電気使用量に相当する電力量の確保
先ず、一般家庭で消費される電気の使用量は、一例として1ヶ月間の使用量を300KWhとすれば、1日当たりでは約10KWhとなります。
つまり、通常であれば1日分の電気使用量に相当する電力量の確保が必要になり、蓄電量に相当するバッテリー容量を確保する必要があります。
しかし、前記の通りに雨や曇りとか冬には雪の天候を考慮すれば、2倍以上の電力量を確保する必要があります。
更に、仕事とか外出の日と比較して休日や祭日で自宅で過ごす時間が長いと、電気使用量も多くなりますから、それだけの蓄電量を確保する必要があります。
独立電源を使用する場合には、チャージコントローラーの変換効率と、バッテリーの充電から放電への効率と、AC出力用インバーターの変換効率により、ソーラー発電量に対して使用可能な電力量は8〜8.5割程度に少なくなります。
発電量と蓄電量を増強すれば、チャージコントローラーは複数が必要になります。
沢山の電化製品を独立電源で使用するには、AC出力用インバーターも複数が必要になります。
故障時などを考慮すれば、大出力のAC出力用インバーターの5KWを1台よりも、2KWを2台とか3台に分散して使用する方が無難だと思います。
独立電源として48Vシステムのバッテリーを接続して構築するには
48Vシステムでは、仕様の公表値12.8V 100Ahを4個で直列の接続として51.2(44〜52.8)V 100Ahとなり、約5KWhの電力量を蓄電することが可能です。
同システムで約10KWhの電力量を蓄電するには、これを並列に接続して51.2(44〜52.8)V 200Ahとなります。
さらに、雨や曇りとか冬には雪の天候を想定して、増強した約15KWhとか約20KWhとかの48Vシステムでも同様に、基本的な約5KWhのシステムに安全ブレーカーを介して、並列に接続して51.2(44〜52.8)V 300Ahとか、51.2(44〜52.8)V 400Ahとなります。
各バッテリー間の接続には、DCミニサーキット安全ブレーカーを取り付けて、万が一に備えての安全性と、メンテナンスとかバッテリーの不具合が起きた場合に、必要な各ブレーカーを切って点検や取り替えを容易にします。
48Vシステムのインバーター容量2000Wでは、各バッテリー間の接続として、直列の配線は絶縁電線IV 1線芯 8sq(AWG8)(2.3mΩ/1m)許容電流60Aが必要になります。
5KWhのシステムから増強して10〜20KWhとかにして、各バッテリーを並列に接続した場合の各同電位どうしの配線(電線)は、絶縁電線KIV 1線芯 3.5sq(5.1mΩ/1m)許容電流35Aが必要になります。
接続方法については、12.8V 100Ahを並列に接続して2個の場合はバッテリーどうしを、その侭にDC安全ブレーカーを通して接続しますが、3個や4個を並列に接続するには銅板を用いて共通させる入出力用の端子として、夫々のバッテリーからDC安全ブレーカーを通して接続します。
バッテリー間の各配線(電線・8sq・3.5sq)は、48Vシステムと電力量の増強をすれば沢山に必要になりますから、チャージコントローラーやインバーターへの接続も含めて、合計した必要な長さ分を購入して夫々に必要な長さに切断して使用します。
他にも、裸圧着端子(R8-8・R5.5-8)とか絶縁キャップ(8・3.5)赤 黒 青 白 黄も沢山に必要になります。
チャージコントローラーとAC出力用インバーターへの接続には、必ずDC安全ブレーカーを通して故障などでショートした時に、瞬時に切断が出来る様にします。
チャージコントローラーとAC出力用インバーターの電力容量については、公表値の8割以下の使用として無理をさせない事です。
尚、絶縁電線IV 1線芯 8sq(AWG8)の切断には、太いですからニッパーやペンチなどでは無理がありますから、専用のケーブルカッターIV線14sq以上を購入する必要があります。
ビニル小判コードVCTFK2の表皮を剥離するにはVA線ストリッパーが必要となり、心線の被服を剥離するにはワイヤーストリッパーIV線2-3.5-8sqも必要になります。
バッテリーのベストな使用について
バッテリーの電圧が所定以下になるとBMSが作動してシャットダウンしたり、ACインバーターは低電圧を検出して保護により自動的に出力をシャットダウンします。
バッテリーの内部抵抗と配線抵抗と接続端子の接触抵抗など、AC出力用の昇圧インバーター入力端子では幾つもの抵抗の要因で、電圧降下が発生して48Vシステムの2000Wをフル活用すればは0.7〜1V程は低くなります。
それでバッテリーの残量に余裕を持たせる必要があります。
雨や曇りの天候が続いてバッテリーが上がったり、AC出力用の昇圧インバーターに不具合が発生してシャットダウンしたりすると、AC出力の給電が止まりますから、商用電源のコンセントから給電をして、自動の切り替え用に電磁リレー(20A)を利用して対策をします。
バッテリーを直列に接続して充放電を繰り返していると、数日もすれば夫々にバッテリー品質(BMS)のばらつきから電圧に僅かの違いが現れてきます。
