太陽光発電の発電量_計算方法や地域差、効率を追求した太陽光発電

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太陽光発電の発電量の計算

太陽光発電の発電量の計算式

太陽光発電システムの発電量の計算は、通常下記の計算式が使われます。
【地域/条件ごとの1日当たり日射量】

×【365(日)】

×【太陽光パネルの出力】

×【損失係数】
4つの数字の掛け合わせで計算されます。
提示された発電量に嘘が無いか確認するくらいであればこれでも十分です。
正確性を高めるためにメーカーではより細かな計算をしています。

地域や条件ごとの日射量を見るには

地域、条件ごとの日射量は一般に公開されています。


http://app0.infoc.nedo.go.jp/


NEDO(国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)

太陽光パネルの出力とは?

太陽光パネルの出力は、今現在1枚当たり260w~400wの範囲に収まります。
太陽光パネル1枚の大きさは畳一畳分程度。
そのパネルを数百枚、時によっては何万枚と使って太陽光発電所は建設されます。
太陽光パネルの出力は、1枚当たりの出力×枚数です。
ただ、太陽光パネルの出力はワット、発電所の出力はキロワット表示が通例です。
〇〇〇ワット(1枚当たりの出力)×枚数÷1000が発電所の太陽光パネル出力です。
※1kw=1000w

損失係数とは

一般的に0.82程度から0.9くらいの数値です。
昔は損失係数0.78が推奨されていましたが、0.78はかなりコンサバな発電量計算です。

太陽光発電システム出力と発電量の関係

100kwの太陽光発電システムの意味

太陽光発電システムの出力が100kwというのは、どういう事でしょうか。
これは、最大で100kwの電気を生み出す能力を持っているという事です。
生み出された電力はkwh(キロワットアワー)という単位で計測されます

kwhとは?

Kwhは、電気の量を図る指標で、キロワットアワーと読みます。
100kwの出力が1時間続けば発電量100kwhになります。

100kwhってどれくらいの電力量?

100kwhは、一人ぐらしで殆ど家にいない人が1ヵ月使う電力量程度です。
金額にして一般個人の家庭なら2000~2500円の電力です。
100kwのシステムがフル稼働した場合、1時間で1人くらし1ヶ月分くらいの発電が出来るのです。
※1kwhで、500wの電子レンジは2時間稼働できます。
家電には必ず出力の表記がありますので、ご興味ある方は見てみてください。

太陽光発電システム出力と太陽光パネル出力の違い

太陽光発電システムと太陽光パネルの出力は異なります。
太陽光発電システムの出力は、太陽光パネルか、パワーコンディショナーの出力の小さい方を取ります。
この太陽光パネルの出力を意図的にパワーコンディショナーの出力よりも大きくするのが過積載です。
太陽光発電システムの出力は、電気を生み出す能力の上限値と捉えれば良いです。
一方で太陽光パネルの出力は、システム出力を最大限活用するために大きくするのが一般的です。
例えば100kwの太陽光パネルをおいても、パワーコンディショナーの出力が49.5kwのシステムでは太陽光発電システムの出力は49.5kwとなります。”

過積載による発電量の増加

過積載とは

100kwの太陽光パネル出力、49.5kwのパワーコンディショナー出力の設計も可能です。
システムとしては低圧(50kw未満)扱いになりますが、49.5kwを超えて発電することはありません。
その最大100kwの発電量が49.5kwにセーブされることによるロスをピークカットロスと呼びます。

過積載のメリット

過積載をすることにより、49.5kwの発電をする時間数は飛躍的に高まり、収益性は格段に向上します。
また、過積載の発電所では、太陽光パネルから送られる電圧が高くなります。
この電圧の高さを長時間維持できる事によるメリットもあります。
日射量の少ない朝方や夕方にパワーコンディショナーの安定稼働を助けて発電量がアップしやすくなるのです。
過積載の上限容量は、各地域の気温と太陽光パネル、パワーコンディショナーの仕様によって異なります。
各地域、使用部材に合わせた設計が必要です。

