■太陽光発電設計の実際

• モジュール配列と投影図の考え方
  　
• 屋根材とアレイの取り合い
  　
• 架台の詳細設計
  
  
• 低圧系統連系の連系点（主として住宅）
  
  
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施主様と一緒にどのような外観で何枚の太陽電池をどのようなシステムとして設置するのか検討します。
設置する屋根の方位は多くの場合南向きがベストですが、そうでもない場合もあります。
周囲の日陰の状況と屋根の勾配によって再考する事項は多数に及びます。
たとえば、日本では垂直に近い南向き屋根より勾配の緩い東西の屋根の方が多くの発電量が期待できますし、状況の見極めが要となります。

• 屋根に積載できる太陽電池枚数を計数します。
  太陽電池モジュールはほとんどの場合それぞれ同じ直列数で構成しますので、モジュールの枚数は一回路あたりの枚数×回路数となります。この例では９直列１０回路となっています。
  しかし直列数がこれと異なる場合は全体数量が違ってきますので、再度再再度と配列検討を練り直す必要があります。
  
• ところで、配列を検討する際に難儀なことに、屋根の実面積や寸法はどんな図面にも記載されていないのが通例です。
  新築の場合実測によることができませんので、立面図または屋根伏図から勾配投影図への変換後に架台の詳細設計をするか、出来合いの架台を立面図または屋根伏図に変換して配置検討する必要があります。つまり棟と同じ方向は同じ長さでものを考えればよいのですが、流れ方向は、図面の種類によって勾配伸び率や縮率を掛けて実寸法を割り出す必要があるということです。丁寧に三角関数を用いる必要があります。
  したがって、既築建築物の場合はできるかぎり実測をするべきでしょう。
  たとえば、図面上では屋根いっぱいの太陽電池が積載できるとしても実際には鬼瓦やアンテナ、雪止めなどが有効スペースを減らしている場合があるからです。
  この図の場合正確に雪止めが記入されていました（ピンク色の線）ので、雪止めとの取り合いを検討しました。
  結果、太陽電池アレイ全体が棟にも雪止めにもかからずに収まることがわかりました。
  
• 笑止なお話ですが、一部の業者さんで、こうした注意が不足していたために用意した太陽電池が屋根に載りきらないという事故が多数あります。

存外おろそかにされがちなのですが、太陽電池モジュール（汎用品結晶系モジュール）はそれ自体、切り貼りができないのでモジュールの寸法から屋根側材料の寸法を順順に検討する必要があります。具体的には

• 太陽電池側にある取り付け穴や太陽電池固定用フレームのピッチと積載屋根面の材料ピッチを算出します。
  つまり、太陽電池も屋根材も切ったり貼ったりしないという前提で、両方の材料が要求する寸法をまとめるわけです。
  
• 屋根側には架台を固定する金具が付きますので、屋根材ピッチの倍数倍ピッチでかつ構造上問題のないピッチで金具を配列します。
  この時点で構造計算を行う必要があります。
  
• 最期に金具と太陽電池モジュールとの仲立ちをする格好で架台を設計します。
  この際、金具ピッチとモジュールピッチは整数倍の関係ではないのが通例ですので、架台に必要な長穴やスライド式の締結具をを作って寸法上の融通を利かせます
  架台の部材種類が多いと資材管理も大変ですし、工事の際に屋根の上で部材選定に右往左往するハメになります。
  したがって、最低種類の部材で架台ができあがるように工夫をこらすことが必要になります。
  たとえば、同じ長さの複数種部材は、ボルト締結に必要な穴位置を共通に穿孔することで同一部材として使えるようにするなどです。
  作業する場所が危険な屋根ということを忘れてはなりません。

アレイと屋根材の取り合いを考える上で構造について触れましたが、ここでは構造への注意をお話します。
上の図は架台の構造上の設計です。まず、屋根の葺足（鉄板の流れ方向の幅）が240となっていますので、少なくとも金具は240の倍数ピッチにしか配置できません。
しかし金具の数ばかり増やすのでは意味のないオーバークオリティーになりますので、強度上の最低限度の位置を算出します。ここでは、縦材の片持ち梁としての強度と両端指示梁としての強度を満たす位置をみつけています。
下の図は縦材の種類を増やさないために長穴を作っているところです。こうすることで、部材種類を抑えることができます。
架台材料はほとんどの場合、溶融亜鉛メッキの鉄かアルミですので、防錆の観点からも現地加工は避けなければなりません。
また、屋根の鉄板も寸分違わずに葺けているとは限りません。
したがってこうした工夫が必要になるのです。

