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太陽光発電システム（PVシステムまたはソーラーパワーシステムとも呼ばれる）は、太陽光発電を利用して利用可能な太陽エネルギーを供給するように設計された電力システムです。太陽光を吸収して電気に変換するソーラーパネル、直流から交流への出力変換を行うソーラーインバータ、そしてシステムを稼働させるための架台、ケーブル、その他の電気アクセサリーなど、いくつかのコンポーネントで構成されています。多くの大規模PVシステムは、固定式システムよりも多くの電力を生成するために、太陽の毎日の軌道を追尾するトラッキングシステムを使用しています。 [ 1 ]
太陽光発電システムは光を直接電気に変換するものであり、暖房や冷房に使用される集光型太陽光発電や太陽熱発電などの他の太陽光発電技術とは混同してはならない。太陽光発電アレイは、太陽光発電システムの目に見える部分であるソーラーパネルのみを指し、システムバランス（BOS）と呼ばれるその他のハードウェアは含まない。太陽光発電システムは、数キロワットから数十キロワットの容量を持つ小型の屋上設置型または建物一体型システムから、数百メガワットの大規模な公益事業規模の発電所まで多岐にわたる。現在では、オフグリッドまたは独立型システムは市場のごく一部を占めるに過ぎない。
静音で可動部品がなく、大気汚染も発生しない太陽光発電システムは、ニッチ市場の用途から、主流の発電に使用される成熟した技術へと進化しました。太陽光発電の普及に伴い、太陽光発電システムの価格は導入以来急速に低下していますが、市場やシステムの規模によって価格は異なります。現在では、太陽光発電モジュールはシステム全体のコストの半分以下を占めており[ 2 ] 、残りはBOS（バランス・オブ・システム）のその他の構成要素と、顧客獲得、許認可、検査と相互接続、設置作業、資金調達コストなどのソフトコストに充てられています[ 3 ]： 14
太陽光発電システムは、太陽光という形で放出される太陽放射を、利用可能な電力に変換します。太陽光発電システムは、太陽電池アレイとその他のシステムコンポーネントで構成されます。太陽光発電システムは、系統連系型と独立型、建物一体型と架台設置型、住宅用と電力会社向け、分散型と集中型、屋上設置型と地上設置型、追尾型と固定傾斜型、新築型と改修型など、さまざまな側面から分類できます。その他の分類としては、マイクロインバーターを使用するシステムと中央インバーターを使用するシステム、結晶シリコンを使用するシステムと薄膜技術を使用するシステム、モジュールを使用するシステムなどがあります。
ヨーロッパの太陽光発電システムの約99%と米国の太陽光発電システムの約90%は電力網に接続されていますが、オフグリッドシステムはオーストラリアと韓国でやや一般的です。[ 4 ] : 14 PVシステムではバッテリーストレージはほとんど使用されていません。分散型エネルギー貯蔵に対する政府のインセンティブが実施され、小規模システムにとって徐々にストレージソリューションへの投資が経済的に実行可能になるにつれて、これは変化する可能性があります。[ 5 ] [ 6 ]英国では、未使用の電力をグリッドにフィードバックできないグリッドの制約と、経済性の向上につながる電気料金の上昇の結果として、バッテリーストレージを使用する商用システムの数が徐々に増加しています。[ 7 ]一般的な住宅用太陽光発電アレイは、建物の屋根やファサードに統合するのではなく、屋根にラックマウントされています。これは大幅にコストがかかります。公益事業規模の太陽光発電所は、高価な追尾装置を使用するのではなく、固定傾斜の太陽光パネルを備えた地上設置型です。結晶シリコンは、世界中で生産される太陽光モジュールの90%で使用されている主要な材料ですが、その競合である薄膜は市場シェアを失っています。[ 8 ]： 17-20太陽電池とモジュールの約70%は中国と台湾で生産されており、欧米メーカーによる生産はわずか5%である。[ 8 ]： 11-12小型屋上システムと大型太陽光発電所の両方の設置容量は急速に増加しており、その割合はほぼ均等である。ただし、新規設置の焦点がヨーロッパから米国のサンベルト地帯のような日照量の多い地域に移りつつあり、これらの地域では地上設置型太陽光発電所への反対が少なく、投資家は費用対効果をより重視しているため、公益事業規模のシステムへの顕著な傾向が見られる。[ 4 ]： 43
技術の進歩と製造規模および高度化の進展により、太陽光発電のコストは継続的に低下しています。[ 9 ]世界中に数百万のPVシステムが分散しており、そのほとんどはヨーロッパにあり、ドイツだけでも140万システムがあります[ 8 ] : 5 。また、北米にも44万システムがあり、米国にあります[ 10 ] 。従来のソーラーモジュールのエネルギー変換効率は2004年以降15%から20%に向上し[ 8 ] : 17、PVシステムは製造に必要なエネルギーを約2年で回収します。日射量が非常に多い場所や薄膜技術を使用すると、いわゆるエネルギー回収期間は1年以下に短縮されます[ 8 ] : 30-33 。ネットメータリングや、太陽光発電による電力に対する優遇固定価格買取制度などの財政的インセンティブも、多くの国でPVシステムの設置を大きく後押ししています。[ 11 ]大規模太陽光発電システムの均等化発電コストは、地理的な地域が拡大するにつれて従来の電力源と競争力を持つようになり、約30か国でグリッドパリティが達成されている。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
2015年現在、急速に成長している世界の太陽光発電市場は、200GWの目前に迫っており 、これは2006年の設置容量の約40倍に相当します。 [ 16 ]これらのシステムは現在、世界の発電量の約1%を占めています。容量の面で太陽光発電システムの設置上位国は現在、中国、日本、米国ですが、世界の容量の半分はヨーロッパに設置されており、ドイツとイタリアはそれぞれの国内電力消費量の7～8%を太陽光発電で賄っています。[ 17 ]国際エネルギー機関は、太陽光発電が2050年までに世界最大の電力源になると予測しており、太陽光発電と集光型太陽熱発電がそれぞれ世界の需要の16%と11%を占めると見込んでいます。[ 3 ]
グリッド接続システムは、より大きな独立したグリッド（通常は公共電力グリッド）に接続され、エネルギーを直接グリッドに供給します。このエネルギーは、収益測定ポイントの前または後に住宅または商業ビルで共有される場合があります。これは、クレジットされたエネルギー生産が顧客のエネルギー消費とは独立して計算されるか（固定価格買取制度）、またはエネルギーの差のみに基づいて計算されるか（ネットメータリング）によって異なります。これらのシステムの規模は、住宅用（2～10 kW p ）から太陽光発電所（数十 MW pまで）まで様々です。これは分散型発電の一形態です。グリッドに電力を供給するには、特別な同期グリッドタイインバータによって直流を交流に変換する必要があります。キロワット規模の設備では、オーム損失を制限するために、直流側のシステム電圧は許容される限り高く（通常は米国住宅用 600 V を除き 1000 V ）、ほとんどのモジュール（60 または 72 個の結晶シリコンセル）は、36 ボルトで160 W ～ 300 W を生成します。 モジュールをすべて直列に接続するのではなく、部分的に並列に接続する必要または望ましい場合がある。直列に接続されたモジュールの個々のセットは「ストリング」として知られている。[ 18 ]直列に接続された「ストリング」のセットは「アレイ」として知られている。
