屋上太陽光発電
世界中の屋上太陽光発電システム：ドイツ、ベンスハイム（左上）、ドイツ、ベルリン（右上）、インド、クッパム（左下）、イギリス、イートン・カレッジのグリーンキャップ・エナジーの太陽光発電アレイ（右下）

屋上太陽光発電システム、または屋上PVシステムは、住宅や商業ビル、または構造物の屋上に設置された発電用のソーラーパネルを備えた太陽光発電（PV）システムです。 [ 1 ]このようなシステムのさまざまなコンポーネントには、太陽光発電モジュール、マウントシステム、ケーブル、ソーラーインバータ、バッテリーストレージシステム、充電コントローラ、監視システム、ラックおよびマウントシステム、エネルギー管理システム、ネットメータリングシステム、切断スイッチ、接地装置、保護装置、接続箱、耐候性エンクロージャ、およびその他の電気アクセサリが含まれます。[ 2 ]

屋上設置型システムは、メガワット単位の容量を持つ地上設置型の実用規模の太陽光発電所に比べると小型であるため、分散型電源の一種である。包括的なライフサイクル分析研究[ 3 ]では、屋上設置型太陽光発電は実用規模の太陽光発電よりも環境に優しいことが示された[ 4 ] 。ほとんどの屋上PVステーションは、系統接続型太陽光発電システムである。住宅の屋上PVシステムの容量は通常約5～20 キロワット（kW）であるのに対し、商業ビルに設置されたものは100キロワットから1メガワット（MW）に達するものも多い。非常に大きな屋根には、1～10MWの産業規模のPVシステムを設置できる。

2022年現在、世界中で約2500万世帯が屋上太陽光発電に依存しています。[ 5 ]オーストラリアは、一人当たりの屋上太陽光発電容量が圧倒的に多いです。[ 6 ]

インストール

作業員が住宅の屋上に太陽光パネルを設置している
カリフォルニア州グーグルプレックスの屋上太陽光発電システム

都市環境には多くの空き屋上スペースがあり、土地利用や環境問題への潜在的な懸念を本質的に回避できます。屋上日射量の推定は多面的なプロセスであり、屋上日射量は以下の要因によって影響を受けます。

  • 季節
  • 緯度
  • 気象条件
  • 屋根の傾斜
  • 屋根の外観
  • 隣接する建物や植生による日陰[ 7 ]

太陽光発電屋根システムの潜在能力を計算する方法は様々あり、ライダー[ 8 ]やオルソフォト[ 9 ]の使用も含まれる。高度なモデルでは、市町村レベルでの太陽光発電導入における広い範囲の日陰による損失を決定することさえ可能である。[ 10 ]

屋上太陽光発電システムの構成要素

以下のセクションでは、屋上ソーラーパネルで最も一般的に使用されるコンポーネントについて説明します。屋根の種類（金属屋根かシングル屋根かなど）、屋根の角度、日陰の影響などによって設計は異なりますが、ほとんどのアレイは以下のコンポーネントのバリエーションで構成されています。

  1. ソーラーパネルは、太陽光を照射することで炭素を排出しない電力を生成します。多くの場合シリコン製のソーラーパネルは、通常1枚のパネルに6個のセルを持つ小型の太陽電池で構成されています。複数のソーラーパネルを連結してソーラーアレイを構成します。ソーラーパネルは通常、強化ガラスで保護され、アルミフレームで固定されています。[ 11 ]ソーラーパネルの前面は非常に耐久性が高い一方、背面は一般的に脆弱です。
  2. 取り付けクランプは一般的に、アルミ製のブラケットとステンレス製のボルトで構成されており、屋根やレール上の太陽光パネル同士を固定します。クランプのデザインは、屋根やレールの形状に合わせて多様化されています。[ 12 ]
  3. ラックまたはレールは金属製で、パネルを載せるためのもので、屋根の上に平行に設置されることが多い。パネルを均等に設置するためには、レールが十分に水平であることが重要である。[ 13 ]
  4. マウントは、レールとアレイ全体を屋根の表面に取り付けます。これらのマウントは、多くの場合、L字型のブラケットで、フラッシングを通して屋根の垂木にボルトで固定されます。マウントの設計は、屋根の形状や材質の多様性に応じて多岐にわたります。[ 12 ]
  5. フラッシングは、取り付け部分と屋根面の間に防水シールとして機能する耐久性のある金属板です。フラッシングと屋根面のシールにはコーキングが使用されることが多く、金属製のシングル（屋根板）に似ています。
  6. インバータ用のDC/AC配線は、パネル間の配線とマイクロインバータまたはストリングインバータへの配線を接続します。[ 13 ]ケーブルの劣化や風化を防ぐため、ケーブルが屋根の表面に触れたり、アレイから垂れ下がったりしないようにしてください。
  7. マイクロインバータはパネルの下部に設置され、パネルからの直流電力を系統に送電可能な交流電力に変換します。マイクロインバータは、日陰が発生した場合に各パネルの最適化を可能にし、個々のパネルから特定のデータを提供します。[ 13 ]

