の太陽電池で構成されています。 各セルの白いエッジは丸みを帯びています。 単結晶パネルは他のタイプのパネルよりわずかに高価ですが、はるかに効率的です。 太陽光の最大 23% を電気に変換します。

多結晶ソーラー パネルには、60 個または 72 個の太陽電池が含まれており、各太陽電池は斑点のある青色の完全な正方形です。 太陽エネルギーの約 15 ～ 17 パーセントを使用可能な電力に変換します。 多結晶パネルは単結晶モジュールよりわずかに安価です。

薄膜太陽電池は、ガラスなどの固体表面に適用される、軽量で柔軟な光起電力材料のシートです。 薄膜の効率は他のタイプよりもさらに低く、通常は 10-13% のみです。 値段も安いです。

作業に適したソーラーパネルの選択
DIY 太陽光発電プロジェクトのスペースが限られている場合は、多結晶パネルと同様に最高の効率とコストを備えた単結晶パネルが最適な選択です。

スペースに問題がなく、たとえ小さな方法であってもコストを抑えたい場合は、多結晶パネルが適切かもしれません。

薄膜は小規模な太陽光発電設置プロジェクトには適しておらず、その価値もありません。

DIY ソーラーのよくある質問
DIY 太陽光発電のように複雑で高価なプロジェクトの場合は、正しく行う必要があります。 ここでは、あなたが疑問に思っているかもしれないいくつかの質問とその答えを紹介します。

1. DIY 太陽光発電プロジェクトには、グリッドタイド、オフグリッド、またはハイブリッド太陽光発電システムのどれが最適ですか?

この質問に対する正しい答えはありません。 それはあなたの目標、技術的知識、電気経験、エネルギー需要、および所在地によって完全に異なります。

たとえば、4 人家族向けの 2 平方フィートの家全体に電力を供給することが目標で、停電がほとんどないネットメーターを備えている場合、系統接続システムが最も経済的です。

ただし、人里離れた狩猟用シェルターに秋だけ電力を供給したい場合は、オフグリッド太陽光発電システムが最善の策です。

ネットメーターにアクセスできない場合、電力会社がピーク使用量に対して高額な料金を請求する場合、または停電や停電が頻繁に起こる場合には、ハイブリッドソーラーシステムが最良の選択肢です。

2. DIY 太陽光発電プロジェクトの隠れたコストは何ですか?

DIY 太陽光発電プロジェクトを運用開始する前に、地元の管轄区域と電力会社からいくつかの許可料と検査料を支払う必要があります。 彼らと話し合って、いつ何をしなければならないかを確認してください。 どれか 1 つでも欠けていると、プロジェクトの完了が遅れたり、妨げられたりする可能性があります。

ただし、太陽光発電システムの調査を開始する前に、認可を受けていない住宅所有者でも系統接続型太陽電池アレイを設置できるかどうかを確認してください。 そうでない場合は、認可を受けた太陽光発電会社に依頼する必要があります。 当初の予算よりも数千ドル高くなる可能性があります。

屋根や敷地のパネルにより住宅保険が増額される場合があります。 年間の増額が予算内に収まるかどうかを判断する前に、エージェントに問い合わせてください。

すべてのコンポーネントを適切に購入したかどうか完全にわからない場合は、箱から取り出す前に、それらが返品可能であることを確認してください。 間違って素材を交換する必要が生じた場合、その商品の返金が受けられない場合、追加費用が発生してがっかりすることになります。

3. 太陽光発電設備を備えた独立した住宅所有者として、税額控除を受ける資格はありますか?

米国では、投資税額控除 (ITC) としても知られる連邦太陽光発電税額控除により、上限なしで太陽光発電設備のコストの 26% (2021 年には 22% に減少) を控除できます。 これは設置者として実行することも、会社に作業を依頼することもできます。

現時点では、現在の政権下では住宅所有者に対してこの税額控除を 2021 年以降も延長する予定はありません。 ただし、新たに選出された執行部や議会はそうすることができます。

太陽光再生可能エネルギー証書 (SREC) は、住宅所有者にとってもう 1 つのインセンティブです。 このプログラムを通じて、エネルギー証明書を電力会社に販売し、キャッシュバックを受け取ることができます。 このシステムは証券取引所のように機能します。SREC の値は州および月によって異なります。

その他のインセンティブやリベートについては、州および地方自治体に確認する必要があります。 これらは、設置を行うために承認された太陽光発電会社を雇うかどうかに依存する場合があります。

DIYソーラーのまとめ
DIY 太陽光発電プロジェクトの最も重要な部分は計画と設計です。 これらの手順では、多くの調査を行う必要があります。

すべての計算に必要な重要な数値は、太陽電池アレイが 1 日に消費されるすべての機器に提供するワット時電力です。 バッテリーストレージを含める場合は、何日間の電力を確保するかを知ることも重要です。

これを理解したら、次のステップは、グリッド接続システム、オフグリッド システム、またはハイブリッド システムに必要なコンポーネントを購入することです。 必要な許可をすべて取得し、検査を受けた後、パネルを設置することができます。 稼働して発電を開始する前に、さらに 1 ～ 2 回検査する必要があります。

DIY 太陽光発電プロジェクトが正しく行われれば、何十年にもわたってクリーン エネルギーを提供できます。 それはあなたと地球の両方にとってwin-winです。