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【DIY】1.6kW独立型太陽光発電(ソーラー発電)を紹介【オフグリット】

太陽光発電 太陽光発電

 電力会社に電気を売るのでなく、自分で蓄電しながら、電気を使う独立型の太陽光発電を私は「自作」し、毎日の運用を趣味で楽しんでいます。
 導入した機器やケーブルなどは、通信販売で購入し、組み立てました。その、「自作」した太陽光発電のシステムの概要について説明します。みなさんのソーラーシステムの構築の参考になればと思います。

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ソーラーシステムの概要

 独立型のソーラーシステムの概要は、下の図のようになる。太陽光から受けたエネルギーをソーラーパネルが電気エネルギーに変える。発電した電流(直流)をバッテリーへ電気を送ります。チャージコントローラー(充電制御器)で制御して、インバーターで直流から家庭用の交流に変換します。バッテリー電圧は24Vで運用しています。私は、このシステムを2016年の5月から運用しています。

ソーラーシステム概略図

ソーラーパネル 200W ✖ 8枚=1600W

自作ソーラーパネルの図

ソーラーパネルは、単結晶200Wの中国製。通信販売で8枚買った。

公称最大出力     200W
公称最大出力動作電圧 36V
公称最大出力動作電流 5.5A
重量         14Kg

 屋根の上に載せるのは危険なので、狭い庭に分散してパネルを置いた。パネル2枚を直列につなぎ、2枚づつ4か所に置いた。設置する前は、パネルを6枚の予定であったが、南向きに設置ができないことや角度にも制限があったので発電での電流が少ないと思い2枚増やした。パネルの設置については、アルミの単管パネル(ホームセンターで購入)で枠組みした2枚が真南向き(傾斜角30度)、物置の屋根に設置した4枚が西南向き(傾斜角10度)、バルコニーの下2枚が西南向き(傾斜角90度)である。非常に効率の悪い設定である。狭い庭なのでしかたがない。

日本製のソーラーパネル

 日本のソーラーパネルメーカーは、家庭用などの発電システムを販売している。しかし、パネルは、中国メーカーなどの外国でのOEM生産にほとんど、切り替えている。唯一、残っていた「ソーラーフロンティア」社も2021年に生産を中止し、OEMに切り替える。残念ながら、国内で本格的に生産する大手パネルメーカーは姿を消すことになった。

楽天で販売されている100%国内生産のパネル↓


ソーラーフロンティア[SFK190-S]

太陽電池の1日の発電電流量の計算

使用する200Wのソーラーパネル(最大電流5.5A)を8枚と1日の平均日射時間を3.5時間として計算すると

5.5(A) ✖ 8(枚) ✖ 3.5(時間) = 154Ah/D

となります。あくまでも理論値です。 

実際は、
発電電流量(結果)・・・・147Ah/D (2020年8月15日~9月15日の平均)となりました。

 発電電力は、チャージコントローラーに表示されます。1600Wのパネルですが、気温にも左右されますが、最大値(快晴の日)は夏や冬は、800W程度、春秋で1000Wぐらいである。過去、1200Wまで行ったことはあります。太陽が出ていなくても明るい日は、600Wぐらいまで行きます。雨の日で非常に暗くなると100W以下になります。ただ、バッテリーの容量に制限がありますので、いっぱいになったときは、安全のためチャージコントローラーに制御され、発電電力は、下がってきます。

パネルの配置

 パネルの接続の仕方で直列接続つなぎ並列つなぎがあります。直列つなぎにするとパネルの一枚が日陰になると他のパネルも発電しなくなる現象があるので、日陰がどうしてもできてしまうわが家にとって、それを防ぐため、並列つなぎも取り入れ、上の図のように2枚直列の4つの並列つなぎにしました。詳しくは、【DIY】蓄電型太陽光発電のソーラーパネルの並べ方(私のサイト)を見てください。

