どのようにして太陽光発電所の容量比率を合理的に設計するか

世界中で再生可能エネルギーへの需要が増加するにつれ、太陽光発電技術は急速に発展してきました。太陽光発電技術の主要な担い手として、太陽光発電所の設計の合理性は、発電効率、運転の安定性、および経済的利益に直接的な影響を与えます。その中で、容量比率は太陽光発電所の設計における重要なパラメータの一つであり、発電所の全体的な性能に大きな影響を与えます。本論文の目的は、太陽光発電所の容量比率を合理的に設計することにより、発電効率と経済性を向上させる方法について議論することです。

01 太陽光発電所の容量比率の概要
太陽光発電所の容量比率とは、設置された太陽光パネルの容量とインバータ装置の容量の比率を指します。
太陽光発電は不安定であり、環境に大きく影響されるため、単に設置された太陽光モジュールの容量に基づいて1:1で構成すると、太陽光インバータの容量が無駄になることがあります。そのため、太陽光システムの安定した運転を前提として発電効率を向上させるために、最適な容量比率設計は1:1を超えるべきです。合理的な容量比率設計は、電力出力を最大化するだけでなく、異なる照度条件に対応し、一部のシステム損失にも対処できます。

02 容量比率の主な影響要因
合理的な容量比の設計は、具体的なプロジェクト状況に応じて包括的に考慮する必要があります。容量比に影響を与える要因には、コンポーネントの減衰、システム損失、放射量、コンポーネントの設置角度などがあります。具体的な分析は以下の通りです。

1. コンポーネントの減衰
通常の老化による減衰の場合、現在のコンポーネントの初年度の減衰率は約1%で、2年目以降のコンポーネントの減衰は線形変化を示し、30年間の減衰率は約13%です。つまり、コンポーネントの年間発電量は減少しており、定格出力を継続的に維持することはできません。したがって、太陽光発電の容量比の設計では、発電所の全寿命期間におけるコンポーネントの減衰を考慮する必要があります。これにより、適合するコンポーネントの発電量を最大化し、システム効率を向上させることができます。

太陽光パネルの30年間の線形出力減衰カーブ

2. システム損失
太陽光発電システムでは、フォトボルタイクモジュールとインバータ出力の間で様々な損失が発生します。これはモジュールの直列・並列接続やブロックの埃による損失、DCケーブル損失、フォトボルタイクインバータ損失などであり、各リンクの損失は太陽光発電プラントのインバータの実際の出力電力を影響します。

PVsyst PV発電所シミュレーションレポート

図に示すように、プロジェクトの実際の構成と遮蔽損失は、プロジェクト適用においてPVsystによってシミュレーションすることができます。通常、太陽光発電システムのDC損失は約7〜12%、インバータ損失は約1〜2%で、総損失は約8〜13%です。したがって、太陽光パネルの設置容量と実際の発電データには損失による差異があります。コンポーネントの設置容量を太陽光発電用インバータの1:1容量比に基づいて選択すると、インバータの実際の最大出力容量はインバータの定格容量の約90%となり、光条件が最良の場合でもインバータはフル負荷になりません。これにより、インバータやシステムの利用率が低下します。

3. 照射量は異なる地域で変動します
この部品は、STC動作条件の下でのみ定格出力に達します（STC動作条件：光強度が1000W/m²、電池温度が25°C、大気質が1.5）。もし動作条件がSTC条件に達しない場合、太陽光発電モジュールの出力は必ずその定格出力より低くなります。また、一日内の光資源の時間分布はすべてSTC条件を満たすわけではなく、主な理由は早朝、昼間、夕方の放射量と温度の差が大きいことです。同時に、異なる地域での放射量と環境は、太陽光発電モジュールの発電に異なる影響を与えます。そのため、プロジェクトの初期段階では、具体的な地域に基づいて現地の光資源データを理解し、データ計算を行う必要があります。

国立気象局の風力および太陽光評価センターの分類基準によれば、異なる地域における具体的な放射量データを知ることができ、年間総太陽放射量は4つのグレードに分けられています：

