すべてをまとめる: 太陽光発電システムの主要部分

太陽光発電システムは、世界で最も広く検討され導入されている再生可能技術の例の 1 つです。 しかし、一部の人にとって、それらが実際にどのように機能するかは謎のようなものであり、ほとんど魔法のようかもしれません。

しかし、実際にはその必要はありません。 それらが正確にどのように機能し、太陽光発電システムを構成するものは実際には非常に興味深いものです。

したがって、太陽光発電システムとは実際何なのか、実際にどのように機能するのか疑問に思ったことがある方のために、基本を理解するのに役立つ非常に短いガイドを作成しました。

楽しむ。

簡単に言えば、太陽光発電パネルは、太陽光発電 (PV) 効果として知られるプロセスを通じて太陽光を電気に変換します。 光電効果と密接に関係している PV 効果は、1830 年代後半にエドモンド ベクレルによって初めて実証されました。

テクノロジーとエンジニアリングの分野で同僚の先を行く - ブループリント

ベクレルは、プラチナまたは金のプレートを酸、中性、またはアルカリ性の溶液に浸し、太陽放射にさらすと、小さな電流が発生する可能性があることに気づきました。 少し後の 1880 年代に、チャールズ フリッツは、金の薄い層で覆われたセレンから作られた最初の真の太陽電池の開発に成功しました。

このパネルは機能しましたが、効率は非常に低かったです。

最新のソーラーパネルは、太陽光からの光子が原子から電子をノックアウトして電気の流れを生成することで機能します。 パネルは実際には、太陽電池と呼ばれる小さなユニットで構成されています。 これらの太陽電池は、他の材料を「ドープ」したシリコンから作られた半導体のサンドイッチ構造です。

通常、ホウ素またはインジウムが 1 つの層に追加され、それに正の電荷が与えられます。 基本的に、シリコン原子のグループにホウ素原子を追加すると、「ホール」、つまり純粋なシリコン内で電子が占める空間が作成されます。 これは、p 型ドーピングまたは p 型半導体と呼ばれます (p は正の意味です)。 もう一方の層には通常、リンまたはヒ素がドープされ、その層に余分な電子、つまり負電荷が追加されます (これを n 型ドーピング、または負の意味で n 型半導体と呼びます)。

2 つの層を挟むと、pn 接合と呼ばれる接合部分に電界が発生します。 光にさらされると、電子が光子からエネルギーを吸収して「親」原子から解放されるため、この接合内に電場が生成されます。

このプロセスでは、原子が抜け出した材料の原子価結合に「穴」が残ります。 pn 接合には電界が存在しているため、これらの電子と「正孔」は反対方向、つまり電子は n 側に、「正孔」は p 側に移動します。

この電子の運動により細胞内に電流が発生します。 セルの側面にある金属の導電性プレートが電子を収集してワイヤに転送し、他の電源と同様に電子が流れるようにします。

興味深いことに、ほとんどの光電池は小さいほど効率が高くなる傾向があるため、各 PV パネルは通常、多数の小さな電池で構成されています。 ソーラーパネルをよく見ると、メインパネルを構成しているすべての小さなサブユニット光電池を見ることができます。

通常、ドープされたシリコンから作られる PV セルは (ただし、ゲルマニウム、硫化鉛、その他の半導体も使用できます)、最新の PV パネルの動力源です。

詳細については、次のセクションで説明します。

他のテクノロジーと同様に、PV パネルは、フォトセルからフレーム、およびその間のすべてに至るまで、さまざまな部品を構成するさまざまな材料の寄せ集めです。 しかし、このような質問をするときにほとんどの人が言いたいのは、太陽光から電気を生み出す一見魔法のような能力を PV パネルに与える魔法の成分は何なのかということです。

その驚異的な物質は、植物地球上で最も豊富な物質の 1 つであるケイ素でもあります。 実際、それは多少なりとも地球の地殻の約 30% を占めています。

革新

2023 年 5 月 28 日

革新

2023 年 5 月 25 日

革新

2023 年 5 月 26 日

革新

2023 年 5 月 31 日

シリコンは酸素に次いで地球上で 2 番目に豊富な物質ですが、自然界で遊離状態で見つかることはほとんどありません。 通常、他の元素と結合して、地球の地殻を構成する大量のシリカ鉱物の 1 つを形成していることがわかります。