チャージコントローラー

チャージコントローラーとは、パネルで発電した電気をバッテリーで充電するときに過充電にならないように制御する装置です。PWM制御とMPPT制御の2方式があります。PWM制御は、独立型太陽光発電に一般的に用いられ、求めやすい価格になっています。もう一つの、MPPT制御方式は主に住宅・産業用に用いられ、高い電圧にも対応し、効率がいいのが特徴ですが価格が大幅に高くなってしまいます。私は、システム電圧を12Vから24Vに変更したいので、より安心して使用できるMPPT制御方式を選びました。私が選んだのは、モーニングスター社のTM-MPPTー60です。アメリカ製です。市販品ではトップクラスの価格の高さです。最大の電流が60Aまで対応できます。私のはパネル1枚が5.5Aで8枚ですので、最大44Aとなります。十分余裕があります。本体とディスプレイは、別売されてます。両方とも通信販売で購入しました。ディスプレイで充電状況がわかるので便利です。本体に取り付けます。
使用開始から6年目になりますが、故障もなく使用しています。高価ですが本格的の方にはおすすめします。私が買った時よりも今は、値段が高くなっています。

最大バッテリー充電電流 60A
最大入力電圧      150V DC
最大入力電力      24Vの時 1600W
MPPT制御(最大電力追従制御方式と呼ばれ、高効率)

バッテリー

チャージコントローラー(左)
インバータ(右)

モーニングスター社のTS-MPPTー60のマニュアル(英文)

ディスプレイのマニュアル(英文)

アメリカ製です。(アマゾン)↓


ソーラーチャージコントローラー TS-MPPT-60 Morningstar社 桐生保証有 日本語取扱い説明書付き

ディスプレイは、別売です。↓

バッテリー

 バッテリーは、日立化成の鉛蓄電池(SB100)です。6個、取り付けています。12Vのバッテリーを2個直列にして24Vの一組として、3並列で組んでいます。1つ35kgあり、重いです。通信販売で購入しました。配送は、いつもと違う大きなトラックでした。家の外の軒下へ設置しています。このバッテリーは、繰り返しの使用に強いディープサイクルバッテリーです。自動車などのバッテリーと種類が違います。端子の形状(T/LL/LR)を選択するようになっています。

ディープサイクルバッテリー 
鉛蓄電池
電圧    12V
重量    35Kg
容量    100(5時間率Ah)

容量については、
システムを24Vにするため、12V・100Ahバッテリー2個を直列につなぎ、それを3組並列接続してます。つまり、全体では、24V・300Ah・蓄電量7200Whとなります。

 売電システムでないので、晴れた日には、電気を消費しないと数時間でバッテリーは満充電になり、充電が少なくなり、無駄が多くなります。
 雨の日や曇りの日にもある程度の充電ができるようにするために、このシステムにしました。

バッテリーは、進化をしています。鉛蓄電池よりも安全性が高く効率的な「リン酸鉄リチウムイオンバッテリー」の値段が下がってきています。私の次回のバッテリーの購入はこれが候補の一つです。

↓中国製のリン酸鉄リチウムイオンバッテリーです。以前よりかなり安くなってきています。↓

↓日本製の鉛バッテリー【12V、100Ah】です↓

DC-ECインバータ

インバーターとは、直流を交流に変換する装置です。24Vの直流を100Vの交流に変換しています。未来舎のPowerTite(F1-S1503)を使っています。日本の会社です。最大1500Wまで利用できます。使用開始から6年目になりますが、故障もなく毎日快調です。高価ですがおすすめです。軽量の新製品が販売されています。

連続出力   1500W
システム電圧 24V DC
出力波形   完全正弦
変換効率   92%

日本製です。(1500W、24V)↓


FI-SQ1503-24VDC 未来舎・正弦波インバーター(1500W-24V)

音声読み上げ版

接続に必要なケーブルの太さ

 電線・ケーブルを選ぶ時には、太さが細いと熱を発し、火災の原因になるので注意が必要です。 バッテリーとインバータの間やチャージコントローラー間には大電流が流れます。(24Vのシステムは12Vの半分の電流になる)