ピークカットロスによる太陽光発電量のロス

ピークカットロスは、太陽光パネルの出力がシステム出力を上回った際に発生します。

ピークカットロスはどれくらいか

参考までに49.5kwのシステム出力の場合、
ピークカットロスはおおむね下記の値内で収まります。
~70kw程度 ほとんどロスなし
~80kw程度 1~3%程度のロス
~100kw程度 4~7%程度のロス
~120kw程度 8~15%程度のロス
※地域の日射量などにより変動”

季節によっても違うピークカットの値

実際にピークカットがどの程度発生するのか、シミュレーションベースで見てみます。
下の図は、群馬県の高崎エリアでのピークカットの発生予測です。
<条件>
群馬県高崎エリア(上里見観測所)
設置角度       :10°
方位角        :真南
太陽光発電システム出力:49.5kw
太陽光パネルの出力  :100.0kw(過積載率約200%)

冬至付近の良く晴れた日のピークカットロス

立春秋付近の良く晴れた日のピークカットロス

夏至付近の良く晴れた日のピークカットロス

200%の過積載では
冬至付近ではほとんどピークカットロスは発生しない計算になります。

真冬はこういった日が1ヶ月に15日くらいあります、

立春秋付近では同じく、1ヶ月に15日くらいは満天の晴れの日があります。
ピークカットロスの値は、一日の発電量の約10%程度です。

夏至は日本では梅雨時です。
その為、満天の日照日が少し減り、1ヶ月に5~10日に満ちません。
ピークカットロスは約2割と影響が大きいです。

太陽光パネルの出力値

ここで、太陽光パネルの出力値が100kw出ていないのではないか。
と気になる方もいらっしゃるかと思います。
太陽光パネルの出力100kwは、1000j/㎡が垂直に25℃のパネル温度を保った状態で発揮される数値です。
1000jは、1時間の日射量に直すと、約3.6w/㎡です。
これを超える条件は殆ど自然環境下では発生しなません。
太陽光パネルの出力が最大になるケースは殆どありません。

メーカーの出す太陽光発電量のシミュレーション

メーカーの出す発電量シミュレーションは、月単位で提示されます。
日射量は5~7月にピークを迎え、11~2月に下限を迎えます。
6月と12月の発電量は、地域によっては2倍近くの差が出ます。

年間の発電シミュレーション

厳密には、太陽光発電の発電量は、日射量だけではなく、周辺の温度なども加味して算出されます。
メーカーの謳う太陽光パネルの出力は、25℃の温度の時の出力です。
この温度が±1度ごとに約0.3%上下します。

気温が低い方が出力が上がり、気温が高い方が出力が下がります。
温度25度以上になると徐々に太陽光パネルの出力が下がる事はすでによく知られています。
温度が下がった時に太陽光パネルの出力が上がるのはあまり知られていない事実です。”

変換効率と太陽光発電の発電量の関係

“太陽光パネルにも、パワーコンディショナーにも変換効率というパーセンテージが存在します。

太陽光パネルの変換効率

太陽光パネルの変換効率は、発電量を計算する際には関係ありません。
太陽光パネルの変換効率は、面積当たりの発電量に影響する値です。
太陽光パネル〇〇〇wの値にすでに織り込まれています。
変換効率の高さは、パネル出力の高さに比例します。
※太陽光パネルの規格には2種類ありますので、大きさが異なる場合は必ずしも比例しません。

パワーコンディショナーの変換効率

パワーコンディショナーの変換効率は、発電量に影響します。
パワーコンディショナーは太陽光パネルで発電した直流電力を交流電力に変換するものです。
パワーコンディショナーの変換効率はその変換時に生じるロスの少なさを現します。
変換効率の低いパワーコンディショナーは、太陽光パネルで発電した電力が失われます。
ロスした電力は熱になる為、変換効率の低いパワーコンディショナーは熱によって故障しやすい。
という説もあります。”