太陽光発電システムは一般的に、住宅用屋上設置型、商業用屋上設置型、地上設置型大規模システムの 3 つの明確な市場セグメントに分類されます。その容量は数キロワットから数百メガワットまでです。一般的な住宅用システムは 10 キロワット程度で傾斜屋根に設置されますが、商業用システムはメガワット規模に達することもあり、一般的には緩勾配または平らな屋根に設置されます。屋上設置型システムは小型で、大規模な大規模設備よりもワットあたりのコストが高いものの、市場で最大のシェアを占めています。しかし、特に地球の「サンベルト」地域では、より大規模な大規模発電所への傾向が高まっています。[ 4 ] : 43 [ 19 ]
大規模な公益事業規模の太陽光発電所や発電所は発電所であり、多数の消費者にエネルギーを供給する能力があります。発電された電力は、中央発電所によって電力供給される送電網（系統連系型または系統連系型発電所）に送られるか、1 台または複数の家庭用発電機と組み合わせて小規模な電力網（ハイブリッド発電所）に供給されます。まれに、発電された電力は島嶼型/独立型発電所によって直接貯蔵または使用されます。[ 20 ] [ 21 ] PV システムは一般的に、特定の投資に対して最高のエネルギー収量を確保するように設計されています。Solar Star、Waldpolenz Solar Park、Topaz Solar Farmなどの大規模な太陽光発電所は、数十ヘクタールまたは数百ヘクタールをカバーし、数百メガワットまでの出力があります。
小型PVシステムは、ACまたはDC電力の形で、1軒の家や独立したデバイスに電力を供給するのに十分なAC電力を供給できます。軍事および民間の地球観測衛星、街灯、建設および交通標識、電気自動車、太陽光発電テント[ 22 ]、および電気航空機には、設計と電力需要に応じて、ACまたはDC電力の形で主電源または補助電源を提供する統合型太陽光発電システムが含まれている場合があります。2013年には、屋上システムが世界の設置の60%を占めました。しかし、新しいPV設置の焦点がヨーロッパから地球の太陽ベルト地域の国々に移りつつあり、地上設置型太陽光発電所への反対がそれほど顕著ではないため、屋上からユーティリティ規模のPVシステムへの傾向が見られます。[ 4 ]： 43ポータブルおよびモバイルPVシステムは、電力会社との接続とは独立して電力を供給し、「オフグリッド」で動作します。このようなシステムはレクリエーション車両やボートで非常に一般的に使用されているため、これらの用途に特化した小売業者や、それらを対象とした製品も存在します。レクリエーション車両（RV）は通常バッテリーを搭載し、照明やその他のシステムを公称12ボルトの直流電源で動作させるため、RVシステムは通常、12ボルトのバッテリーを直接充電できる電圧範囲で動作し、PVシステムを追加するにはパネル、充電コントローラー、配線のみが必要です。レクリエーション車両のソーラーシステムは通常、RVの屋根の物理的なサイズによってワット数が制限されます。[ 23 ]
都市部や郊外では、電力使用量を補うために屋上に太陽光発電アレイがよく使用されます。多くの場合、建物は電力網に接続されており、その場合、PVアレイで生成されたエネルギーは、何らかのネットメータリング契約に基づいて電力会社に売電できます。一部の電力会社は、PVパネルの使用をサポートするために、商業顧客の屋上や電柱を使用しています。[ 24 ]ソーラーツリーは、その名の通り、木の外観を模倣し、日陰を提供し、夜間には街灯として機能するアレイです。
時間の経過に伴う収益の不確実性は、主に太陽光資源の評価とシステム自体の性能に関連しています。最良の場合でも、不確実性は通常、年ごとの気候変動で4%、太陽光資源の推定（水平面）で5%、アレイ面における日射量の推定で3%、モジュールの出力定格で3%、汚れや汚染による損失で2% 、積雪による損失で1.5%、その他の誤差要因で5%です。管理可能な損失を特定して対応することは、収益とO&M効率にとって重要です。アレイの性能監視は、アレイ所有者、建設業者、および発電されたエネルギーを購入する電力会社との間の契約の一部となる場合があります。容易に入手可能な気象データを使用して「合成日」を作成し、 Open Solar Outdoors Test Fieldを使用して検証する方法により、太陽光発電システムの性能を高い精度で予測することが可能になります。[ 25 ]この方法を使用すると、雪による損失[ 26 ] [ 27 ]や表面コーティング (疎水性または親水性など) が汚れや雪による損失に及ぼす影響など、局所的な損失メカニズムを特定できます。 [ 28 ] (ただし、積雪量が多く、地面の干渉が激しい環境では、雪による年間損失が 30% になることがあります。[ 29 ] ) インターネットへのアクセスにより、エネルギー監視と通信がさらに改善されました。専用システムは、多くのベンダーから提供されています。マイクロインバータ(パネルレベルの DC から AC への変換) を使用する太陽光発電システムの場合、モジュール電力データが自動的に提供されます。一部のシステムでは、制限に達したときに電話 / メール / テキスト 警告をトリガーするパフォーマンス アラートを設定できます。これらのソリューションは、システム所有者と設置業者にデータを提供します。設置業者は、複数の設置をリモートで監視し、設置ベース全体のステータスを一目で確認できます。
住宅用、商業用、または産業用エネルギー供給のための太陽光発電システムは、ソーラーアレイと、システムバランス（BOS）としてまとめられることが多い多数のコンポーネントで構成されます。この用語は「プラントバランス」と同義です。BOSコンポーネントには、電力調整装置と設置構造、通常は1つ以上のDC- AC電力変換器（インバータとも呼ばれる）、エネルギー貯蔵装置、ソーラーアレイを支える架台システム、電気配線と相互接続、およびその他のコンポーネントの取り付けが含まれます。
オプションとして、システム構成には、再生可能エネルギークレジット収益グレードメーター、最大電力点追従（MPPT）装置、バッテリーシステムおよび充電器、GNSSソーラートラッカー、エネルギー管理ソフトウェア、日射量センサー、風速計、またはシステム所有者の特別な要件を満たすように設計されたタスク固有のアクセサリのいずれか、またはすべてを含めることができます。さらに、CPVシステムには光学レンズまたはミラー、場合によっては冷却システムが必要です。
「ソーラーアレイ」と「PVシステム」という用語は、ソーラーアレイがシステム全体を指すわけではないにもかかわらず、しばしば誤って混同して使用されます。さらに、「ソーラーパネル」は「ソーラーモジュール」の同義語としてよく使われますが、パネルは複数のモジュールが連なったものです。「ソーラーシステム」という用語は、PVシステムを指す際にも誤用されることがよくあります。
太陽光発電システムの構成要素は太陽電池です。太陽電池は、光子エネルギーを電気に直接変換できる電気デバイスです。太陽電池には、結晶シリコンセル（c-Si）の第1世代（1G）、薄膜セル（CdTe、CIGS、アモルファスシリコン、GaAsなど）の第2世代（2G）、有機セル、色素増感セル、ペロブスカイトセル、多接合セルの第3世代（3G）の3つの技術世代があります。[ 30 ] [ 31 ]