【バッテリーとインバータ間】
 インバータが24V・1500Wを使用しているので電気製品を使うとき、最大65A程度流れることになる。 余裕をもって、けっこう太い 一芯の22㎟の溶接用キャブタイヤケーブル(WCT)を使った。
【 バッテリーとチャージコントローラー間 】
 ここも、 一芯の22㎟の溶接用キャブタイヤケーブル(WCT)を使用している。チャージコントローラーの最大バッテリー充電電流は60Aのものを使用しているので、それ以上流れると、安全装置がはたらき、自動的に切れるようになっている。過去最大の1200Wの発電の時は、50A程度の電流が流れたことになる。天気の良い日はケーブルが熱を発し、少し温かくなっている。


溶接用キャブタイヤケーブル 日本製 堺電業 WCT22SQ 10m

【ソーラーパネルとチャージコントローラー間】
 1芯の5.5㎟のH-CVケーブルを使用している。太陽光発電でよく利用されているケーブルである。許容電流は60A程度である。 私のパネル1枚の最大出力動作電流が5.5Aで8枚ですので、最大44A になりますが、晴れた日もケーブルは熱くなっていません。
 5.5m㎡は、けっこう太いので、ネットでの販売は、あまりありません。(アマゾンでもないと思います)太陽光発電のネット専門店 5.5㎟のH-CVケーブル (株式会社オータムテクノロジー) にあります。

ちなみに、ケーブルは、すべて一芯を使っているので+極、-極の2本必要である。

ソーラーパネルの架台

 ソーラーパネル2枚用の架台を単管パイプで作った。単管パイプ(外径48.6mm)とジョイントは地元のホームセンターで購入した。
 最初は、ソーラーパネルの設置角度が60°のものを作ったが、設置場所を変更し、単管パイプを回転させ、より効率がよい30°に変更した。単管パイプの形は横から見ると1:2:√3の直角三角形にした。

ソーラーパネルの角度(傾斜角)と向き

 ソーラーパネルは、日本では、設置角度は30°が理想と言われていますが、地域によって最適な傾斜角は違ってきます。沖縄で約20°、北海道で約40°が理想と言われています。
 最適角度に対して、10°~20°程度の角度の差なら、年間の発電量の減少は、ほんの数パーセントだと言われていますので周りの環境によって角度を決めていけばいいと思います。ただ、傾斜があると強風の時、パネルに力が加わりやすくなり飛ばされることに注意が必要です。

参考 京セラのHP

パネルの向きについても、発電量の減少はわずかだと思います。意外と角度と向きが理想とずれていても発電量はあまり減少しないものですね。

さらに、日照時間によって、発電量が決まってきます。冬の日本海側は曇天の日が多いのでどうしても少なくなってしまいます。
 また、気温によって発電量が変わってきます。我が家では、真夏の暑いときは発電量はぐっと少なくなります。意外ですが、真冬の晴天時は、瞬間的には、かなり発電しています。ソーラーパネルは、冬の寒さより夏の暑さが弱点です。

電気の使用状況

 使用する電気製品として、最大1500Wまで可能である。いつも使用している電気製品は大型テレビ、ディスクトップのPCと周辺機器、空気清浄機、スマホ、カメラの充電である。メインは42インチのプラズマテレビです。消費電力は400W近くあります。毎日、数時間は見ています。また、時々、使用しているのは冷蔵庫、掃除機、スタンドの電灯、ホットカーペットなどです。クーラーも使用できますが、他の電気製品があまり使えなくなります。雨の日には、バッテリーの充電が少ないので、途中からテレビだけ電力会社の電気に切り替えることがあります。バッテリーの寿命を長くするために、できるだけ、電圧を下げないようにして使っています。
 

