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ベランダで太陽光発電に挑戦

最終更新:2013/10/23

最近の太陽光パネルの安さをみたら太陽光発電をやらずにはいられなくなりました。
もちろん屋根に設置するような数キロワット出力の大掛かりな太陽光発電だと百万円以上が当たり前ですが、ベランダでの50W出力程度の小規模なものだと設置も自分でできて3万円以内でできそうです。
太陽光システムを自作するなんて言うと難しそうですが、基本的には太陽光パネル、バッテリー、チャージコントローラーをつなぐだけで独立型の太陽光発電システムができます。

太陽光発電へのモチベーションを高めているもう一つの理由はLED照明や携帯、タブレット、ノートパソコンなど低消費電力の家電製品が増えていることもあります。
電気を発電しても普通に使えないと宝のもちぐされになってしまいベランダのソーラーパネルが邪魔になり続かなくなってしまいます。太陽光発電が役に立っているという実感は得たいです。

目的

自分の目的としては、以下の3つ。
○趣味として
太陽光でソーラー発電をやってみたいという興味。
長期間、キャンプなどをするときに発電できると助かる。

○停電に備えて
万が一の停電の際に、照明、ノートパソコン、携帯の充電などに使えたら安心

○節電
電気の大切さを感じ、少しでも電力会社から買う電気を減らす

太陽光で電気を発電すると、自分の使っている家電の消費電力が気になってきます。
冷蔵庫、照明などの消費電力の比較的大きなものの消費電力を減らすことが効果的です。
私の場合、これらを低消費電力のものに置き換え、こまめに待機電力を削減することを心がけることで、
以前に比べて消費電力を半分以下に減らしました。

目標の発電量

天気の良い日、1日でパネルの出力の3〜4倍程度発電できると言われてますので、
50Wのパネルで発電することを考えると、条件の悪いベランダでは2〜3倍の100Wh以上発電できれば◎です。
一般的な50Wのパネルは、ほぼ正方形で1辺が50〜70cmですので扱うのも楽です。これ以上大きくなるとキャンプなどで持ち運ぶときに障害になります。

補助照明としてフロアースタンドを60W程度の明るさにすると蛍光灯形電球またはLED電球で10W〜12Wです。12Wのものを6時間使うと72Wh (12W x 6h)なのでなんとかフロアースタンドの電気はまかなえそうです。その他、携帯やタブレットなどの充電(5W)を6時間すると30Wh (5W x 6h)で、晴れていればノートパソコン(30W)を使える日もあるかもしれません(笑)
人によっては照明程度のためにソーラーパネルなんてと思う人もいるかもしれませんが、
照明をこれだけ使えることは自分にとってはうれしく、普段は補助照明として使い、
停電時はメインの照明として使うことができます。停電時にLEDランタンなど薄暗いものを
使わなくてもいいというのは心強いです。

準備

ベランダでどの程度の電気を発電ができるかを知るためにも実際に設置してみる。

必要なものは、基本的には
太陽光パネル、バッテリーと充電、放電管理をするためのチャージコントローラーの3つです。
購入額は以上3点で約15000円でした。
太陽光発電に必要なものはネットで手に入れることができ、発電の状況をみながらパネルやバッテリーを追加できるので趣味としてもとても面白いです。

チャージコントローラー

チャージコントローラーは太陽光パネルで発電した電気をバッテリーに充電したり、
充電した電気を放電するためのコントロールをします。
これにより、バッテリーへ充電するときの過充電やバッテリーの電気を使う際の
過放電を防止しバッテリーを保護します。
値段が安いものから高いものまでいろいろあり迷いますが、今回購入したチャージコントローラーはこれ。

 

決めた要因は価格で送料込みで約2500円です!ベランダ発電を考えた時に趣味として機能的にも十分です。

通常の選び方のポイントは、
 1.使用するソーラーパネルのワット数 (最大電流値)
 2.発電効率にかかわる制御方法 (PWM制御かMPPT制御など)
 3.発電している電流値、電圧などを表示できるかどうか
ですが、今回は2と3は妥協して価格優先でこれにしました。

1については、太陽光パネルが大きくなるとチャージコントローラーの制限電流などの注意も必要ですが、50W〜100Wのパネルならほとんどのコントローラーで問題ないハズです。
ちなみに、今回のチャージコントローラーは12Vの太陽光パネルなら最大電流は12Aで150W程度のパネルまで対応できます。ちなみに、このコントローラは24Vでも使えてその場合は、300W程度のパネルまで使用できます。