従来のc-Si太陽電池は、通常直列に接続され、天候から保護するためにソーラーモジュールに封入されます。モジュールは、カバーとして強化ガラス、柔らかく柔軟な封止材、耐候性および耐火性材料で作られた背面バックシート、および外周のアルミニウムフレームで構成されています。ソーラーモジュールは電気的に接続され、支持構造に取り付けられ、モジュールのストリングを構成します。これは、ソーラーパネルと呼ばれることがよくあります。ソーラーアレイは、このようなパネルの1つまたは複数で構成されます。[ 32 ]太陽光発電アレイ、またはソーラーアレイは、ソーラーモジュールを連結した集合体です。1つのモジュールが生成できる電力は、家庭や企業の要件を満たすのに十分であることはほとんどないため、モジュールを連結してアレイを形成します。ほとんどのPVアレイは、インバータを使用して、モジュールによって生成されたDC電力を、ライト、モーター、およびその他の負荷に電力を供給できる交流に変換します。PVアレイのモジュールは通常、まず直列に接続されて必要な電圧を得ます。次に、個々のストリングを並列に接続して、システムがより多くの電流を生成できるようにします。ソーラーパネルは通常、STC（標準試験条件）またはPTC（PVUSA試験条件）でワット単位で測定されます。[ 33 ]一般的なパネル定格は、100ワット未満から400ワット以上までです。[ 34 ]アレイ定格は、ワット、キロワット、またはメガワットでパネル定格の合計で構成されます。
一般的な 150 ワットのPV モジュールは、約 1 平方メートルの大きさです。このようなモジュールは、天候と緯度を考慮し、1 日あたり 5 時間の日射量の場合、平均して 1 日あたり 0.75キロワット時(kWh) の発電が見込まれます。モジュールの出力は、温度の上昇とともに急速に低下します。PV モジュールの上、可能であれば後ろに周囲の空気を流すことで、この問題は軽減されます。空気の流れは動作温度を下げ、結果としてモジュールの効率を高める傾向があるためです。しかし、最近の研究では、より大規模な太陽光発電機を考慮した実際の運用において、風速の増加はエネルギー損失を増加させる可能性があることが実証されています[ 35 ]。これは、風と PV 発電機の相互作用により、モジュールから空気への熱伝達を変化させる空気流束の変化が誘発されるためです。
モジュールの実効寿命は通常25年以上です。[ 36 ]太陽光発電設備の投資回収期間は大きく変動し、投資収益率の計算ほど有用ではありません。[ 37 ]通常は10年から20年と計算されますが、インセンティブがあれば財務回収期間ははるかに短くなります。[ 38 ]
太陽光発電モジュールの温度の影響は、通常、開放電圧、短絡電流、最大電力の変化と温度変化の関係を示すいくつかの係数によって定量化されます。本論文では、温度係数を推定するための包括的な実験ガイドラインを示します。[ 39 ]
個々の太陽電池の電圧が低いため（通常約 0.5V）、複数のセルを直列に接続して「ラミネート」を製造します（「再生可能エネルギーにおける銅#太陽光発電」を参照）。ラミネートは保護用の耐候性筐体に組み立てられ、太陽光発電モジュールまたはソーラーパネルになります。モジュールは、太陽光発電アレイに連結することができます。2012 年、消費者が利用できるソーラーパネルの効率は約 17% でしたが、市販のパネルでは最大 27% に達するものもあります。太陽光を集光することで、より高い効率を達成できます。フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所のグループは、「 297個の太陽」に相当するものを使用して 44.7% の効率を達成できるセルを開発しました。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]
太陽電池の電気出力は、日陰の影響を非常に受けやすい（いわゆる「クリスマスライト効果」）。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]セル、モジュール、または並列接続されたセルアレイのごく一部でも日陰になり、残りの部分が日光に当たっている場合、内部の「短絡」（電子が日陰部分を通って逆方向に流れる）により出力が劇的に低下する。直列接続の場合、セルのストリングから引き出される電流は、日陰になったセルを流れることができる通常の小さな電流を超えることはないため、ストリングによって発生する電流（したがって電力）は制限される。外部負荷のインピーダンスが十分に低い場合、ストリング内の他のセルから十分な電圧が得られ、接合部を破壊することによって日陰になったセルにより多くの電流を流すことができる可能性がある。一般的なセルのこの破壊電圧は10～30ボルトである。日陰になったセルは、パネルによって生成される電力を増やすのではなく、電力を吸収して熱に変換する。日陰になったセルの逆電圧は、日光が当たったセルの順電圧よりもはるかに大きいため、1 つの日陰になったセルがストリング内の他の多くのセルの電力を吸収し、パネルの出力に不均衡な影響を与える可能性があります。たとえば、日陰になったセルは、高電流レベルで 0.5 ボルトを追加する代わりに 8 ボルト降下し、他の 16 個のセルによって生成された電力を吸収する可能性があります。[ 48 ]したがって、PV 設備が木やその他の障害物によって日陰にならないようにすることが重要です。ダイオードを使用して損失を軽減する技術がありますが、これらの技術にも損失が発生します。
LiDARを使用した広範囲にわたる PV システムへの樹木による日陰損失を決定するために、いくつかの方法が開発されてきました。[ 49 ]また、3D モデリングソフトウェアを使用した個々のシステム レベルでの損失も開発されています。[ 50 ] ほとんどのモジュールには、各セルまたはセル ストリング間にバイパス ダイオードがあり、日陰の影響を最小限に抑え、アレイの日陰部分が供給するはずだった電力とダイオードで消費される電力のみを損失します。バイパス ダイオードの主な役割は、アレイにさらなる損傷を与え、火災を引き起こす可能性のあるセル上に形成されるホット スポットを排除することです。
太陽光は、モジュールの表面にある塵、雪、その他の不純物（総称して「汚れ」と呼ばれる）によって吸収されることがあります。汚れはセルに当たる光を減らし、その結果、PVシステムの電力出力が低下します。汚れによる損失は時間の経過とともに蓄積され、適切な洗浄を行わないと大きくなる可能性があります。2018年には、汚れによる世界の年間エネルギー損失は少なくとも3～4%と推定されました。[ 51 ] ただし、汚れによる損失は地域によって、また地域内でも大きく異なります。[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] モジュールの表面を清潔に保つことで、PVシステムの寿命にわたって出力性能が向上します。雪の多い地域（オンタリオ州）で行われたある研究では、15か月後に平らに設置されたソーラーパネルを洗浄すると、出力がほぼ100%増加しました。ただし、5°傾斜したアレイは雨水で十分に洗浄されました。[ 27 ] [ 56 ] 多くの場合、特に乾燥地域や砂漠、道路、工業地帯、農業地帯に近い場所では、ソーラーパネルの定期的な清掃は費用対効果が高い。2018年には、汚れによる収益損失は50億ユーロから70億ユーロと推定された。[ 51 ]
太陽光発電モジュールの長期的な信頼性は、太陽光発電が成功したエネルギー源として技術的および経済的に実現可能であることを保証する上で極めて重要である。太陽光発電モジュールの劣化メカニズムの分析は、25年を超える現在の寿命を保証する上で鍵となる。[ 57 ]