また、興味深い物理的および電気化学的特性も備えており、エレクトロニクスの構築に非常に便利です。

その1つは、半導体であるという事実です。 名前が示すように、半導体は、絶縁体 (セラミックなど) と導体 (金属など) の間の導電率を持つ材料です。

シリコンは半金属（金属でも非金属でもない）であるため、両方の特性をいくつか共有しており、したがって半導体としての役割を果たします。

これは、金属ほどではないにせよ、電気を通すことができますが、その能力は温度が上昇するにつれて増加することを意味します（金属とは異なります）。

このため、シリコンは、電流を増幅したり切り替えたりするトランジスタを含む多くの重要な電気部品の製造に使用されており、ラジオから iPhone に至るまで、あらゆる種類の電子機器のバックボーンとなっています。

太陽電池に関しては、純粋なシリコンは電気を通しにくいです。 これを克服するために、ほとんどの太陽電池はシリコンをガリウムやヒ素などの他の元素と混合して、それぞれ電子不足層または電子豊富な層を生成します。 これまで見てきたように、これは電子と正孔のペアを生成して電場を生成するために重要です。

シリコンは非常に豊富に存在しますが、太陽電池のベース材料として使用するにはいくつかの制限があります。 主な問題は、パネルが本質的に壊れやすく硬いことです。 これにより、輸送や設置などが複雑になる可能性があります。

通常、市販されているほとんどのソーラーパネルでは、シリコンベースの太陽電池はいくつかの異なる形式で提供されます。 これらには次のものが含まれます。

どのタイプを選択するかは、通常、製造および設置のコストと発電効率の許容範囲とのトレードオフによって決まります。

シリコンベースの太陽電池は既存の PV パネルの大部分を占めていますが、存在する唯一の種類の太陽光発電パネルではありません。 新星の1つは、有機太陽電池/パネルと呼ばれるものです。

有機太陽電池 (略して OSC) は、再生可能技術の世界における刺激的な発展です。 通常、この技術は特殊な導電性有機ポリマーまたは小さな有機分子から作られ、より軽量で柔軟なソーラーパネルを製造できます。

OSC は比較的新しいものですが、従来の PV パネルと比較した場合、面積あたりの効率も高くなります。 既存の OSC は光の吸収が非常に強い傾向があり、この分野の多くの専門家によって太陽光発電技術の未来として宣伝されています。

有機太陽電池/パネルはその製造方法により、非有機太陽電池/パネルに比べて他の固有の利点を持っています。 これらの中で最も重要なのは、軽量であること、柔軟性、広い面積をカバーできること、および製造コストが低いことです。

一部の有機太陽電池は、ロールツーロール生産と呼ばれるプロセスを使用して製造されます。 このプロセスは従来の非有機太陽電池の製造に比べて大幅に安価であり、大面積の有機太陽電池の製造を可能にします。

有機太陽電池は、プラスチック太陽電池とも呼ばれ、有機エレクトロニクスを使用するポリマー太陽電池の一種です。 これは、光起電力効果を介して太陽光から電気を生成するための光吸収と電荷輸送のために、導電性有機ポリマーまたは小さな有機分子を扱うエレクトロニクスの一分野です。

これにより、有機太陽電池は、最も一般的な太陽電池パネルに見られるシリコン電池を含む他のタイプの太陽電池よりも効率的に太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することができます。

ただし、現在の OSC システムは、従来のシリコンベースのパネルと比較すると、予想寿命が短くなる傾向があります。 これは、一般的に安定性が低く、強度が低いためです。

OSC に関するもう 1 つの問題は、相対的な材料吸光係数 (単位体積あたりの散乱と吸収によって失われる光の尺度) です。 吸収係数が高い材料は、電子を伝導帯に励起する光子をより容易に吸収します。 OSC の消衰係数は、まだシリコンベースのソーラーパネルほど良くありません。

ただし、OSC はまだ開発途上にあり、新しい材料、処理方法、デバイス アーキテクチャの画期的な進歩により、この欠点は解決される可能性が高いことに注意することが重要です。