年間総太陽放射量の分類

したがって、同じ資源地域でも、年間を通じて放射量には大きな差があります。これは、発電量における同じシステム構成、つまり同じ容量比であっても、発電量が同じではないことを意味します。同じ発電量を達成するためには、容積比を変更することで実現できます。

4. モジュール設置角度
ユーザー側の太陽光発電所では、同じプロジェクト内に異なる屋根タイプがあり、異なる屋根タイプに応じてモジュールの設計角度が異なり、それに伴い対応するモジュールが受ける日射量も異なります。例えば、浙江省のある産業・商業プロジェクトでは、カラースチールタイル屋根とコンクリート屋根があり、それぞれの設計傾斜角度は3°と18°です。異なる傾斜角度に対するPVによる傾斜面の日射量シミュレーションデータは次の図に示されています。これを見ると、異なる角度で設置されたモジュールが受ける日射量が異なることがわかります。もし分散型屋根が主に瓦で構成されている場合、一定の傾斜角を持つものよりも、同じ容量のモジュールの出力エネルギーは低くなります。

3°傾斜角総放射量

18°傾斜角総放射量

03 容量比設計アイデア
上記の分析によれば、容量比の設計は主にインバータのDC接入容量を調整することで発電所の全体的な利益を向上させるためです。現在、容量比の設定方法は主に補償過剰マッチングと能動的過剰マッチングに分けられます。

1. 補償過剰マッチング
補償過剰マッチングとは、光量が最も良いときにインバータが満載出力に達するように容積比を調整することです。この方法は部分的な損失のみを考慮し、コンポーネントの容量を増やすことで（下図参照）、伝送過程でのエネルギーシステムの損失を補い、実際の使用においてインバータが満載出力を達成し、ピークカットの損失がないようにします。

補償過剰マッチング図

2. 能動的過剰マッチング
アクティブ・オーバーマッチングとは、補償オーバーマッチングの基礎の上にさらにフォトボルトモジュールの容量を増やし続けることです（下図参照）。この方法はシステム損失だけでなく、投資コストや収益などの要因も総合的に考慮します。目標は、インバータのフル稼働時間を積極的に延ばすことで、コンポーネントの追加投入コストとシステム発電収入の間のバランスを見つけ、システムの平均電力コスト（LCOE）を最小限にすることです。日照条件が悪い場合でも、インバータは満載で動作し、これによりフル稼働時間が延長されます。しかし、システムの実際の発電曲線には、下図のように「ピークカット」現象が現れ、一部の時間帯では制限付き発電状態になります。しかし、適切な容量比であれば、全体としてシステムのLCOEが最も低くなり、つまり利益が増加します。

アクティブ・オーバーマッチング図

以下の図に示すように、容量比率の増加に伴いLCOEは引き続き低下します。補償超過比率ポイントでは、システムのLCOEは最小値に達しません。容量比率をさらに増やし、能動超過比率ポイントに到達すると、システムのLCOEが最小値に達し、その後容量比率をさらに増やすとLCOEは上昇します。したがって、能動超過マッチングポイントがシステムの最適な容量比率です。

LOCE/容量比率図

インバータの場合、システムの最小LCOEを達成するには、十分なDC側の過剰割り当て能力が必要です。特に異なる地域、特に日射条件の悪い地域では、より高い能動的な過剰割り当て方案が必要で、これによりインバータの定格出力時間を延長し、システムのLCOEを最大限に削減できます。

04 結論と提案
要するに、補償過剰割り当てとアクティブ過剰割り当てスキームは、光ovoltaicシステムの効率を向上させるための有効な手段ですが、それぞれ異なる重点があります。補償過剰マッチングは主にシステム損失の補償に焦点を当てており、アクティブ過剰マッチングは入力増加と収益改善のバランスを見つけることにより注目しています。したがって、実際のプロジェクトでは、プロジェクトの要件に基づいて適切な容量比率構成スキームを包括的に選択することをお勧めします。