太陽放射は、直接放射、拡散放射、反射放射から構成されます。PVセルの吸収率は、入射太陽放射照度のうちセルに吸収される割合として定義されます。[ 58 ]雲のない日に太陽が天頂にあるとき、太陽光のパワーは地球表面で約1 kW /m 2です。[ 59 ]そのため、PVアレイは毎日太陽を追尾してエネルギー収集を大幅に向上させることができます。ただし、追尾装置はコストがかかり、メンテナンスも必要となるため、PVアレイは固定マウントを使用してアレイを傾け、北半球では真南、南半球では真北に向けるのが一般的です。水平面からの傾斜角は季節に応じて変更できますが、[ 60 ]固定する場合は、独立型システムの場合、通常の年のピーク電力需要部分でアレイの出力が最適になるように設定する必要があります。この最適なモジュール傾斜角は、年間アレイエネルギー出力が最大となる傾斜角と必ずしも同じではありません。[ 61 ]特定の環境向けに太陽光発電システムを最適化することは、太陽光束、汚れ、積雪損失の問題を考慮する必要があるため、複雑になる可能性があります。さらに、後の研究では、スペクトル効果が最適な太陽光発電材料の選択に役割を果たす可能性があることが示されています。たとえば、周囲のアルベドのスペクトルは、太陽光発電システムの周囲の表面[ 62 ]と太陽電池材料の種類[ 63 ] に応じて、出力に重要な役割を果たす可能性があります。オーストラリアまたはヨーロッパや米国の南緯にある典型的な1kWの太陽光発電設備は 、場所、方位、傾斜、日射量、その他の要因に応じて、1日あたり3.5～5kWhを生成する可能性があります。[ 64 ] [ 65 ]サハラ砂漠では、雲が少なく、太陽光の角度が良いため、ほぼ常に吹いている風がユニットに砂を吹き付けない限り、理想的には 8.3 kWh/m 2 /日に近い値が得られる可能性がある。サハラ砂漠の面積は 900 万 km 2を超えている。90,600 km 2、つまり約 1% で、世界のすべての発電所を合わせたのと同じ量の電力を発電できる。[ 66 ]
モジュールは、地上設置、屋根設置、ポール設置など、何らかの設置システム上にアレイとして組み立てられます。ソーラーパークでは、大きなラックが地面に設置され、そのラックにモジュールが取り付けられます。建物の場合、傾斜屋根用にさまざまなラックが考案されています。平屋根の場合は、ラック、ビン、および建物一体型ソリューションが使用されます。ポールの上に設置されるソーラーパネルラックは、固定式または可動式にすることができます（下記のトラッカーを参照）。ポールの側面設置は、ポールの上部に照明器具やアンテナなど、他のものが取り付けられている場合に適しています。ポール設置により、地上設置となるアレイを雑草の影や家畜よりも高い位置に設置でき、露出した配線へのアクセス禁止に関する電気工事規定の要件を満たすことができます。ポール設置パネルは下面がより冷却空気にさらされるため、性能が向上します。複数のポール上部ラックを組み合わせて、駐車場やその他の日よけ構造物を作ることができます。太陽を左右に追従しないラックは、季節に応じて上下に調整することができます。[ 67 ]
屋外で使用されるため、太陽光発電ケーブルは紫外線や極端な温度変化に耐性を持つように設計されており、一般的に天候の影響を受けません。太陽光発電システムにおける電線の使用を規定する規格としては、国際電気標準会議（ IEC ）のIEC 60364 （第712項「太陽光発電（PV）電源システム」）、マイクロ発電および太陽光発電システムに関する規制を組み込んだ英国規格BS 7671 、および米国規格UL4703（第4703項「太陽光発電用電線」）などがあります。
太陽光発電ケーブルは、太陽光発電システムで使用される相互接続ケーブルです。太陽光発電ケーブルは、太陽光パネルと太陽光発電システムのその他の電気部品を接続します。太陽光発電ケーブルは、紫外線耐性と耐候性を備えるように設計されており、幅広い温度範囲で使用できます。
太陽光発電設備の配線に使用する材料の具体的な性能要件は、地域における電気設備を規制する国および地方の電気工事規定に定められています。太陽光発電ケーブルに求められる一般的な特性は、紫外線、天候、地域の極端な温度変化に対する耐性、および機器の電圧クラスに適した絶縁性です。感電防止および落雷防止のための太陽光発電設備の接地（アース）に関する規定は、地域によって異なります。
太陽追尾システムは、一日を通してソーラーパネルを傾けます。追尾システムの種類によって、パネルは太陽に直接向けられるか、部分的に雲がかかっている空の最も明るい領域に向けられます。追尾システムは、早朝と夕方の性能を大幅に向上させ、緯度にもよりますが、単軸追尾システムではシステム全体の発電量を約 20 ～ 25%、二軸追尾システムでは約 30% 以上増加させます。[ 68 ] [ 69 ] 追尾システムは、太陽光の大部分を直接受ける地域で効果的です。拡散光 (つまり、雲や霧の下) では、追尾はほとんど、または全く効果がありません。ほとんどの集光型太陽光発電システムは太陽光の角度に非常に敏感であるため、追尾システムを使用すると、毎日短時間だけでなく、より長い時間、有用な電力を生成できます。[ 70 ]追尾システムが性能を向上させる主な理由は 2 つあります。まず、ソーラーパネルが太陽光に垂直な場合、角度がついている場合よりも表面に多くの光が当たります。次に、直射光は角度のついた光よりも効率的に使用されます。[ 71 ]特殊な反射防止コーティングは、直射光や斜めの光に対するソーラーパネルの効率を向上させることができ、追尾の利点をいくらか減少させます。[ 72 ]
パフォーマンスを最適化するためのトラッカーとセンサーはオプションと見なされることが多いが、実行可能な出力を最大 45% 増加させることができる。[ 73 ] 1 メガワットに近づくかそれを超えるアレイでは、太陽トラッカーがよく使用される。雲や、世界のほとんどが赤道上にないこと、そして太陽が夕方に沈むことを考慮すると、太陽光発電の正しい尺度は日射量、つまり 1 平方メートルあたり 1 日あたりの平均キロワット時数である。米国とヨーロッパの気候と緯度では、典型的な日射量は、北部の気候では 2.26 kWh/m 2 /日、最も日照量の多い地域では 5.61 kWh/m 2 /日である。[ 74 ] [ 75 ]
大規模システムの場合、トラッキングシステムを使用することで得られるエネルギーは、複雑さが増すデメリットを上回る可能性があります。非常に大規模なシステムの場合、トラッキングの追加メンテナンスは大きなデメリットとなります。[ 76 ]フラットパネルおよび低濃度太陽光発電システムでは、トラッキングは必要ありません。高濃度太陽光発電システムでは、二軸トラッキングが必要です。[ 77 ]価格動向は、固定式ソーラーパネルを増やすか、トラッキングパネルを減らすかのバランスに影響を与えます。
単軸トラッカーの価格、信頼性、性能が向上したことにより、これらのシステムは公益事業規模のプロジェクトでますます多くの割合で設置されるようになりました。WoodMackenzie/GTM Researchのデータによると、世界のソーラートラッカー出荷量は2017年に過去最高の14.5ギガワットに達しました。これは前年比32%の成長であり、大規模太陽光発電の導入が加速するにつれて、同様またはそれ以上の成長が見込まれています。[ 78 ]
グリッド接続アプリケーションなど、交流（AC）を供給するように設計されたシステムでは、太陽光発電モジュールからの直流（DC）を交流（AC）に変換するインバータが必要です。グリッド接続インバータは、グリッド周波数に同期した正弦波の交流電力を供給し、供給電圧をグリッド電圧以下に制限し、グリッド電圧がオフになった場合はグリッドから切り離す必要があります。[ 79 ]アイランドインバータは、グリッド供給との同期や協調が不要なため、正弦波の波形で調整された電圧と周波数を生成するだけで済みます。