3に関しては、デジタルマルチメーターで発電量(電流、電圧)を確認して、バッテリーには専用の電圧計を取り付けようと思ってます。

これを選んだもう一つの理由として藤野電力という再生可能エネルギー発電システム組立てワークショップを開催している団体が使っていたという安心感もありました。

このチャージコントローラーは、メーカーの説明などではPWM方式となってますが、海外のサイトなどをみるとPWMなどではなく、もっと単純なON/OFFの制御のようです。価格はあまり関係なく、発電効率を追及するならMPPT制御をするコントローラーを選ぶのがいいと思います。

動作としては太陽光パネルからの電気をバッテリーに充電していき13.8Vで充電をストップすることで過充電を防止します。また、電気を使っていくと10.8Vで放電を
ストップしてバッテリーを保護します。
(実際に設置するときに詳細を書きますが、実際は少し異なった動作です)

使用上、注意する点としては、
結線する時はバッテリーをつなげた後にソーラーパネルをつなぎ
外す際は、ソーラーパネルを外してからバッテリーを外す
ということです。
今回は実験の意味合いもあり、ソーラーパネル、負荷、バッテリーとの接続にスイッチを付けて
簡単に接続を切ることができるようにしました(後述)。

注文して届いたものをみると箱は上も下も開きかけていて、細かな紙くず?も入っており、
なんじゃこれ!?って感じがしましたが、2500円程度で、この機能の製品を手に入れられる
なんて、本当に安くて頭が上がりません。ゴミなんて自分で捨てます (笑)

高いものになるとMPPT制御で最大の電力を発電するように制御をしてくれたり、
発電量を表示できたり、大きな太陽電池をつなぐことができたりしますが、
自分的にはこの「なんちゃってPWM方式」チャージコントローラーで十分です。

ちなみに、バッテリーに充電されてる量は3つのLEDで確認できます。

ソーラーパネル

パネルは10W、30W、50W、100W、200Wなど色々な出力のもの、また、単結晶、多結晶、
アモルファスなど製造の違いによるもの、12V系や24V系など出力電圧の違いがあります。

一般住宅の屋根に設置する数キロワットクラスの太陽光パネルは、
200Wクラスのものを数十枚設置することが多いようです。

ベランダ設置の場合はあまり大きいと邪魔になるだろうし、日陰になるときの
発電量の低下を考えて50Wクラス、12V系のものを必要に応じて買い足していくことにしました。
自分の買った50Wのものでも5.5Kgと結構重いです。

今回買った太陽光パネルはこれです。

  50W ソーラーパネル   ソーラーパネル スペック   ソーラーパネルの裏側  

50Wのパネルでヤフーショッピングにて7,906円 (送料込み)でした。
50Wクラスではほぼ最安値のパネルでしたが、楽天で6,980円 (+送料400円?)のものがあることに後で気づきました。

ところでパネルですが、正直なところ防水シールの施工も雑でパネルの枠もキズがあったり
さすが中国製という感じですが頑丈な作りで不満はあるものの満足です。
8,000円程度という価格を考えると割安感◎で、これが8,000円で買えるなんて感謝です。
気持ち的には一軒家を建てるとしたら屋根瓦のかわりにこの太陽光パネルを敷き詰めたい
気持ちになります (笑) 安い!

スペックとしては、

Vmp : 18V (最大動作電圧)
Imp : 2.78A (最大動作電流)
Voc : 22.19V (開放電圧)
Isc : 3.00A (短絡電流)
Max system voltage : 1000V

です。

コネクターはMC4コネクターという一般的な太陽光パネルのものでした。
ケーブルを延長する時は専用のMC4コネクター付きのものが接続も楽で最大電流や防水などもあまり気にしなくてすみいいですが値段が高いです。専用のコネクターがついた
10mのケーブルがプラス側、マイナス側の2本で3,980円もします(楽天)!

  ソーラーパネル MC4コネクター   ソーラーケーブル 値段が安い ソーラーケーブル中継ケーブル15m1本両端子つき を購入して、半分に切って(7.5mをプラス/マイナスの2本にして)使用しました。2013/6/20追記  

防水性と線の太さ(最大電流)などがクリアできれば別に専用のものでなくても問題なく
50W〜100W程度のベランダ設置 (それほど風雨の影響がない)であればコネクターを
切断して屋外用のケーブルなどを使って接続してもいいですが、キャンプの際に持ち出す夢 (笑)
もあるので、コネクター接続にしたいと思います。