節約できる電気代はいくら

 わが家の独立型太陽光発電システムで発電した電気がどのくらいの電気代に換算できるか計算してみる。チャージコントローラーのメーターで発電した電力量はすぐわかるが、コンバータやケーブルなどでロスが生まれるので、実際に使用した電気製品で計算してみる。
 単純計算であるが、400Wのテレビを1日4.5時間(基準)ずつ1年間見ると、消費電力は、400(W)✖4.5(時間)✖365(日)=707KWh となる。商用の電力会社の電気代に換算すると、(1kWhを30円で計算:我が家の電気の契約は昼間は、29.85円/1kWhになる)年間 約21,000円になる。
 再生可能エネルギー発電促進賦課金(1kWあたり3円45銭:2022年5月現在)の節約にもなる。(テレビ分で707KWh ✖ 3円45銭=年間 約2,000円
【再エネ賦課金がいつのまにか値上げしている。売電しない独立型の太陽光発電をしている家庭には、一部免除してほしい。】
 その他の電気製品も概算して デスクトップパソコン・・・6,000円 空気清浄機・・・1,000円 テレビの待機電力・・・4,000円  残りの再生可能エネルギー発電促進賦課金・・・1,000円
実際は、その他、毎日のスマホの充電(2台)、夏の扇風機(3台)、ポータブル電源(SUWAOKIの500Wh)の充電、掃除機(自分の部屋)にも利用しているが計算には入れてない。
 以上合計してみると概算で1年間35,000円になる。
※ 電気製品の電力の数値は、ポータブル電源の使用電力表示で測定した。(ただし、テレビは、除く)

電気製品等電力(W)年間電気代(概算)
テレビ400W21,000
テレビ(待機)28W4,000
デスクトップパソコン40W 
パソコンの液晶パネル30Wパソコン計 6,000
パソコンのスピーカー2W 
空気清浄機7W(待機)~53W(ターボ)1,000
再エネ賦課金 3,000
合計 35,000円

何年で元が取れるのか

最初から元を取るためにこのシステムを導入したわけではありません(趣味です)が、計算してみました。

日ごろの維持費として、バッテリーの精製水の注入(約2.000円/年)がある。これを差し引いてみる。また、このシステムの設置した時に、必要な機器等すべてで約50万円かかった。それを回収するためには 単純に50万円÷3.3万円=約15.2年になる。
 バッテリー自体(約10万)も更新が必要であろう。バッテリーをこの期間で仮に2回更新では(10万 ✖ 2回)20万となり、それを回収するためには、70万÷3.3万=約21.2年 となる。仮に、パネルや機器などに故障がなくても、約21年間は使用しないと元はとれない計算になる。

 元はなかなか取ることはできませんが、独立型の発電は、停電の時に、活躍できます。(我が家の飲み水は、すべて地下水。井戸用ポンプの電気が必要)災害時の備えにもなります。

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安全対策

 太陽光発電を安全に運用していくためには、設置にあたりある程度、専門の知識が必要です。さらに、電圧30V以上の工事には資格が必要です。私の場合、バッテリーは、24Vですが、設置工事にあたり、知り合いの有資格者にケーブルの接続等の協力をしてもらいました。正確には、自作ではないかもわかりませんが、計画や機材等の購入は、自分一人でしましたので、「自作」とさせてもらいます。
電気工事士の免許がないとできない工事|太陽光発電の自作の場合(私のサイト)

私の場合
 ①バッテリーの保管場所は家の外(軒下)【水素が発生するときがあります】
 ②断熱材を使ったバッテリーの保管庫の製作(人・動物がさわったり、ぬれたりするのを防止)
 ③接続ケーブルの太さ(バッテリー周辺は、太い溶接用キャブタイヤケーブル22㎟を使用)
 ④直流安全ブレーカーを2か所設置(チャージコントローラーにも安全装置が内蔵され、特に必要ないが修理・落雷対策の時、便利)
 ⑤ヒューズ付きカバースイッチを1か所設置  など配慮しました。

また、日ごろの管理としてバッテリーのチェックやパネルの台風対策等の作業があります。2020年の台風10号の時は、パネル2枚(2枚目の写真:単管パイプが台)を取り外し、安全なところへ避難させました。