ソーラーインバータは、ソーラーパネルのストリングに接続できます。設置によっては、ソーラーマイクロインバータが各ソーラーパネルに接続されます。[ 80 ]安全上の理由から、メンテナンスを可能にするために、AC側とDC側の両方に回路ブレーカーが設けられています。AC出力は、電力メーターを介して公共グリッドに接続できます。[ 81 ]システム内のモジュールの数によって、ソーラーアレイで生成できる総DCワットが決まりますが、インバータが最終的に消費用に分配できるACワットの量を制御します。たとえば、11キロワットDC（kW DC）相当のPVモジュールと1つの10キロワットAC（kW AC）インバータを組み合わせたPVシステムは、インバータの出力10kWに制限されます 。2019年現在、最先端のコンバータの変換効率は98%を超えています。ストリングインバータは住宅から中規模の商業用PVシステムで使用されていますが、中央インバータは大規模な商業用および公益事業規模の市場をカバーしています。中央インバータとストリングインバータの市場シェアはそれぞれ約44％と52％で、マイクロインバータは1％未満である。[ 82 ]
最大電力点追従（MPPT）は、系統連系インバータが太陽光発電アレイから可能な限り最大の電力を得るために使用する技術です。そのためには、インバータのMPPTシステムが太陽光発電アレイの絶えず変化する電力出力をデジタル的にサンプリングし、適切なインピーダンスを適用して最適な最大電力点を見つけます。[ 83 ]
アンチアイランディングは、負荷との接続がなくなったときにインバーターを即座にシャットダウンし、交流電力の生成を防ぐ保護メカニズムです。これは、たとえば停電の場合に発生します。この保護がないと、太陽光発電アレイが停電中も直流電力を供給し続けるため、供給ラインは電力が供給されている「島」となり、電力が供給されていないラインの「海」に囲まれてしまいます。アイランディングは、交流回路にまだ電力が供給されていることに気づかない可能性のある電力会社の作業員にとって危険であり、デバイスの自動再接続を妨げる可能性があります。[ 84 ]アンチアイランディング機能は、完全なオフグリッドシステムには必須ではありません。
太陽光発電システムは依然として高価ではあるものの、余剰電力を蓄えて夜間に使用するために、充電式バッテリーの利用がますます増えている。系統連系用バッテリーは、ピーク負荷を平準化することで電力系統の安定化にも貢献し、需要の低い時間帯に充電し、需要の高い時間帯に蓄えたエネルギーを系統に供給できるため、スマートグリッドにおいても重要な役割を果たす。
今日のPVシステムで使用されている一般的なバッテリー技術には、従来の鉛蓄電池の改良版であるバルブ制御鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池などがあります。他のタイプと比較すると、鉛蓄電池は寿命が短く、エネルギー密度も低くなっています。しかし、信頼性が高く、自己放電が少なく、投資とメンテナンスのコストが低いため、リチウムイオン電池はまだ開発中で、鉛蓄電池の約3.5倍の価格であるため、現在（2014年時点）は小規模住宅用PVシステムで使用されている主要な技術となっています。さらに、PVシステムの蓄電装置は固定式であるため、鉛蓄電池のエネルギー密度と電力密度が低く、重量が大きいことは、たとえば電気輸送の場合ほど重要ではありません[ 5 ]： 4、9分散型PVシステムで検討されているその他の充電式バッテリーには、ナトリウム硫黄電池とバナジウムレドックス電池があり、それぞれ溶融塩電池とフロー電池の2つの代表的なタイプです。[ 5 ] : 4 2015年、テスラモーターズは、エネルギー消費に革命を起こすことを目指して、充電式リチウムイオン電池であるパワーウォールを発売した。 [ 85 ]
バッテリーソリューションを統合したPVシステムには、充電コントローラーも必要です。ソーラーアレイからの電圧と電流が変動するため、過充電による損傷を防ぐために常に調整する必要があるからです。[ 86 ]基本的な充電コントローラーは、PVパネルをオン/オフするだけのものもあれば、必要に応じてエネルギーのパルスを計測するものもあり、これはPWM（パルス幅変調）と呼ばれる方式です。より高度な充電コントローラーは、 MPPTロジックをバッテリー充電アルゴリズムに組み込みます。充電コントローラーは、バッテリー充電以外の目的にエネルギーを転用することもできます。必要のないときに無料のPVエネルギーを単に遮断するのではなく、バッテリーが満充電になったら空気や水を加熱することを選択できます。
計測器は両方向のエネルギー単位を蓄積できなければならず、そうでなければ 2 つのメーターを使用する必要があります。多くのメーターは双方向に蓄積しますが、一部のシステムでは 2 つのメーターを使用しますが、単方向メーター (デテント付き) はグリッドへの結果フィードからのエネルギーを蓄積しません。[ 87 ]一部の国では、30 kW p を超える設備に対して、すべての相を切断する周波数および電圧モニターが必要です。これは、電力会社が対応できる以上の太陽光発電が行われ、余剰分を輸出または貯蔵できない場合に行われます。グリッドオペレーターは、これまで送電線と発電容量を提供する必要がありました。現在では、貯蔵も提供する必要があります。これは通常水力貯蔵ですが、他の貯蔵手段も使用されます。当初、貯蔵はベースロード発電機がフル出力で運転できるようにするために使用されました。変動する再生可能エネルギーでは、利用可能なときにいつでも発電し、必要なときにいつでも消費できるようにするために貯蔵が必要です。
グリッドオペレーターが持つ2つの変数は、必要なときに電力を蓄えるか、必要な場所に送電することです。これら両方が失敗した場合、30kWpを超える設備は自動的に停止する可能性がありますが、実際にはすべてのインバーターは電圧調整を維持し、負荷が不十分な場合は電力供給を停止します。グリッドオペレーターは、大規模システムからの余剰発電を抑制するオプションがありますが、これは太陽光発電よりも風力発電でよく行われ、収益の大幅な損失につながります。[ 88 ]三相インバーターには、負荷要件に合わせる際に有利となる無効電力供給の独自のオプションがあります。[ 89 ]
太陽光発電システムは、故障を検出して動作を最適化するために監視する必要があります。設置の出力と性質に応じて、いくつかの太陽光発電監視戦略があります。監視は、現場で行うことも、遠隔で行うことも可能です。発電量のみを測定することも、インバータからすべてのデータを取得することも、通信機器（プローブ、メーターなど）からすべてのデータを取得することもできます。監視ツールは、監視専用にすることも、追加機能を提供することもできます。個々のインバータとバッテリー充電コントローラーには、メーカー固有のプロトコルとソフトウェアを使用した監視機能が含まれている場合があります。[ 90 ]インバータのエネルギー計測は精度が限られており、収益計測目的には適さない場合があります。サードパーティのデータ収集システムは、インバータメーカーのプロトコルを使用して複数のインバータを監視し、気象関連情報も取得できます。独立したスマートメーターは、 PVアレイシステムの総エネルギー生産量を測定できます。衛星画像解析や日射計（日射計）などの個別の測定を使用して、比較のために総日射量を推定できます。[ 91 ]監視システムから収集されたデータは、 OSOTF などのワールドワイドウェブを介して遠隔で表示できます。[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]