代用で手元にあるコネクタが使えないか接続してみたらピッタリのものがありました。

  ギボシ端子   ギボシ端子とMC4コネクター  

このコネクタならオス・メス5セットで200円以下で、電流も13A (300V)の仕様ですので、
防水さえクリアできれば安くできる可能性があります。ただ、圧着工具などをもってないと
ダメなので圧着ペンチなどを持ってない人は専用コネクター付きの物を買ったほうがいいかも
しれません。

以上を考慮して、自分の場合は、屋外での配線は専用コネクター付きのケーブルを使い、
屋内は代用のコネクターで配線することにしました。

ここで、購入したパネル裏の黒いボックスを開けてみました。

  太陽光パネル ボックス ダイオード  

ボックス内に直列接続用のバイパスダイオードが入っているので、同じ太陽光パネルを2枚
直列接続して24Vとして使う際はコネクターで簡単に接続できます。

並列接続する場合は、これとは別にダイオードをつなぐ改造をする必要があります。
実際の例は後述する予定です。

ソーラーパネルとコントローラー間やバッテリーとコントローラー間の配線ですが、
12Vという低電圧ということもあり電流値が大きくなる可能性があります。
電圧が低いので安心しがちですが、配線の太さに注意する必要があります。
配線による電力の損失もありますが、場合によっては発熱するので危険です。

電流に関して言うと100Vで100Wだとたった1Aの電流ですが、12Vだと100Wでも8A以上も
流れます。12Vで電圧が低くなる分、電流が大きくなるということを考えないといけないです。

 
50W ソーラーパネル (楽天)
 
MC4コネクター
 
MC4コネクターと接続できるコネクター (楽天)
 

バッテリー

●種類
太陽光発電では鉛蓄電池を使う場合が多いです。鉛蓄電池は自動車などのように
ほぼ充電された状態で使用すれば問題ないですが(メモリー効果もない)、
空になるまで放電を繰り返すとバッテリーが痛み(サルフェーションによる
電極劣化)、バッテリーの寿命を短くします。
この放電時の問題を軽減したものがディープサイクルバッテリーといわれるもので、
太陽光発電でもよく使われます。確かに昼間日光が強いときは充電されますが、曇ったり
さらに夜間など暗くなると放電が多くなり場合によってはぎりぎりまで
バッテリーを使うことがあり鉛蓄電池にとっては過酷です。

また、今回のベランダ発電では部屋の中にバッテリーを設置しようと考えているので、
水素などが発生しないシールドタイプのものを使うことにします。シールドタイプなら
電解液の管理などもしなくていいので楽です。

●容量
バッテリーの容量としては、理想的には前日に余った電気とその日に発電する電力
を蓄えたいですが、100Wh程度(12Wの電球を8時間程度)蓄えられたらいいと判断すると、
8.3A (100Wh / 12V)ですが、過放電を避けてバッテリーを60%程度までしか使わないと
すると8.3A x 100/60 ⇒ 最低でも14Ah、できれば倍の28Ah程度のバッテリー容量がほしいです。
また、バッテリーの容量は20時間率で表すのが普通のようですので実際はさらに
少ない容量となります。

実際のところベランダだと日光的に悪条件でどの程度発電できるか疑問ですので、
第1段階として、どんな容量でもいいから発電してみるということで

今回選んだのはLONGの20Aのシールドバッテリーです。

 
シールドバッテリー (楽天)
 

小型のバッテリーですが、6.5Kgもあります。

これを選んだのは第1に、過去にラジコンのエンジン始動用に使っていたことがあって
耐久性的にも悪くなかったこと、第2に、実際に太陽光発電で使っている人が結構いること、
第3に、値段的にとても安かったことです。この20Aのもので評価をしてから、
バッテリーを必要な数だけ並列接続して使おうという考えです。
(バッテリー接続の場合十分な注意が必要。同じ容量、同じ特性のバッテリーをつなぐなど)

このバッテリーの用途は多目的で「繰り返し充放電の耐久性に優れ、
キャンピングカー、船舶、非常用電源など」となっています。
エンジン始動などの瞬間的に大きな電流を流す用途には向かないバッテリーの
ようですが、ディープサイクルバッテリーのように少量の電流を長時間
使う用途には向いているバッテリーのようです。

ちなみに、時間率毎の容量は以下のとおりで
20時間率 → 20Ah
10時間率 → 19Ah
5時間率 → 17Ah
約10.5Vまで放電したときの容量です。

このバッテリーの放電特性(メーカー公表)は以下のとおりとなってます。
1Aの負荷をつなげたときの満充電時の電圧は約12.9Vで、約半分の10時間(10Ah)の消費で電圧が約12.25Vまで低下しています。