財務

太陽光発電システムの価格（2022年）

居住の
国 コスト（$/W）
オーストラリア1.0
中国0.8
フランス1.1
ドイツ1.2
インド1.0
イタリア1.3
日本1.2
パキスタン0.6
イギリス1.2
アメリカ合衆国1.1
コマーシャル
国 コスト（$/W）
オーストラリア0.85
中国0.64
フランス0.9
ドイツ0.9
インド0.75
イタリア0.9
日本0.95
イギリス1.0
アメリカ合衆国1.0

インセンティブ

アメリカ合衆国

米国では、州ごとに太陽光発電へのインセンティブを設けており、設置初期費用を相殺し、太陽光発電をより手頃な価格にすることができます。米国では、各州が独自の太陽光発電に対するインセンティブと割引制度を設けており、税還付、税額控除、系統接続型太陽光発電システムに対するネットメータリングなどが含まれています。[ 14 ]

2000年代半ば、太陽光発電会社は顧客向けにリースや電力購入契約など、様々な資金調達プランを提供していました。顧客は太陽光パネルの費用を数年にわたって分割払いすることができ、ネットメータリングプログラムのクレジットによる支払い補助を受けることもできました。2017年5月現在、屋上太陽光発電システムの設置費用は平均2万ドルです。以前はもっと高額でした。[ 15 ]

Utility Diveは、「ほとんどの人にとって、他の支出や優先事項に加えて太陽光発電システムを追加するのは贅沢だ」と述べ、「屋上太陽光発電会社は概して、アメリカ国民の富裕層を対象としている」と指摘している。[ 15 ]太陽光発電システムを導入する世帯のほとんどは「上位中所得層」である。太陽光発電システムの顧客の平均世帯年収は約10万ドルである。[ 15 ]しかし、所得と太陽光発電システムの購入に関する調査では、「驚くほど多くの低所得層」の顧客が明らかになった。「この調査結果に基づき、GTMの研究者は、4つの太陽光発電市場には、低所得者向けの物件に10万件以上の設置が含まれていると推定している。」[ 15 ]

消費者エネルギー同盟（CEA）が2018年6月に発表した、米国の太陽光発電インセンティブを分析した報告書によると、連邦、州、地方自治体によるインセンティブの組み合わせと、太陽光発電システム設置の純コストの低下が相まって、全米で屋上太陽光発電の利用が増加していることが示されています。デイリー・エネルギー・インサイダーによると、「2016年の住宅用太陽光発電容量は前年比20%増加しました。一方、住宅用太陽光発電の平均設置コストは、2015年第1四半期と比較して、2017年第1四半期は21%低下し、1ワットあたり2.84ドルとなりました。」[ 16 ]実際、同団体が調査した8つの州では、屋上太陽光発電システム設置に対する政府のインセンティブ総額が、設置コストを上回っていました。[ 16 ]

2019年、米国における6kW住宅用システムの全国平均コストは、税額控除後で2.99ドル/Wで、典型的な範囲は2.58ドルから3.38ドルでした。[ 17 ]

規模の経済性により、産業規模の地上設置型太陽光発電システムは、小規模な屋根設置型システム（4セント/kWh）の半分のコスト（2セント/kWh）で発電します。[ 18 ]

固定価格買い取り制度

系統接続された屋上太陽光発電所では、発電した電力を電力会社に売却し、系統内の他の場所で利用してもらうことができます。この仕組みにより、設置業者の投資回収が期待できます。この収益を理由に、世界中の多くの消費者がこの仕組みに切り替えています。電力会社が支払う電力料金は通常、公益事業委員会によって設定され、小売価格またはより低い卸売価格となる場合があり、太陽光発電の投資回収と設置需要に大きな影響を与えます。