年間エネルギー消費量（kWh）を知る例えば、電気料金明細書に記載されている2300kWhの電力需要を持つ機関や家庭の場合、そのエネルギー需要を満たすために必要な太陽光発電パネルの数を計算することができます。https: //re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/にアクセスし、パネルを設置する場所を選択するか、地図をクリックするか、場所の名前を入力した後、「グリッド接続」と「結果の視覚化」を選択すると、例えばパレルモ市に関する以下の表が表示されます。
入力された情報: 位置 [緯度/経度]: 38.111, 13.352 ホライズン：計算済み 使用データベース:;PVGIS-SARAH2 PV技術：結晶シリコン 設置された太陽光発電設備[kWp]:;1 システム損失率[%]: 14 シミュレーション出力: 傾斜角度[°]：35 方位角[°]:;0 年間太陽光発電量[kWh]：1519.1 年間面内日射量 [kWh/m2]: 1944.62 年々の変動 [kWh]: 47.61 出力の変化の原因: 入射角[%]：-2.68 スペクトル効果[%]：0.88 温度と低照度[%]：-7.48 総損失率[%]：-21.88 太陽光発電の電気料金[1kWhあたり]:
wxMaximaプログラムを使用すると、年間消費量2300kWh、傾斜角35°、方位角0°、総損失21.88%の結晶シリコン技術の場合に必要なパネル数は、切り上げで6枚となります。
E_d : 2300 ; E_s : 1519.1 ; P : 300 ; Number_panels : 1000 * E_d / ( P * E_s ) ;5.046847914335243平均して、各家庭は太陽光発電から直接エネルギーの30%を消費しています。蓄電システムは自家消費率を最大70%まで高めることができるため、このケースで必要な蓄電池容量は4.41kWhとなり、四捨五入すると4.8kWhになります。
バッテリー容量：0.70 * E_d / 365 ;4.410958904109589エネルギー価格が0.5ユーロ/kWhの場合、税抜きのエネルギーコストは年間1150ユーロになります。
エネルギーコスト：E_d * 0.5 ;1150.0つまり、300Wのソーラーパネルが200ユーロ、4.8kWhのバッテリーが3000ユーロ、直流を交流に変換するインバーターが1000ユーロ、充電レギュレーターが100ユーロ、設置費用が1000ユーロだとすると、合計費用は6300ユーロになります 。
合計費用：200 * 6 + 3000 + 1000 + 100 + 1000 ;3150これらは5.46年かけて償却されます。
年数：総費用／エネルギー費用；5.46 ...バッテリーの寿命は10年、ソーラーパネルの寿命は25～30年です。
このセクションでは、高度に専門化されていて一般的ではないシステム、あるいは重要性が限られている新興技術であるシステムについて取り上げます。しかし、独立型システム、すなわちオフグリッドシステムは特別な位置を占めています。これらは、太陽光発電技術がまだ非常に高価で、小規模用途の純粋なニッチ市場であった1980年代と1990年代に最も一般的なシステムでした。電力網が利用できない場所でのみ、経済的に実現可能でした。現在でも世界中で新しい独立型システムが導入されていますが、太陽光発電設備全体の設置容量に占める割合は減少しています。ヨーロッパでは、オフグリッドシステムは設置容量の1%を占めています。米国では、約10%を占めています。オフグリッドシステムは、オーストラリア、韓国、そして多くの発展途上国で依然として一般的です。[ 4 ]： 14
集光型太陽光発電（CPV）および高集光型太陽光発電（HCPV）システムは、光学レンズまたは曲面鏡を用いて太陽光を集光し、小型ながら高効率な太陽電池に照射します。集光光学系に加え、CPVシステムは太陽追尾装置や冷却システムを用いる場合もあり、価格も高くなります。
特にHCPVシステムは、太陽光を400倍以上に集光し、効率が24～28%と通常のシステムを上回る高日射量の場所に最も適しています。様々な設計のシステムが市販されていますが、あまり普及していません。しかし、研究開発は継続的に行われています。[ 8 ]： 26
CPVは、太陽電池を使用しないCSP（集光型太陽熱発電）と混同されることが多い。どちらの技術も日照量の多い場所が適しており、互いに直接競合する。
ハイブリッドシステムは、PVと他の発電方式（通常はディーゼル発電機）を組み合わせたものです。[ 96 ]バイオガスも使用されます。他の発電方式は、需要に応じて出力を調整できるタイプである場合があります。ただし、風力など、複数の再生可能エネルギーが使用される場合もあります。太陽光発電は、再生不可能な燃料の消費を削減する役割を果たします。ハイブリッドシステムは、島で最もよく見られます。ドイツのペルヴォルム島とギリシャのキトノス島は注目すべき例です（どちらも風力発電と組み合わせています）。[ 97 ] [ 98 ]キトノス島の発電所は、ディーゼル消費量を11.2%削減しました。[ 99 ]
2015年に7か国で実施されたケーススタディでは、ミニグリッドと独立グリッドをハイブリッド化することで、すべてのケースで発電コストを削減できると結論付けられました。ただし、このようなハイブリッドの資金調達コストは重要であり、発電所の所有構造に大きく依存します。国営電力会社ではコスト削減が大きくなる可能性がありますが、この研究では、独立系発電事業者などの非公営電力会社では経済的利益がほとんどないか、マイナスになる可能性もあると指摘されています。[ 100 ] [ 101 ]
また、米国ではPV+CHPハイブリッドシステムの分散ネットワークを導入することでPV普及率の上限を引き上げることができるという研究結果もある。[ 102 ]米国の代表的な一戸建て住宅における日射量、電力および暖房需要の時間分布が分析され、その結果、CHP（熱電併給）をPVとハイブリッド化することで、従来の集中型発電システムで可能な範囲を超えてPVをさらに導入できることが明確に示された。この理論は、1秒あたりの日射量データを使用した数値シミュレーションによって再確認され、このようなハイブリッドシステムに必要なバッテリーバックアップは、比較的小型で安価なバッテリーシステムで実現可能であることが確認された。[ 103 ]さらに、大規模なPV+CHPシステムは公共施設にも適用可能であり、断続的なPVのバックアップを提供し、CHPの稼働時間を短縮する。[ 104 ]
浮体式太陽光発電（FPV）は、浮体構造物に取り付けられた太陽光パネルです。パネルを保持する構造物は通常、プラスチック製のブイとケーブルで構成されています。その後、水域（貯水池、採石場の湖、灌漑用水路、または修復池や尾鉱池など）に設置されます。[ 108 ] [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ]
これらのシステムは、陸上の太陽光発電（PV）よりも利点があります。水面は土地よりも安価である可能性があり、レクリエーションに使用されない水域に建設される構造物に対する規則や規制は少なくなります。ライフサイクル分析によると、発泡体ベースのFPV [ 113 ]は、報告されている結晶シリコン太陽光発電技術の中で最も短いエネルギー回収期間（1.3 年）と最も低い温室効果ガス排出量対エネルギー比（11 kg CO 2 eq/MWh）を持っています。 [ 114 ] FPV は、あらゆる用途の電力を生成するだけでなく、浮いている水上で電気分解によってグリーン水素を生成するためにも使用できます。 [ 115 ]
水がパネルを冷却するため、浮体式太陽光発電アレイは陸上の太陽光発電パネルよりも高い効率を達成できます。パネルには錆や腐食を防ぐための特殊なコーティングを施すことができます。[ 116 ]また、浮体式太陽光発電は日陰を作り、蒸発を遅らせ、藻類の繁殖を抑制します。[ 117 ]