  バッテリー LONG WP20の放電特性  

シールドバッテリーの残容量の目安として
自分で使っている電圧と残容量の目安を表にしてみます。
電圧は開放電圧なので充電中や放電中の値とは異なります。

  バッテリー残容量と電圧  

放電する際に、青の領域で使う分にはバッテリーへの負担も少なくバッテリーが
長持ちします。黄色、赤色へとバッテリーの負担が重くなります。
ちなみに、このバッテリーの容量である20Aは10.5Vまで放電したときの容量ですので、
0%よりさらに放電した場合の容量となります。

また、ついでに充電・放電する際のチャージコントローラーの動作で最大13.8Vの
電圧でフローティング充電となり(最大電圧)、10.8Vで放電をストップする(最小電圧)という
動作をコントローラー側の電圧でわかりやすくするために、表にしてみました。
こちらも単なる目安で実際のバッテリーの充電量ではないので参考程度にお願いします。

  充電電圧  

実際、13.8Vになったら満充電というわけではありません。
最近、この13.8Vでフローティング充電に入る動作に疑問をもってます。
というのも、フローティング充電に入ると満充電でもないのに、発電した電気を捨ててしまってるなんてもったいないです。
どうにかならないかを検討中です。

部屋の中に太陽光パネルを設置

以上、太陽光発電3点セットの太陽光パネル、バッテリー、チャージコントローラーが揃いました。
最小セットで

ソーラーパネル50W 7,906円 (送料無料)
バッテリー 2,980円+(送料 700円)
チャージコントローラー 2,499円 (送料無料)
合計で14,085円となります。

この他、意外に高いのがケーブルやソーラーパネルを固定するための
フレーム、インバーターなどです。これらに関しても説明を追加していく予定ですが、
取り合えず3点揃い発電できるので、ベランダ設置ではなく部屋の中に設置して発電してみます。

●配線
今のところ太陽光パネルとチャージコントローラー間は部屋の中での発電ということもあり
1〜2A程度と思われますので、取り合えず家庭用の100Vで使用するコードを使いました。
チャージコントローラーとバッテリー間も最初は同様のコードを使ったのですが、
コードを長くしたこともあり意外と電圧降下が大きかったので家にあったVVFケーブル2.0
を使いました。このVVFケーブルは屋内配線用のもので許容電流35Aという大電流でも対応できるものです。
(実際、効果はバツグンで電圧降下はかなり減りました)

チャージコントローラーの端子とそれぞれの配線先を写真に記載しました。

  ET-PWM12A 配線  

今回は実験的な意味合いもあり、それぞれの経路にスイッチを付けて
簡単に配線を切断できるようにしました。
(やっと趣味でとった電気工事士の実技試験のときのスイッチ類が役立ちました (笑))
下の写真では負荷の端子にシガーソケットを付けてます。

  チャージコントローラー 太陽光パネル バッテリー 配線  

これにより、バッテリーの解放電圧を簡単に測れたり、太陽光パネルで発電する電流値を
測ったりできるようにしました。以前、書いたように太陽光パネルをつなぐ時はバッテリーを
つないだ後に太陽光パネルをつなぎ、外す時は太陽光パネルを外してからバッテリーを外すので、
スイッチを入れるときもバッテリーのスイッチを入れてから太陽光パネルのスイッチを入れ、切るときは
太陽光パネルのスイッチを切ってからバッテリーのスイッチを切ります。
写真中にある緑のLED表示の12.3Vはバッテリーにつけられたデジタル電圧計です。電圧計表示は
充電の状態と放電の状態が正確にわかるのでつけておくと便利です。
シガーソケットに差し込むような自動車用のものが手軽ですが、自分の場合はバッテリーに
直接接続しました。

準備完了です。
バッテリーをつなぐための真ん中のスイッチを入れると緑色のLOADを示すLEDと充電量を
示す赤い2つのLEDが点灯しました。
新品のバッテリーですが、ある程度充電されているのでLEDが2つです。
この状態で一番上のソーラーパネルを接続するスイッチをONにします。
充電中を示すChargeのLEDが点灯しました。

そして、この状態から太陽光パネルで発電するとしばらくすると赤いLEDが3つ点灯します。

最初ということもあり、どんどん発電する様子がわかり感動です。さらに
しばらく発電を続けると3つ目の赤のLEDとChargeという充電中を示すLEDが両方
点滅をします。これは、フローティング充電に入った状態でチャージコントローラー側の
バッテリーの電圧が13.8V近くになったことを示します。
バッテリー容量が小さいこともあり満充電状態になりさらに感動です。