特に、バッテリーの残量が少なくなるまで使用したり、充電時に過電圧(過充電) にまで使用しますと、夫々の個体に大きな電圧の格差が生じて来ます。
バッテリーの電圧が12V以下に達すると夫々に1V程の電圧差が生じてきます。
充電時に過電圧手前の14.3〜14.4Vに達すると夫々に0.5V程の電圧差が生じてきます。
そこで、各バッテリー毎に電圧のばらつきを抑える方法として、夫々に所定の電圧に達すると充電したり、或いは放電したりする小型で簡単な装置を取り付けます。
例えば、バッテリーの残量・電圧値が所定(設定)以下になると、ICによるOPアンプとTrを用いた、コンパレーターと小型リレーと小型安定化スイッチング電源を使用して、商用電源のコンセントから給電をして、自動で充電を開始する簡単な電子回路を取り付けます。
同様にバッテリーが充電時に過電圧(過充電) 値の所定(設定)値に達すれば、ICによるOPアンプとTrを用いたコンパレーターと小型リレーで、電子負荷抵抗器を使用して自動で放電を作動させる簡単な電子回路を取り付けます。
12Vバッテリーの電圧値が低電圧の設定値になると充電を開始する電子回路と、過電圧の設定値になると電子負荷を作動させる電子回路を組み合わせた、低電圧用と過電圧用の電圧を検出するコンパレーターの2つを、1つのユニットとして組み上げます。
24Vシステムでは、このユニットを2つ使用します。
48Vシステムでは、このユニットを4つ使用します。
このユニットと小型安定化スイッチング電源と電子負荷抵抗器を組み合わせて組み立て、専用のケースに入れてパネルには各バッテリーの電圧を表示する電圧計と、過電圧時や低電圧時の表示をする小型パイロットランプを取り付けます。
低電圧用の設定値はバッテリーの残量が数%になる12.0V程として、安定化スイッチング電源の出力設定値は12.3V-5Aとし、電圧降下とロスの少ないショットキーバリアダイオード45V20Aと安全ブレーカーを通して、12Vバッテリーへ接続して逆流を防止します。
過電圧(過充電)用の設定値は充電時のバッテリー電圧として、充電制限の14.4V程として放電させる電子負荷の電流は、12Vバッテリーが2個並列で200Ahの場合には0.7〜1A程にして、同様に4個並列で400Ahの場合には1.5〜2A程にします。
これには充電パラメーターの設定値の関係とか、夏と冬とでは発電による充電電流が大きく異なりますから、実際に作動させて様子を見て設定値を0.1V単位で微調整する必要があります。
バッテリーの充電で電子負荷を作動させる充電制限の設定値が、充電パラメーターの設定値に近づくに従い頻繁に作動する様になり、反対にそれぞれの設定値に隔たりがあれば作動しなくて、各バッテリー毎の電圧ばらつきは解消しません。
尚、チャージコントローラーに表示されるバッテリー電圧は製品によりばらつきがあり、表示される電圧に合わせて実測値と相違の分だけ充電パラメーターの設定値を、増減して設定する必要があります。
リチウムイオン電池の蓄電量と温度の関係とエネルギー密度
他の注意点は、バッテリーの蓄電量・性能は温度変化と密接な関係があり、温度が低下すると蓄電量・性能も低下して、25℃では11.5Vで残量約2%程で、10℃では同残量約3%程と25℃に比べて全体(13〜12.5)で0.3V低下し、約8%の低下ですが、0℃では同残量約5%以下と25℃に比べて全体(12.7〜12.3)で0.6V低下し、約17%の低下となります。
更に-10℃では同残量約15%以下と25℃に比べて全体(12.4〜12)で1.0V低下し、約27%の低下となり、-20℃では11Vで残量約15%以下と25℃に比べて全体(11.7〜11)で1.8V低下し、約50%の低下となり、氷点下では蓄電量・性能と共に出力電圧も大きく低下していき、低温時の使用には弱いのです。
尚、電気自動車・EVでは外気に曝されて、冬の大寒波に於いて-20℃とか-30℃ではバッテリーの蓄電量・性能の大幅な低下と、暖房用のエアコンやヒーターを最大限に使用する必要から、急激に出力電圧と蓄電量が低下して上がり使い物にならないのです。
自動車産業はガソリン・エンジンから充電式バッテリーを使用する、電気自動車・EVへのシフトでは持続性が不可能と言わざるを得ない状況で、実用的ではないのです。
以前に紹介しました様に、主なリチウムイオン電池の重量エネルギー密度は170〜220Wh/kgで、体積エネルギー密度は330〜520Wh/L程です。
ガソリンを燃焼させて得られる熱エネルギーを、有効活用できる実効の重量エネルギーは約2,200Wh/kgとなり、同様に体積エネルギー密度では約1,900Wh/Lになります。
公表容量の10KWh・重量95kgの蓄電池として、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーを使用しても、重量エネルギー密度の比較ではガソリン1L分とほぼ同等で、体積エネルギー密度の比較でもガソリン2L分とほぼ同等しかなく、ガソリンなどとは比較にならない程にエネルギー密度が低いのが現実です。