この再生可能エネルギー技術の市場は2016年以降急速に成長している。数十kWpの容量を持つ最初の20の発電所は2007年から2013年の間に建設された。[ 118 ]設置された電力は2020年の3GWから2022年には13GWに増加し[ 119 ] 、 2025年までに10GWという予測を上回った。[ 120 ]世界銀行は、浮体式太陽光発電に適した大きな水域が6,600あり、その表面の10%をパネルで覆えば技術的に4,000GWを超える容量があると推定している。[ 119 ]
米国は、世界のどの国よりも浮体式太陽光発電の潜在力が高い。[ 121 ]浮体式太陽光発電に適した水域は米国全土に広く分布している。南東部と南部の平原州には、一般的に最大容量の貯水池がある。[ 121 ]
直流グリッドは、鉄道、路面電車、トロリーバスなどの電気輸送に見られます。このような用途向けのパイロットプラントがいくつか建設されており、例えばハノーバー・ラインハウゼンの路面電車車庫では太陽光発電を利用しています[ 122 ]。また、ジュネーブ（バシェ・ド・ペゼ）にも同様のプラントがあります[ 123 ]。150kWp のジュネーブの発電所は、 600Vの直流を路面電車/トロリーバスの電力ネットワークに直接供給していますが、1999年の開設当初は電力の約15%を供給していました。
スタンドアロンシステムまたはオフグリッドシステムは、電力網に接続されていません。スタンドアロンシステムは、腕時計や電卓から遠隔地の建物や宇宙船まで、サイズや用途が大きく異なります。負荷を日射量とは独立して供給する場合、生成された電力はバッテリーに蓄えられ、バッファリングされます。[ 124 ]建物など、重量が問題にならない非ポータブル用途では、低コストで乱暴な扱いにも耐えられる鉛蓄電池が最も一般的に使用されます。
過充電や過放電によるバッテリーの損傷を防ぐため、システムに充電コントローラーを組み込むことができます。また、最大電力点追従（MPPT）技術を使用してソーラーアレイからの発電量を最適化するのにも役立ちます。ただし、PVモジュールの電圧がバッテリー電圧と一致する単純なPVシステムでは、バッテリー電圧がPVモジュールからほぼ最大の電力を収集できるほど安定しているため、MPPT電子機器の使用は一般的に不要と考えられています。小型デバイス（電卓、パーキングメーターなど）では直流（DC）のみが消費されます。大型システム（建物、遠隔給水ポンプなど）では通常、交流（AC）が必要です。モジュールまたはバッテリーからのDCをACに変換するには、インバーターが使用されます。
農業分野では、インバーターを必要とせずに、太陽光発電アレイを直接DCポンプの動力源として使用できます。山間部、島嶼部、その他電力網が利用できない遠隔地では、太陽光発電アレイを唯一の電力源として使用でき、通常は蓄電池を充電することで電力を供給します。独立型システムは、小規模発電や分散型発電と密接に関連しています。
太陽光発電セルの製造コストは、生産における規模の経済と製造における技術進歩により低下しました。大規模設備の場合、2012年までに1ワットあたり1ドル以下の価格が一般的になりました。[ 127 ]ヨーロッパでは2006年から2011年にかけて50%の価格低下が達成され、2020年までに発電コストを50%削減できる可能性がありました。[ 128 ]結晶シリコン太陽電池は、より安価な多結晶シリコン太陽電池にほぼ置き換えられ、薄膜シリコン太陽電池もより低い製造コストで開発されました。単結晶「シリコンウェハ」に比べてエネルギー変換効率は低下しますが、比較的低いコストで製造するのがはるかに容易です。[ 129 ]
下の表は、太陽光発電システムで発電される電力 1 kWh あたりの総コスト (平均) を米セントで示しています。[ 130 ] [ 131 ]左側の行の見出しは、太陽光発電設備のピーク キロワット (kW p ) あたりの総コストを示しています。太陽光発電システムのコストは低下傾向にあり、例えばドイツでは、2014 年末までに1kW pあたり 1389 米ドルまで下がったと報告されています。 [ 132 ]上部の列の見出しは、設置された kW pごとに期待される年間エネルギー出力 (kWh) を示しています。これは、平均日射量が平均雲量と太陽光が通過する大気の厚さに依存するため、地理的な地域によって異なります。また、パネルと地平線に対する太陽の経路にも依存します。パネルは通常、緯度に基づいて角度をつけて設置され、多くの場合、太陽の赤緯の変化に合わせて季節ごとに調整されます。太陽追尾システムを利用することで、より多くの垂直方向の太陽光を取り込むことができ、それによって総エネルギー出力を向上させることも可能です。
表中の計算値は、1 kWh あたりの総コスト (平均) をセント単位で表したものです。総資本コストを 10% (例えば、金利4% 、運転・保守コスト 1% [ 133 ]、資本支出の 20 年間の減価償却) と想定しています。通常、太陽光発電モジュールには 25 年間の保証が付いています。[ 134 ] [ 135 ]
太陽光発電システムは、均等化発電原価（LCOE）に関して学習曲線を示し、容量が2倍になるごとに1kWhあたりのコストが32.6%減少します。[ 137 ] [ 138 ] [ 139 ]国際再生可能エネルギー機関（IRENA）の2010年から2017年までのLCOEと累積設置容量のデータから、 [ 138 ] [ 139 ]太陽光発電システムの学習曲線方程式は次のように与えられます。[ 137 ]
太陽光発電システムの利用の増加と、太陽光発電を既存の供給および配電の構造や技術に統合することにより、太陽光発電コンポーネントおよびシステムに関する一般的な規格と定義の必要性が高まっています。これらの規格は国際電気標準会議（IEC）で作成され、セル、モジュール、シミュレーション プログラム、プラグ コネクタとケーブル、マウント システム、インバータの総合効率などの効率、耐久性、安全性に適用されます。[ 140 ]
英国では、太陽光発電設備の設置は一般的に許可された開発とみなされ、建築許可は必要ありません。ただし、物件が指定建造物または指定地域（国立公園、傑出した自然美地域、特別科学的重要地区、ノーフォーク・ブローズなど）にある場合は、建築許可が必要です。[ 141 ]
英国の太陽光発電設備も、2010年建築基準法の規制対象となっています。そのため、住宅用および商業用の屋上太陽光発電設備は、必要な安全基準を満たしていることを確認するために、建築基準法の承認が必要です。これには、屋根が太陽光パネルの重量を支えられること、電気接続が安全であること、火災の危険がないことを確認することが含まれます。[ 142 ]
米国では、国家電気規程第690条に太陽光発電システムの設置に関する一般的なガイドラインが規定されていますが、これは地域の法令や規制によって変更される場合があります。多くの場合、工事開始前に許可が必要となり、計画書の提出や構造計算が求められます。さらに、多くの地域では、工事は資格を有する電気技師の指導の下で行うことが義務付けられています。
管轄当局( AHJ) は、建設が合法的に開始される前に設計を審査し、許可を発行します。電気設備工事は、国家電気規程(NEC) に定められた基準に準拠し、建築基準、電気規程、および防火基準への準拠を確保するために AHJ による検査を受けなければなりません。管轄区域によっては、機器が国家認定試験機関(NRTL)の少なくとも 1 つによってテスト、認証、リスト化、およびラベル付けされていることを要求する場合があります。 [ 143 ]多くの地域では、太陽光発電システムを設置するには許可が必要です。グリッド接続システムでは通常、システムと建物のグリッド接続配線との接続に、資格のある電気技師が必要です。[ 144 ]これらの資格を満たす設置業者は、ほぼすべての州にいます。[ 143 ]いくつかの州では、住宅所有者協会が太陽光発電機器を制限することを禁止しています。[ 145 ] [ 146 ] [ 147 ]