最初は適当な角度に太陽光パネルを設置しますが、余裕が出てきたら太陽光パネルと
チャージコントローラーの間に電流計をはさんで電流値を測ります。
角度を変えると電流値が変わっていくので一番大きな電流を発電する角度にして
パネルを固定します。
設置する場所(緯度・経度)や季節(春・夏・秋・冬)で最適なパネル角度が結構変わるのでベランダ発電所では1ヶ月に1回はパネル角度を調節したいものです。

ベランダにソーラーパネルを設置

現在、太陽光パネル50Wのもの2枚とバッテリー20Aのもの3個で発電しています。

太陽光パネルをベランダに設置しなきゃと思いつつ、部屋の中(窓際)に設置しても
そこそこ発電できていたのでしばらくの間、部屋の中で発電していました。

マンションの良い所として夏涼しくて、冬暖かいというのがあります。
これは、断熱性が高いこともありますが、冬は太陽の高さが低くて部屋の奥まで太陽光が入ってきて部屋が暖まり、夏になると太陽の高度が高くなって上階のベランダで太陽光がさえぎられて直射日光が部屋の中までは入ってこないというのも要因です。
今まではあまり意識してなかったのですが、部屋の中に太陽光パネルを設置すると意識せざるを得なくなります。
そうなんです。夏に暑くなるにつれ毎日天気なのにほとんど発電できなくなりました。
そこで、重い腰を上げてやっと太陽光パネルをベランダに設置しました。

ベランダに設置するにはやはり、換気口の穴、あるいはエアコンのダクトを利用して配線することになります。
雨や風、また、配線長などを考えると費用は高くなりますが、太陽光発電専用の電線を使うのが簡単でもあり、安心・安全です。

今回は、MC4コネクタのついた30A容量の電線を使ってエアコンのダクトを利用して配線しました。
太陽光パネルが2枚での並列接続なので、太陽光パネルにあるボックス内にショットキーダイオードを追加し、並列接続用に売られている「Y字型コネクタ」にてパネルを接続しました。

ショットキーダイオードの追加

  ソーラーパネル オリジナル
ソーラーパネルのボックス内 直列接続用のダイオードのみ (オリジナル)
  ソーラーパネル ダイオード追加
ソーラーパネルのボックス内 並列接続用のダイオードを追加
 

Y字コネクタで50Wのパネル2枚を並列接続

この項目、あとでもう少し追記したいです。

ベランダ発電で注意すること

一般的にベランダはマンションの共有部分で、避難経路になることも多いです。
大きなパネルの設置はマンション規約に違反もしくは抵触することも考えられるので注意が必用です。

1日に発電する電力量

ベランダの地面に置くだけの状態での発電する電力は、
昼すぎに太陽がパネル全面にあたる状態で70Wを超える程度で、1日の発電量としては晴れた日で200Wh〜240Wh程度です。
→別記事にグラフ表示してみました。
http://myboom.mkch.net/modules/pukiw­iki/181.html

ソーラーパネルの日陰による発電電力の低下

Raspberry Pi + INA226で発電する電力を簡単に測れるようになったので、日陰の影響を調べてみました。

以下の写真の状態は晴れで太陽の日差しもそこそこだというのに
50W+50Wのパネルで5W以下しか電気を発電できませんでした!

  ソーラーパネル 日陰  

この日の天気でパネル全体に太陽があたれば70W以上は出力するはずなので
パネルの半分が日陰であれば35W程度は発電してほしいのですが、
5Wも発電してくれません。
パネルの一部が日陰になるとパネルの出力が激減するのがよくわかります。

ベランダでのソーラー発電では、手すり、上階のベランダ、隣との仕切りなど陰になることが多いです。
対策としては、大きいパネルを1枚より小型のパネルを複数設置する方がいいと思います。
複数枚設置することで、1枚の一部分の発電量が落ちても他のパネルには影響を与えません。

発火など太陽光発電での危険を考える

「何でもDIY超危険!ソーラーシステム失敗例」として
楽宅.comさんが太陽光発電で鉛蓄電池が発火元と思われる事故を記事がありました。
この記事では、充電中の熱が原因で放熱が不完全だったのではないかと書かれてます。
これは、バッテリーの劣化が原因で熱によってプラスとマイナスがショートすることによる発火とも考えられます。
リチュームイオン電池などに比べれば鉛蓄電池は安全と言われていますが、やはり、
蓄電する電力量も大きいので発火の危険性などを常に考えるべきだとあらためて思います。

事故に関しては細心の注意を払うべきですが、家にだれもいないときは
発電のスイッチをOFFにするなどの対策も考えるべきかもしれません。

つづく

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