OSC は、非有機ソーラー パネルでは不可能ないくつかの興味深い用途にも使用できます。 たとえば、透明にして特定の波長の光に特化させることができます。

これは、OSC パネルが構造物の主なガラスを形成できる温室などの構造物に応用できる可能性があります。 このような設定により、植物が一般的に使用する光の波長が OSC パネルを透過し、他の波長を使用して発電できる可能性があります。

テクノロジーとエンジニアリングの分野で同僚の先を行く - ブループリント

また、ポータブル電子機器に簡単に組み込むこともできるため、消費者は、たとえ光量が低い場合であっても、移動中に電子機器に電力を供給したり充電したりすることができます。

そして、メインイベントへ。

太陽光発電設備の形状や設計はさまざまですが、典​​型的な太陽光発電システムには通常、次の主要なコンポーネントがあります。

太陽光発電または光電池は、太陽光発電システムの主力製品です。 これらは、建物の屋上、場合によっては壁、さらには地面に取り付けられているときに最も目立つビットです。

光電池の仕事は、太陽光を電気に変換することです。 彼らは、上で概説したプロセス、つまり光起電力効果を使用してこれを行います。

ほとんどの太陽電池は、シリコン、アルミニウム (フレーム用)、およびポリマーバッキングの混合物で作られています。 太陽光発電セルはサイズ、色、形状が大きく異なりますが、すべて同じ基本設計に従います。

ソーラーパネルのサイズは、通常、パネルが発電するように設計された最大ワット数の範囲によって決まります。 通常、家庭用アプリケーションの場合、パネルあたり 200 ～ 400 ワットの範囲になりますが、ほとんどの場合は一般的に約 260 ワットです。

太陽電池の主要コンポーネント以外に、太陽電池は封止材層、つまり金属バッキングプレートと前面強化ガラス層の間に挟まれる傾向があります。 これらの層はすべて、通常はアルミニウムのフレーム内にまとめて保持されます。

パネルがあるのは素晴らしいことですが、一般的には、パネルを取り付けるためのものと、パネルの向きを変える方法が必要になります。 ここで、取り付けラックが非常に重要になります。

一般に屋根設置は地上設置よりも美的で効率的であると考えられているため、屋根設置システムが最も一般的です。 また、貴重な土地や緑地を使用することなく、住宅などの既存の構造物の「無駄な」スペースを利用します。

ただし、屋根に設置されたシステムは、高所にありアクセスできない場所にあるため、通常、メンテナンスが困難です。 ポールへの取り付けや、もちろん地面への取り付けなど、他の取り付け方法もかなり一般的です。

後者は、取り付けシステムの最も簡単な形式であり、長期的なメンテナンスと修理が最終的に最も簡単です。 ただし、別の建物、公園、農地など、他の目的に使用できる地面スペースを占有するという欠点があります。

どちらの取り付け場所を選択しても、ほとんどのラック システムは固定式または追跡式のどちらかになる傾向があります。 前者は、名前が示すように、パネルを特定の高さと角度で「固定」し、そのためパネルは太陽の方向に動くことができません。

ソーラーパネルは、太陽光がパネルに直接当たるときに最もよく機能する傾向があります。 これは固定光源の場合はすべて問題ありませんが、太陽 (​​パネルに対して常に移動している) に依存している場合、固定システムではこれを 1 日を通して一年を通して維持することはほぼ不可能になる可能性があります。

このため、固定システムは、オールラウンドに使用するには妥協のような設定角度で取り付けられることがよくあります。 これは通常約 37 度です。

一方、追跡取り付けシステムは、太陽の向きを常に移動させることで、1 日および 1 年を通じて太陽の動きを追跡できます。 また、角度を調整して、年間を通じて最適な入射角を維持することもできます。

ソーラーパネルは優れていますが、生成される電力は直接電力 (DC) であることが多いです。 DC は一部の用途に使用できますが、ほとんどのソーラー パネルは、家庭または商業施設に使用可能な電力を供給する目的で設置されます。

これは、DC を交流 (AC) に変換するには別の技術が必要であることを意味します。 それがインバーターの仕事です。

インバーターは、一般的なソーラー パネルの寿命の間、ほぼ一定の動作を続ける、非常にハードなキットです。 このため、ソーラー パネル システムが何らかの理由で故障した場合、主な原因は通常インバーターです。