一般に知られている固定価格買い取り制度（FIT）は、世界中の太陽光発電産業の拡大につながりました。この補助金制度によって数千人の雇用が創出されました。しかし、FITはバブル効果をもたらし、廃止されると崩壊する可能性があります。また、FITは地域密着型の発電や埋め込み型発電の能力を高め、送電線を通じた送電ロスを削減しました。[ 2 ]

ソーラーシングル

ソーラーシングル

ソーラーシングルまたは太陽光発電シングルは、アスファルトシングルやスレートといった従来の屋根材と同様の外観と機能を備え、同時に発電も行うように設計された太陽光パネルです。ソーラーシングルは、建物一体型太陽光発電（BIPV）として知られる太陽エネルギーソリューションの一種です。[ 19 ]

ハイブリッドシステム

屋上PVハイブリッドシステム。

屋上太陽光発電所（オングリッドまたはオフグリッド）は、ディーゼル発電機、風力タービン、バッテリーなどの他の電力コンポーネントと組み合わせて使用​​できます。これらの太陽光ハイブリッド電力システムは、継続的な電力源を提供できる可能性があります。[ 2 ]

利点

設置者は、太陽光発電による電気を公共系統に供給する権利を有し、太陽光発電のメリットを反映したkWhあたりの合理的なプレミアム料金を受け取ることで、現在の太陽光発電による電気の追加コストを補填することができます。[ 2 ]系統電力が不安定または比較的高価な国では、屋上設置システムもより現実的です。[ 20 ]

消費者にとって、太陽光発電システムは、太陽の無償エネルギーを利用して家庭で使用できる電力を生産することで、化石燃料への依存を減らすのに役立ちます。したがって、太陽光発電は住宅所有者の二酸化炭素排出量の削減と光熱費の節約にも役立ちます。[ 21 ]

デメリット

太陽光発電所の10%の寄与を含む電力システムでは、従来のシステムと比較して負荷周波数制御（LFC）容量を2.5%増加させる必要があります。この問題は、太陽光発電システムのDC/AC回路に同期インバータを使用することで対処できます。1996年には、寄与率が10%未満の場合に太陽光発電の損益分岐点コストが比較的高いことが確認されました。太陽光発電の割合が高いほど損益分岐点コストは低くなりますが、経済性とLFCの観点から、電力システム全体における太陽光発電の寄与は約10%が上限となります。[ 22 ]

屋根瓦を交換するために太陽光パネルを撤去する

アスファルトシングルの屋上ソーラー

アスファルトシングル屋根の葺き替え工事では、太陽光パネルを一度取り外し、屋根葺き替えのために撤去し、葺き替え後に再度設置する必要があります。この作業中、住宅で停電が発生する可能性があります。太陽光パネル設置業者は、屋根葺き替え後の撤去と再設置のために2回現場に出向く必要があり、その工賃は通常、アスファルトシングル屋根業者の単価よりも高額です。[ 23 ]

技術的な課題

大量の屋上太陽光発電システムを電力網に統合するには、多くの技術的な課題があります。

逆電力潮流

電力網は、配電レベルでの双方向の電力潮流を想定して設計されていません。配電フィーダーは通常、大規模な集中型発電機から配電フィーダーの末端にある需要家負荷まで、長距離にわたって一方向の電力潮流を放射状に送電するシステムとして設計されています。屋根上などに設置された局所的および分散型の太陽光発電システムでは、逆潮流によって変電所や変圧器への電力の流入が発生し、深刻な問題を引き起こします。これは、保護協調や電圧調整器に悪影響を及ぼします。

ランプレート

断続的な雲の影響で太陽光発電システムの発電量が急激に変動すると、配電線に望ましくないレベルの電圧変動が生じます。屋上太陽光発電システムの普及率が高い場合、この電圧変動は負荷と発電量の一時的な不均衡によって系統の安定性を低下させ、電力制御によって抑制されなければ電圧と周波数が設定限度を超えてしまいます。つまり、集中型発電機は太陽光発電システムの変動に追いつくほどの急速な出力上昇ができず、近隣の系統で周波数の不一致が発生します。これは停電につながる可能性があります。これは、単純な局所的な屋上太陽光発電システムが、より大規模な電力系統にどのような影響を与えるかを示す一例です。この問題は、太陽光パネルを広範囲に分散配置し、蓄電システムを追加することで、ある程度軽減されます。