太陽光発電の発電量を下げる要因

シミュレーションに考慮されるその他のロス

メーカー等発行の発電シミュレーションに加味されている項目
『パワーコンディショナーの変換時のロス』
『電線の抵抗』
『温度変化』
『土埃の堆積』が加味されています。

メーカー等の出すシミュレーションには加味されていない要素

現地の環境要因によるロスです。
・現地の日照の影響
発電量を下げる原因として、最も多いのは木や草、建物の影です。
太陽光発電では、太陽の光を電力に変換するものです。
そのため、日照が遮られた場合は発電されません。

太陽光パネル設置の方角や傾斜角度によ発電量の違い

太陽光パネルは、太陽と正対している状態で最も発電量が高くなります。
そのため、季節や時間帯によって最適な条件は異なります。
発電量を追求した場合、追尾架台という選択肢もあります。
追尾架台を使った場合、発電量は通常架台の1.3~1.5倍になります。
コスト効率の悪さに加え、必要とする土地の面積が広くなることからあまり普及が進んでません。
そのため、主流になるのは、極力南を向けたパネル設置に過積載の組み合わせです。

太陽光パネルの経年劣化による発電量低下

太陽光発電の発電量に影響を及ぼす大きな要素として経年劣化があります。
長期間に渡フィールド実績の少ない、太陽光発電の経年劣化には確かなデータがありません。
一般的には年間0.3~0.5%程度の数値が用いられます。
実際は中古の太陽光発電システムの実績を見ても、経年劣化は確認が出来ません。
経年劣化よりも年ごとの日照のバラつきの方が大きいからです
稼働中の太陽光発電所の中には、年を追うごとに発電量が増えているものもあります。
これはもちろん、性能が上がったわけではなく、単純に日照に恵まれた。という話です。
数少ない実証データを探すと、奈良県の壷阪寺が有名です。
30年以上経過していますが、発電量低下の劣化率はわずか6.4%との事です。
京セラの佐倉ソーラーエネルギーセンタでは、30年稼働で発電量低下の劣化率は約13%です。

地域によっても全然違う!太陽光発電システムの発電量

“ここでは、北海道、東京、沖縄の3都市で発電量のシミュレーションを比較してみます。
実際には地域ごとにソーラーパネル設置の最適傾斜角度が存在し、北海道の場合は30度設置。
沖縄の場合は10度の方が発電量が多くなります。
地域ごとにソーラーパネル設置の最適傾斜角度が存在し、北海道の場合は30度設置。
沖縄の場合は10度の方が発電量が多くなります。

10°と30°の発電量の違いを地域ごとに比較します。
いずれも条件は、100kwの太陽光パネルに49.5kwのパワーコンディショナーで算出しています。

【札幌での発電所傾斜角10度と30度の比較】

【東京での発電所傾斜角10度と30度の比較】

【沖縄での発電所傾斜角10度と30度の比較】


この『ソーラーパネル設置の最適傾斜角度』は、太陽の高さによって生まれる差です。
夏至では南中時の太陽が真上に近づき、冬至には太陽の位置が低くなる様に、地域によっても変わります。

【解説】地域による発電量の差はどの様に生まれるか

南側に行けば行くほど、太陽の高度は高くなり、北に行けば行くほど低くなります。
それに伴い、太陽光パネル傾斜の最適角度も北に行けば高めが発電量が良くなります。
逆に南に行けば太陽光パネルの傾斜角度を控えた方が発電量は良くなります。
日本国内に限定すると、最適設置角度は沖縄で17度、札幌で37度です。
ここだけを考えるとソーラーパネルの設置角度は20~30度設置にした方が良いという事です。