特に国との共同研究事業は構造計算と建築基準法適合が大変です。
千枚を超える書類と工程会議に数ヶ月を要し、管理人自身はCAD+表計算漬けでした。

系統にパワーコンディショナ出力をつなぐと言っても、はじめての電気屋さんはとまどいます。
「一体どこに？」そう尋ねられることありますので、その種類と目的をここにお話することとします。

• ＳＢ一次側への連系（Ａ点連系）
  これはＷＨＭ〜ＳＢ間に連系点を設ける場合です。
  
  
• ＥＬＢ一次側への連系（Ｂ点連系）
  これはＳＢ〜ＥＬＢ間に連系点を設ける場合です。
  
  
• ＥＬＢ二次側への連系（Ｃ点連系）
  ＥＬＢ二次側、つまり分電盤二次送り側に連系点を設ける場合です。
  
  
• この他ブレーカ選定についてご質問がありましたのでこの他に３Ｐ３Ｅの要否について電力会社の資料を示します。
  中部電力の配布資料（別ウィンドウで開きます。）この技術要件は全電力会社共通と言って良さそうです。
  
  

このように文章化するとわかりにくいので図示します。

インバータの出力をどこにつないでも、電力会社の技術用件こそ問題になるものの、一見、発電設備の所有者には関係がないように見えます。
ところが、接続点の選択で電灯契約者（発電設備所有者）の電灯契約容量、工事作業上の美観、電気工事の費用（手間と仕入れ）という三点の違いが出てきます。ここでは、それぞれの特徴についてお話します。
順序は新築住宅にもっとも多いと見られるＣ点方式からお話しましょう。

新築に太陽光発電システムを設置する場合にもっとも多いと見られるのがこの方式です。
Ｃ点に連系する場合、Ｃ点よりも系統側にある電路が逆潮流に対応している必要があります。
まずは分電盤の主幹ＥＬＢが逆接続可能型で無ければなりません。通常の主幹ＥＬＢを使用するとトリップの際、パワーコンディショナ出力がＥＬＢ二次側を電圧印加するため、引きはずしコイルを焼損させる危険があります。したがって主幹ＥＬＢは必ず逆接続可能型を使用します。
ＳＢについてはそのままで問題ありませんが、必ず太陽光の定格出力よりも高容量である必要があります。
太陽光発電専用分電盤と呼ばれる電材メーカー品はこの方式を前提として作られています。
メリットとしては室内機器がパワーコンディショナと専用分電盤の二つで済むことでしょう。
シンプルに設置することができます。これが外観のメリットです。
（専用分電盤では下図の「連系ＥＬＢ」が分電盤の中に入ります。）
一方、デメリットとしてはこの盤の値段が高いことです。それは逆接続可能な主幹ＥＬＢが高価であることと、流通量が通常の分電盤にくらべてはるかに少ないためです。
またＳＢ（契約ブレーカー）の制限を受けますので宅内消費が少ない需要家には不向きです。
なぜなら、ＳＢ容量を太陽光のためだけに大きくすることで電灯契約の基本料金を不必要にアップさせることになるからです。
宅内消費で本来必要とする電灯契約容量＜太陽光系統連系システム定格容量＝基本料金が損？
ほかに当該場所に連系接続する場合は、子ブレーカーを接続する銅バーの電流容量への注意が必要です。新築当初は良くても後で困ることがあります。太陽光を増設する場合に容量を超えてしまうことがあるのです。
また、この方式によると太陽光増設時には高価な主幹ELBの交換が必要になる場合があります。
後日の、オール電化への移行でも不利です。
もうひとつ、最後に、この方式の決定的な問題点を述べますと、太陽光側と負荷への需要側とで故障点の切り分けが出来ないという点です。今後、分散型電源が増えてくるに従い、顧客の負担額は問題になるでしょう。