運用と保守

屋上設置型太陽光発電システムの運用・保守は、地上設置型施設と比較して、分散型であることとアクセスの難しさから、コストが高くなります。屋上設置型太陽光発電システムでは、十分な性能監視ツールが整備されていないことや人件費が高いことから、故障の特定と技術者の派遣に時間がかかる傾向があります。その結果、屋上設置型太陽光発電システムは、運用・保守の品質が低下し、システムの可用性と発電量が低下するという問題を抱える傾向があります。

金属屋根の薄膜太陽光発電

薄膜ソーラーランニングダウンスタンディングシームメタルルーフ

薄膜ソーラーの効率向上により、金属屋根への設置は、従来の単結晶および多結晶太陽電池に対するコスト競争力を持つようになりました。薄膜パネルは柔軟性があり、立体継ぎ目の金属屋根に沿って設置され、接着剤で金属屋根に貼り付けられるため、設置時に穴を開ける必要はありません。接続ワイヤは、屋根上部の棟キャップの下を通ります。効率は10～18%ですが、設置容量1ワットあたりのコストはわずか2～3ドルです。一方、単結晶の効率は17～22%で、設置容量1ワットあたりのコストは3～3.50ドルです。薄膜ソーラーは1平方フィートあたり7～10オンスと軽量です。薄膜ソーラーパネルの耐用年数は10～20年[ 24 ]ですが、従来のソーラーパネルよりも投資回収期間が短く、金属屋根は交換までの耐用年数が40～70年であるのに対し、アスファルトシングル屋根は12～20年です。[ 25 ] [ 26 ]

さまざまな太陽光発電屋根のコスト
タイプ[ 27 ]ワットあたりのコスト効率平均6kWシステムコスト
多結晶2.80ドル～3.00ドル13～17%17,400ドル
単結晶3.00ドル～3.50ドル17～22%19,000ドル
薄膜パネル2.00ドル～3.00ドル10～18%1万7000ドル

最大規模の屋上太陽光発電設備

屋上太陽光発電所（10MW以上）
太陽光発電所 位置 国 公称出力[ 28 ]

（MW p）

注記
済寧華西 山東省 中国 120 43の屋根にまたがり、総容量は年間110GWhです[ 29 ]
来易グループ ヴィンロン ベトナム 38 履物製造工場の屋上[ 30 ] [ 31 ]
プロロジスレッドランズ ディストリビューション センター カリフォルニア州レッドランズアメリカ合衆国28 2010年11月から2013年8月にかけて、プロロジス・レッドランズ・ディストリビューションセンターの複数の屋上に1.75MWから6.77MWの一連の設備が設置された[ 32 ]。
マイ・ドバイ・ボトリング工場 ドバイ アラブ首長国連邦 18 52,000枚の太陽電池モジュール、2019年夏に完成[ 33 ]
AGヘイレン・エナジー フェンロ オランダ 18 フェンロのこのプロジェクトは、48,000枚以上の太陽光モジュールと100台以上のインバータで構成され、126,000平方メートルの屋根が使用されています。[ 34 ]設置は2020年8月に完了しました。[ 35 ]
アップルパークカリフォルニア州クパチーノアメリカ合衆国 17 本館に約10MW、駐車場2棟に約7MW [ 36 ]
アルビンド・リミテッド サンテジ インド 16 これは、インド最大の単一工業施設における屋上太陽光発電プラントです。サンテジにおけるこのプロジェクトは、46,000枚以上の太陽光モジュールと180台以上のインバータで構成されています。この画期的なプロジェクトの設置には20,000人日以上が費やされ、このプラントの建設のために40,000平方メートルを超える古い屋根が取り替えられました。[ 37 ]
Permacity / LADWPによる倉庫 カリフォルニア州ロサンゼルス アメリカ合衆国 16 [ 38 ]
ゼネラルモーターズサラゴサ スペイン12 2008年秋にゼネラルモーターズのスペインサラゴサ製造工場に設置[ 39 ] [ 40 ]
デラ・ババ・ジャイマル・シン、ビーアス インド 12 42エーカーの屋上に広がる太陽光発電所[ 41 ]
リバーサイド再生可能エネルギー – ホルト・ロジスティクス・グロスター・マリンターミナル ニュージャージー州グロスターシティアメリカ合衆国 10 冷蔵倉庫棟3棟。2012年4月に9MWで完成し、[ 42 ] [ 43 ] 2019年に拡張された。[ 44 ]
サザンカリフォルニアエジソン- ワールプールコーポレーション地域配送センター カリフォルニア州ペリスアメリカ合衆国 10 2011年9月19日ワールプールコーポレーション地域配送センターの屋上に設置[ 45 ]

参照

参考文献

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