ソーラーチャージコントローラーはどのように機能しますか?さまざまな種類とは何ですか?

太陽光発電システムは、太陽エネルギーを利用して使用可能な電力に変換する、環境に優しくコスト効率の高い方法を提供します。自宅用のソーラーパネルを検討している場合でも、遠隔地のオフグリッド設置を検討している場合でも、ソーラーチャージコントローラーはシステムの効率と寿命を確保する上で重要な役割を果たします。この記事では、太陽光充電コントローラーの仕組みと、太陽光発電プロジェクトに関する情報に基づいた意思決定に役立つさまざまな種類について説明します。

ソーラーチャージコントローラーはどのように機能しますか?

図 1 に示す最初のソーラー充電コントローラーの回路図は、直流 (DC) 負荷に電力を供給するソーラー充電コントローラーの接続を示しています。図 2 に示す 2 番目の回路図は、交流 (AC) 負荷に関するものです。

図 1: DC 負荷を備えたオフグリッド図

ソーラーチャージコントローラーを設置するときは、特定の順序で接続および切断することをお勧めします。

最初にバッテリーをコントローラーに接続します。
PV アレイをコントローラーに接続します。
電気負荷をコントローラーに接続します。

切断する場合は、この順序を逆にしてください。バッテリーはコントローラーに電力を供給するため、バッテリーをコントローラーに接続またはコントローラーから取り外す前に、必ずソーラーパネルと負荷が切断されていることを確認してください。安全性を高め、設置と故障を簡素化するために、バッテリー、負荷、PV アレイ、コントローラー間の接続に切断スイッチを設けることをお勧めします。

DC 負荷の配線図では、太陽光がソーラーモジュールに到達し、太陽エネルギーが DC 電力に変換されます。この電力は充電コントローラーに供給されます。充電コントローラーは負荷に供給されるアンペア数と電圧を調整し、過剰な電力はバッテリーシステムに送られ、過充電することなく充電状態を維持します。太陽光がない夕方には、バッテリ電力を使用して負荷を動作させます。

バッテリーがバッテリーのマイナス端子で接地されていることに気づくかもしれません。これは、すべての PWM および MPPT コントローラーが共通の負のアースを共有しているためです。したがって、太陽電池アレイ、コントローラー、バッテリー、負荷を含むシステム全体に共通のマイナスアースを確立することができます。この構成は、接地に関する NEC コード要件に準拠しています。機器のアース端子ラグがないコントローラの場合は、金属部品のコントローラエンクロージャに機器のアースを直接接続できます。

図 2: AC 負荷を備えたオフグリッド図

図 2 に示す次の図は、AC 負荷に電力を供給するために必要なコンポーネントと接続を示しています。 AC 負荷を備えたこの回路図は、前の DC 負荷の例とよく似ています。ただし、このシナリオでは、システムにインバーターが追加されています。インバータの役割は、バッテリからの DC 電力を AC 電力に変換し、回路図に示されている TV などの AC 負荷の動作に利用できるようにすることです。

DC 負荷の例のように、インバータはコントローラの負荷端子からではなく、バッテリから直接接続され、電力が供給されることに注意することが重要です。インバータは起動中に高エネルギーのサージを生成する可能性があり、このサージが充電コントローラの定格容量を超える可能性があるため、この配置が必要です。一方、バッテリーは高エネルギーサージ要件を満たすことができます。

チャージコントローラーの種類：PWM vs MPPT

以下のグラフから、PWM コントローラーはバッテリー電圧で動作し、小型であることがわかります。MPPTコントローラー新しい技術を使用して最大電源電圧で動作します。その結果、寒い状況ではアレイ電圧がバッテリー電圧よりも高くなり、生成される電力量が最大化されます。さらに、MPPT コントローラーはより高い電圧とより低いアレイ電流で動作できるため、並列ストリングの数が減り、ワイヤサイズが小さくなる可能性があります。

PWM コントローラーはバッテリー電圧に一致するアレイでのみ使用できるため、使用できるモジュールが制限されます。多くの 60 セルモジュールの最大電源電圧 (Vmp) は約 30V であるため、MPPT コントローラには適していますが、PWM コントローラには適していません。

要するに、PWM と MPPT のどちらが優れているのでしょうか?すべての条件が同じであれば、MPPT はより多くのエネルギーを収集する新しいテクノロジーです。 MPPT には利点がありますが、特に小規模なシステムや MPPT ブーストがあまり目立たない温暖な気候では、PWM コントローラーを選択することが必ずしも賢明な選択であるとは限りません。