 2016年の5月に設置して、6年になりました。故障もなく、バッテリーも調子がよかったですが、最近は、バッテリーの満充電になるスピードが速くなり、容量が以前より少なく感じるようになりました。

 チャージコントローラー(アメリカ製)、インバータ(日本製)、バッテリー(日本製)は、少し値段が高いですが、これらにしてよかったと思っています。

太陽光パネルの廃棄物問題

 太陽光パネルの寿命は20年~30年と言われています。2012年に固定価格買取制度(FIT)が導入されて以降、急激に増えてきました。資源エネルギー庁のHP「2040年、太陽光パネルのゴミが大量に出てくる?再エネの廃棄物問題」では、太陽光パネルの廃棄に関するさまざまな懸念が示されています。鉛、カドミウムなどの有害物質が含むパネルの大量廃棄が迫ってきています。
 そうした中、環境省は、使用済み太陽光パネルのリサイクルを義務化する検討に入ったと報道されていました。(2022年5月)再資源化を法律によって定める方向になりそうです。パネルを廃棄する人は、家電リサイクル法のように一定の料金を払うようになるのでしょうか?現在でも、私の住んでいる町は、パネルの廃棄は、受け付けてくれていません。各自で処分業者に有料で、処分してもらうようになっています。
 パネルを設置する人は、廃棄の時も、お金がかかることも知っておく必要があります。

 以上、自分で作った太陽光発電の仕様や運営について、説明させてもらいました。興味のある方は、参考にしていただき、みなさんもソーラー生活にチャレンジしてみてはいかがでしょうか。 

さいごに、ソーラー設備の増設と電気の勉強のために第2種電気工事士の免許を取得しました。その道のりの紹介です。参考にしてください。
第2種電気工事士の試験に挑戦(私のサイト)

参考にしたサイト・本

太陽光発電のシステム構築に参考になるサイトは株式会社オータムテクノロジーのホームページの説明文です。太陽光発電関係の部品の専門店です。ここでも私は部品を購入しました。

「自作」で大変役に立った参考文献は、 角川浩著「自分で作る蓄電型発電所 1KW独立太陽光発電」パワー社 です。システムづくりの実際についてきめ細かく説明がされています。私は、ほとんどこの本のとおりにシステムを構築しました。


自分で作る蓄電型発電所 1kW独立型太陽光発電―付・雨水の飲料水化

独立型太陽光発電のメリットやメンテナンスについては、私のサイトへ
【自作】蓄電型発電・独立型太陽光発電のメリット・デメリット
【自作】独立型太陽光発電|気になるメンテナンスと注意すること

最後に
手軽に太陽光発電を楽しみたい方にはポータブル電源がおすすめです。ソーラーパネルに接続するだけで充電ができ、100V電源が使えます。↓リチウムイオン電池1500Wh用、重さ16kg↓

(Jackery社は、アメリカ合衆国ブランド)


Jackery ポータブル電源 1500 PTB152 発電機 ポータブルバッテリー 超大容量1534.68Wh/426300mAh 家庭用 アウトドア用 バックアップ電源 防災推奨 ポータブル電源バッテリー Twin Turboシステム PSE認証済 純正弦波 MPPT制御方式採用 AC(1800W 瞬間最大3600W)/DC/USB出力 四つの充電方法 液晶大画面表示 車中泊 キャンプ 防災 非常用電源

また、長寿命であるリン酸鉄リチウムイオンのポータブル電源も安くなってきました。Anker社の512Whは、7.6kgなので車中泊などには適していると思います。


Anker 535 Portable Power Station (PowerHouse 512Wh) (6倍長寿命 ポータブル電源 大容量 バッテリー)【リン酸鉄リチウムイオン電池 / 充放電サイクル3,000回以上 / 高耐久 / ACポート4口 最大500W / PowerIQ 3.0 (Gen2)搭載/純正弦波 / ◇PSE技術基準適合】キャンプ アウトドア 車中泊 防災/非常用電源

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