スペインは電力の約40%を太陽光発電やその他の再生可能エネルギー源で発電しており、ウエルバやセビリアなどの都市では年間約3,000時間の日照時間を誇るものの、2013年にスペイン政府は投資によって生じた負債を補填するため、太陽光発電税を導入した。送電網に接続しない者は、最大3,000万ユーロ（4,000万米ドル）の罰金を科される可能性がある。[ 148 ]このような措置は、再生可能エネルギーの自家消費に対する課税を禁止する新たな法律が導入された2018年までに最終的に撤回された。[ 149 ]
屋上太陽光発電システムの普及が進むにつれて、エネルギーの流れは双方向になります。地域での発電量が消費量を上回ると、電力は送電網に送られます。しかし、従来の電力ネットワークは双方向のエネルギー転送に対応するように設計されていません。そのため、いくつかの技術的な問題が発生する可能性があります。たとえば、オーストラリアのクイーンズランド州では、2017年末までに30%以上の世帯が屋上太陽光発電システムを設置しました。2015年以降、多くの地域で有名なカリフォルニア2020ダックカーブが頻繁に現れます。電力がネットワークに逆流すると、過電圧の問題が発生する可能性があります。[ 150 ]過電圧の問題に対処するための解決策としては、PVインバータの力率調整、配電レベルでの新しい電圧およびエネルギー制御機器、電線の再導体化、デマンドサイドマネジメントなどがあります。これらの解決策には、多くの場合、制限とコストが伴います。これらのコストと便益を計算する方法の1つは、「太陽光発電の価値」（VOS）[ 151 ]という概念を使用することです。これには、プラントの運転とメンテナンス（固定費と変動費）、燃料、発電容量、予備容量、送電容量、配電容量、環境および健康に対する責任など、回避されたコスト/損失が含まれます。Popular Mechanics誌は、VOSの結果から、米国のほとんどの地域で系統連系電力会社の顧客が著しく過小評価されていることが分かると報告しています。これは、太陽光発電の価値がネットメータリング料金や2段階料金を上回っているため、「隣人の太陽光パネルが密かにあなたのお金を節約している」ことを意味します。[ 152 ]
顧客は、快適性や利便性に対するニーズ、電気料金、使用パターンなど、さまざまな具体的な状況を抱えています。電気料金には、日々のアクセス料金やメーター料金、エネルギー料金（kWh、MWhに基づく）、ピーク需要料金（例えば、1か月間の最大30分間のエネルギー消費量に対する料金）など、いくつかの要素が含まれる場合があります。オーストラリアやドイツのように、電気料金がかなり高く、継続的に上昇している場合、PVはエネルギー料金を削減するための有望な選択肢です。ただし、ピーク需要料金が設定されている場所では、ピーク需要が主に午後遅くから夕方にかけて発生する場合（例えば、住宅地など）、PVの魅力は低くなる可能性があります。全体として、エネルギー投資は主に経済的な決定であり、投資決定は、運用改善、エネルギー効率、オンサイト発電、エネルギー貯蔵の選択肢を体系的に評価することに基づいています。[ 153 ] [ 154 ]
系統連系型太陽光発電システム、または系統連系型PVシステムとは、電力系統に接続された発電用太陽光発電システムのことです。系統連系型PVシステムは、太陽光パネル、1つまたは複数のインバータ、電力調整ユニット、および系統接続機器で構成されています。小規模な住宅用および商業用屋上システムから、大規模な公益事業規模の太陽光発電所まで、その規模は多岐にわたります。条件が整えば、系統連系型PVシステムは、接続された負荷による消費量を超える余剰電力を電力系統に供給します。[ 155 ]
10キロワットを超える容量を持つ住宅用グリッド接続屋上システムは、ほとんどの消費者の負荷を満たすことができます。 [ 156 ]余剰電力はグリッドに供給され、他のユーザーによって消費されます。フィードバックは、送電された電力を監視するメーターによって行われます。太陽光発電のワット数が平均消費量よりも少ない場合、消費者は引き続きグリッドエネルギーを購入しますが、以前よりも少ない量になります。太陽光発電のワット数が平均消費量を大幅に上回る場合、パネルによって生成されるエネルギーは需要をはるかに上回ります。この場合、余剰電力はグリッドに売却することで収益を得ることができます。消費者は、地元のグリッドエネルギー会社との契約に応じて、消費した電気料金から生成された電気料金を差し引いた金額のみを支払う必要があります。消費量よりも多くの電気が生成された場合は、これはマイナスになります。[ 157 ]さらに、場合によっては、グリッド事業者から消費者に現金のインセンティブが支払われます。
太陽光発電システムの接続は、消費者と電力会社との間の相互接続契約を通じてのみ行うことができます。この契約には、接続中に従うべきさまざまな安全基準が詳細に記載されています。[ 158 ]
太陽光発電パネルからの電力は、電力網に送電するためには、専用のパワーインバータによって交流に変換されなければなりません。インバータは太陽光発電アレイと電力網の間に設置され、大型の独立型ユニットの場合もあれば、個々の太陽光パネルに取り付けられた複数の小型インバータをACモジュールとして組み合わせたものもあります。インバータは、電力網の電圧、波形、周波数を監視する必要があります。また、電力網の供給障害を検知すると、電力網への電力供給を停止しなければなりません。故障した送電線に接続されたインバータは、管轄区域によって異なる安全規則に従って自動的に遮断されます。特に低・中電力供給ネットワークにおいては、故障電流の発生場所がインバータの保護機構が作動するかどうかの判断に重要な役割を果たします。保護システムは、供給ネットワーク上のインバータ外部の故障に対して適切な動作を保証する必要があります。また、専用インバータは、インバータの電力の流れが波形に応じて電力網に正しく統合されるように、交流周波数を電力網と同期するように設計されなければなりません。
アイランディングとは、電力会社の送電網からの電力供給が停止した後も、分散型発電機が特定の場所に電力を供給し続ける状態のことです。アイランディングは、電力会社の作業員にとって危険な場合があります。作業員は、送電網からの電力供給が停止しているにもかかわらず、回路に電力が供給されていることに気づかない可能性があるからです。そのため、分散型発電機はアイランディングを検知し、直ちに発電を停止する必要があります。これをアンチアイランディングと呼びます。
系統連系型太陽光発電システムで電力会社の停電が発生した場合、太陽光パネルは太陽光が当たっている限り発電を続けます。この場合、送電線は電力供給が途絶えた「海」に囲まれた「島」のような状態になります。そのため、系統に電力を供給するように設計された太陽光発電インバーターには、一般的に自動的な系統分離防止回路が内蔵されている必要があります。意図的な系統分離では、発電機が系統から切り離され、分散型発電機がローカル回路に電力を供給するようになります。これは、通常電力を系統に売電している建物の電力バックアップシステムとしてよく用いられます。
アンチアイランディング制御技術には2種類あります。
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