このため、ほとんどのパワーコンディショナーの保証はメイン パネル自体よりも短くなる傾向があります。これは、太陽光発電システムの設置を検討している場合に留意する必要があります。

ソーラーパネルシステムでは、2 つの異なるタイプのインバーターが使用される傾向があります。 これらはストリングインバータおよびマイクロインバータと呼ばれます。

前者は大型のデバイスで、通常は敷地の壁、屋根スペース、または日陰のエリアに設置されます。 名前が示すように、これらのインバータは、パネルごとではなく、PV アレイによって生成された電気の「ストリング」を変換します。

一方、microinverterは各パネル(通常は背面)に取り付けられます。 これにより、DC を建物またはグリッドに供給する前にパネルごとに変換できるようになります。

科学

2022 年 8 月 15 日

革新

2023 年 5 月 23 日

文化

2023 年 5 月 27 日

文化

2022 年 8 月 3 日

革新

2023 年 2 月 27 日

科学

2023 年 6 月 3 日

どちらのタイプにも長所と短所がありますが、マイクロインバータの主な利点の 1 つは、ストリング インバータ システムで一部のパネルが影になると、すべてのパネルの効率が直接影響を受けるという事実です。 microinverter の場合はそうではなく、影付きのパネルのみが影響を受けます。

太陽光発電システムに蓄電池があるかどうかに関係なく、施設ごとの電力消費量を測定するために、ある種の公共料金メーターが組み込まれています。 太陽光発電アレイを備えた物件に設置されたメーターは、パネルによって生成された電力量も記録し、場合によっては、余剰電力を送電網に戻すこともできます。

あなたが世界のどこに住んでいるのか、また電力会社との取り決めにもよりますが、通常、輸出した余剰エネルギーに対しては支払いが行われます。これは嬉しいことです。

太陽光発電セルのような再生可能技術に対する主な批判の 1 つは、不利な環境条件下での信頼性が低いことです。 太陽光発電の場合、太陽光が不足すると（つまり夜間）、事実上非常に高価な屋根瓦になり、かなりの時間はそれ以上の価値がなくなる傾向があります。

これに対処するために、太陽光発電アレイを何らかの形の蓄電池システムと組み合わせることが増えています。 この設定は、日没時にグリッドから供給される電力を使用することなく、電力を蓄えて後で利用できることを意味します。

テスラのパワーウォールの場合、このようなシステムは、頻繁に停電に見舞われる場所のバックアップ保護も提供します。

一般的にエネルギー貯蔵システムと呼ばれる太陽光 PV バッテリーは、後で使用するために PV パネルからの余剰電力を効果的に蓄えます。 業界の大手企業にはサムスンやテスラなどが含まれ、多くのエネルギー会社も太陽光発電とバッテリーの組み合わせパッケージを提供する予定です。

バッテリーはいくつかの形式のいずれかで提供される傾向がありますが、最も一般的なのは充電可能なリチウムイオンです。 これは、サイズが比較的小さく、電気を蓄える能力が優れているためです。

ただし、実際にインストールする前に考慮すべき点がいくつかあります。 たとえば、PV アレイによって生成されるエネルギーのほとんどが実際に日中に消費されるか、水の加熱に使用される場合、バッテリーの費用対効果は高くない可能性があります。

蓄電池システムも統合する PV システムの場合、充電コントローラもシステムの重要な部分です。 主にバッテリー パックを過充電から保護する役割を果たし、バッテリーの充電容量を常に調整し、それに応じてバッテリーへの供給を調整します。

バッテリーが満充電になると、充電コントローラーはバッテリーが永久に損傷するのを防ぐために、PV パネルからの電力供給を自動的に遮断します。

充電コントローラは、パルス幅変調 (PWM) と最大電力点追跡 (MPPT) の 2 つの形式のいずれかで提供される傾向があります。 前者は小規模な国内規模の PV アレイにより適しており、4 ～ 60 アンペアの間で変化する傾向があります。

後者は、高電圧 (多くの場合最大 DC 160 ボルト) を使用する大規模な設備に適しています。

そして、太陽光発電の初心者は、それが今日のあなたの使命です。

太陽光発電システムとは何か、またその主なコンポーネントが何であるかについての基本的な理解ができたので、自分の家に太陽光発電システムを設置する可能性について調べてみたいと思うかもしれません。