総じて、この手の分電盤、接続方式を使用した設計と施工は分電盤メーカーを儲けさせるだけ、盤周辺がすっきりする他、メリットは寡少。決して良いものではありません。
筆者の見解としては、やむを得ない場合を除き、顧客利益の保護のためにも回避すべき方式です。

2. Ｂ点連系

既築住宅に太陽光発電を導入する際に決まって問題になるのが電気工事の価格です。
太陽光に限らず住宅の電気工事は作業条件と既存設備の内容により大きく手間が異なりますので致し方ない部分もあるでしょう。
しかし、太陽光に限って見ると、費用の割合が配線工事の手間よりも専用分電盤の価格に負うところが大きいものです。
施主様の負担のことばかりではなく、今使うことのできる分電盤を何故交換しなければならないのか。
と、当然の疑問が湧いてきます。
そうです。実は専用品を使わずとも連系する方法があるのです。
既築住宅にもっとも好んで用いられる連系方式がこれです。
Ｂ点に連系すると、まず、主幹ＥＬＢの制限を受けません。つまり、逆接続可能型のＥＬＢを新たに用意する必要がないのです。
もちろん、Ｃ点と同様、ＳＢによる契約電流の制限は、受けることになります。

この場合は無論、連系専用の（太陽光の）ＥＬＢが分電盤の外に付きます。つまりパワーコンディショナの他にもうひとつ室内機器が増えます。
それはややうっとうしく感じられるかもしれませんが、最近はＥＬＢのケースに良いものがあります。
これは上品なプラスチック製のケースで出来ていて、その外側のハンドル操作でＯＮ、ＯＦＦをすることができます。Ｃ点に比べての難点と言えば、このブレーカー設置場所を検討する必要があることくらいでしょう。
私個人としては、通常、この設置方法をおすすめしています。
もちろん、電気温水器やエアコンで分電盤周辺がブレーカーだらけになってごちゃごちゃした状況であれば美観と電気保安のためにも分電盤交換をおすすめしていますが。。。

これはＳＢとＷＨＭ間に連系点を設ける方法で、契約電流と関係なく太陽光発電システムの定格出力が生かせる利点があります。
Ｂ点やＣ点に接続点を設けた場合、逆潮流する電力がＳＢ容量を越えるとＳＢがトリップします。これを防止するため、通常は太陽光発電システム定格電流以上のＳＢを設けることとなります。つまり、電灯契約容量の増量です。これによる月々の基本料金の負担分は電力会社によって異なりますが10Aごとに250円から260円アップとなります。
そして、容量アップは少額と言えども施主様の立場にしてみれば、月々の売買電料金の相殺額減少になりますので好ましい方法とはいえません。
そこでA点に連系することで契約容量との無関係化を図るのです。

具体的な例として

• 契約電流が３０Aで太陽光の定格が7ＫＷというように、太陽光の出力が契約電流を上回ることが想定される場合で、かつ既存幹線が太陽光の最大出力に耐えうる施設の場合。
  この場合、ＳＢを最低でも４０Aにする必要があり、太陽光発電システムを設置したことにより月々の電灯契約基本料金がアップします。
  しかし、Ａ点に連系した場合はＳＢの制限電流に関係なく幹線の許容電流さえ満足すれば、既存電気設備の大幅な改造なく、システムを設置できますので契約電流の問題を回避できます。
  

この他、Ａ点連系を採択すると次のメリットがあります。

• 宅内の美観維持のため、パワーコンディショナ〜分電盤間を露出配線してはならない場合。
  施主様の希望ですが、特に美観上の理由でどうしても露出配線が許されない場合があります。
  もちろん、幸いにも天井裏があって隠蔽配線が可能な場合はどの連系点を選択しても問題ありません。
  しかし、隠蔽配線ができない2×4住宅などで住宅の側柱筋（屋外に面した壁面）から外れたところに分電盤があった場合は、Ｂ点やＣ点では露出配線するしかありません。
  つまりみっともない配線が宅内を横切るのです。
  これは、側柱筋に設置したパワーコンディショナ出力を外壁伝いにＷＨＭにＡ点連系することで解決できます。
  以後、これをぜひとも覚えておきたい方法として詳しくご紹介しましょう。