PWM と MPPT ソーラーチャージコントローラーの比較

PWMコントローラー	MPPT コントローラー
アレイ電圧はバッテリー電圧に「プルダウン」されます	過剰な入力電圧をアンペア数に変換
通常は Vmp 未満で動作します	Vmpで動作
小型モジュール構成に最適	ワットあたりのコストが低い大規模なモジュール構成に適しています
多くの場合、それほど MPPT ブーストが得られない非常に暑い気候に選択されます。	特に寒い日やバッテリー電圧が低いときに、PWM よりも多くのブーストを提供します

PWM充電

従来のソーラーレギュレータは、ソーラーアレイからバッテリーバンクへの直接接続を作成することにより、PWM（パルス幅変調）充電機能を備えていました。一括充電フェーズ中に、アレイからバッテリーバンクへの接続が中断されない場合、アレイの出力電圧はバッテリー電圧と一致します。バッテリー電圧は、アレイの電流供給とバッテリーのサイズと特性に基づいてわずかに調整されます。

MPPT充電

Morningstar MPPT コントローラーには、太陽電池アレイの Vmp (最大電力電圧) を迅速かつ正確に決定するように設計された TrakStar テクノロジーが組み込まれています。 TrakStar MPPT コントローラーは、太陽光入力を「スイープ」して、アレイが最大電力を生成する電圧を特定する技術を採用しています。コントローラーは、この Vmp 電圧でアレイから電力を取得し、それをバッテリー電圧に変換し、同時に充電電流を増加させます。

MPPT ではなく PWM を選択する理由

PWM と MPPT を比較すると、なぜ PWM を選択するのかという疑問が生じるかもしれません。PWMコントローラーMPPT コントローラーを介して。いくつかの要因により、MPPT コントローラーによってもたらされる利点が減少または無効になる可能性があります。 MPPT コントローラーは通常、PWM コントローラーよりも価格が高いため、コストを考慮する必要があります。コントローラーを決定するときは、次の要素に関連して MPPT の追加コストを評価することが重要です。

低電力アプリケーション:低電力、特に低電流充電アプリケーションでは、PWM コントローラーを使用して同様の、またはさらに優れたエネルギーハーベストを実現できる可能性があります。 PWM コントローラーは、システムのサイズに関係なく、比較的一貫した収集効率を維持します。対照的に、MPPT レギュレータは、低電力アプリケーションで使用すると、収穫効率が低下する可能性があります。レギュレータを選択する際には、Morningstar MPPT コントローラのマニュアルに記載されている効率曲線を確認することが重要です。

気候に関する考慮事項:MPPT レギュレータの最も重要な利点は、Vmp (最大電力時の電圧) が高くなる寒冷気候でよく観察されます。逆に、暑い気候では Vmp が低下し、PWM と比較して MPPT の収穫量が減少します。設置場所の平均周囲温度が高いと、MPPT の利点が経済性を損なう可能性があります。

バッテリーがフルの状態:太陽電池アレイの出力がシステム負荷の消費電力を大幅に超えるシステムでは、ほとんどの場合、バッテリがフル充電またはフル充電に近い状態になる可能性があります。このような場合、特に自律性が重要な要素ではない場合、MPPT レギュレータの収集能力の向上は不要になる可能性があります。

PWM ではなく MPPT を選択する理由

MPPT コントローラーを選択すると、次のようないくつかの利点があります。

エネルギーハーベストの増加:MPPT コントローラーはバッテリー電圧を超えるアレイ電圧で動作し、気候条件に応じて PWM コントローラーと比較して太陽電池アレイからのエネルギーハーベスティングを 5 ～ 30% 強化します。アレイの電圧とアンペア数は、電力出力を最大化するために 1 日を通して継続的に調整されます。

モジュールの制限が少なくなります:バッテリー電圧よりも高い電圧でアレイを動作させる MPPT コントローラーは、より広範囲の太陽電池モジュールおよびアレイ構成で使用できます。また、より小さいワイヤサイズのシステムもサポートできます。

特大の配列のサポート:PWM コントローラーとは異なり、MPPT コントローラーは、充電コントローラーの最大電力制限を超える可能性がある特大のアレイに対応できます。コントローラーは、太陽エネルギーの供給が多い時間帯 (通常は日中) にアレイの電流取り込みを制限することでこれを管理します。この時間帯はアレイからの過剰なエネルギーが調整されますが、特大のアレイは、特大ではない小型のアレイと比較して、1 日の前半と後半により多くの電力を供給できます。

ソーラーチャージコントローラー: どのように機能するのですか?さまざまな種類とは何ですか?