実際の太陽光発電所の多くはなぜ10°勾配なのか

実際は、太陽光パネルは10度勾配で設置するケースがほとんどです。
その理由は、限られた土地にたくさんのソーラーパネルを設置するためです。
ここでも、角度を合わせる事よりも、太陽光パネルを多く載せる事が優先されている形です。
10度の設置と30度の設置では、必要となる土地の面積は2~3倍になる事もあります。
その原因は『影の長さ』です。
太陽光パネルを30°勾配で設置した場合、10°勾配で設置した場合と比較すると、影の長さが約4倍になります。
通常、影の長さは関東で高さの2.1倍程度。東北では2.4倍。北海道では3.1倍です。
太陽光パネルの設置には影を回避する設計が求められるので、
影の長さが長くなる=パネル同士の離隔を取る必要が生じるのです。

一方で両社の発電量の違いは同じパネル数であれば東京で約6%です。
そのため、全体効率で考えたときに、10度の設計の方が条件が良くなります。
10度の設計にすることが多いのはそのためです。

雪の多い地域では、30度、45度の設置が殆どです。

これは出力もアップよりも雪が落ちやいという理由です。
雪が積もっている状態では太陽光パネルに光が当たりません。
雪が積もっている状態では一切発電が出来なくなります。
発電量を確保するために、いろいろなアイデアがあります。
30°勾配にして、パネルの下部フレームの段差部分にクリアテープを貼る。
という対処法が良いらしいです。

関東の分譲太陽光や、メガソーラーになると、10度の設置になっていることが殆どです。
これは、土地の価格も高く、限られた土地の中に、ソーラーパネルを多く設置するためです。
このように、どの場所にどの様に設置するのが良いのかは一概に結論付ける事はできません。
設置場所のみならず、その場所に合わせた設計がなされているかが非常に大切です。
太陽光発電所の収益性は、その土地に合わせた最適な設計がなされているかどうか。
が一つのキーである事もしっかりと考えて投資を検討したいですね。

天候による太陽光発電の発電量の変化

“晴れの日は、太陽光発電システムは良く発電します。
曇りの日は、晴れの日の30~80%まで落ち込みます。
雨の日は、10%まで下がる事もあります。
雪が積もるとほぼ0です。
太陽光発電には、当たり年もあればはずれ年もあります。
前年比20%減。なんてことも起こり得ます。
一喜一憂するのではなく、シミュレーション値と冷静に比較しておくことが大切です。”

発電量増加に理想的な太陽光発電システムは?

“理想的な立地、理想的な設計、理想的な設備を整えた太陽光発電所は?(低圧編)
追及するとしたら結構出来ます。
・立地は山梨県北杜市
・パワーコンディショナー49.5kwに対し、太陽光パネル300%の過積載
・ピークカットロス回避のために200kw程度の蓄電池
・追尾架台により太陽億パネルの発電量を最大化
・・・
理想を言えばキリがないくらい拘れる太陽億発電所。
仮にこのシステムを作ったとしたら利回りは5~6%です。
発電量の最大化・追及をすることは経済性を損ないます。
その意味で、発電量の効率と経済的な効率は全く異なるのも太陽光発電所の大きな特徴です。”

コスト効率を追求した太陽光発電システム

“FIT単価が14円まで下がり、2020年度以降はFIT(固定価格買取制度)の新規受け付け終了の話もあります。
今、各事業者が取り組んでいるのは、コスト効率追求のためのシステム設計です。
現状、コスト効率の追求には、蓄電でも追尾架台でもなく、過積載が最適です。
太陽光発電システムの設備稼働率(365日フル出力で稼働した時に比べての発電量)はFIT開始当初の12%程度から17%程度まで改善されています。
低圧でいうなら49.5kwの出力でいくら発電量を稼ぐか。
高圧でもその傾向は一緒です。
過積載の最大効率がどこにあるか。
などの考察も出ていますし、メーカーも過積載対応パワーコンディショナーをリリースしています。
過積載は今後の太陽光発電普及拡大の鍵でもあり、利回り向上の大きなポイントです。”

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