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太陽光発電におけるパワーコンディショナーの力率一定制御とは?

家庭での太陽光発電を検討する理由の1つに、「余剰電力の売電」があります。

太陽光発電を導入し売電することにした場合、まずは電力会社との契約が必要です。このとき、ほとんどの電力会社では、「パワーコンディショナーの力率一定制御の採用」を要請してきます。このことで変電効率が悪くなるのではないかという心配があると、決断しきれないこともあるでしょう。

そこで今回は、「力率一定制御」とは何なのか、また「力率一定制御」の採用で太陽光発電にどのような影響が出るのかを解説します。

電力会社から言われるパワーコンディショナーの力率一定制御とは?

ここではまず、太陽光発電導入時に大手電力会社から要請される「パワコンの力率一定制御の採用」の概要のみを解説します。

現在、家庭に設置された太陽光発電設備も含めて、再生可能エネルギー発電設備の数は増加傾向にあります。

特に、後ほど説明する再エネ特措法が施行されてからの増加率は大幅に上昇しています。そのことで、発電所からの供給電力が、電力シェアのほぼ全てを占めていた頃とは違い、電力の供給事情は大きく変化しつつあります。そのため、電力会社は、他の発電設備から売電される電力量にも注意して調整を考える必要が出てきました。

このことから、大手電力会社では、太陽光発電設備を配電線に連係する人に向けて、パワーコンディショナーの力率一定制御の採用を要請するようになりました。

たとえば、東北電力では、高圧配電線の発電設備連係におけるパワーコンディショナーの力率一定制御(80~95%)を採用するよう要請しています。

また、関西電力では、低圧パワーコンディショナーの力率一定制御(95%)の採用を要請しています。

パワーコンディショナーの力率一定制御の意味

では、「パワーコンディショナーの力率一定制御の採用」とはどういう意味なのでしょうか。

まず、「パワーコンディショナー」について解説します。パワーコンディショナーとは、太陽光発電システムや家庭用燃料電池を利用する際、発電された直流電流を、家庭で使用可能な交流電流に変換する機器のことです。もともと、直流電流を交流電流に変換する機器のことをインバータと言い、パワーコンディショナーも、その一種です。

次に、力率一定制御の仕組みについて説明します。

例えば、パワーコンディショナーの容量が10kWで力率95%の場合、電力の出力が最大のときには、0.5%分が抑えられて9.5kWの出力になります。

つまり、力率一定制御とは、常に力率が一定に保たれるのではなく、「出力最大になった場合に限って制御がかかる」という意味です。

また、上記の例にあるように、パワーコンディショナーには容量があります。安全に使用するためには、使用するパワーコンディショナーの容量をオーバーしないよう、気をつけましょう。容量オーバーのことを、パワーコンディショナーの「過積載」と言います。荷物運搬車の「過積載」が危険なように、パワーコンディショナーの「過積載」にも危険性があります。これについては、後ほど解説します。

力率の前に電力の基礎知識を覚えよう

普段当たり前に使っている電気ですが、その仕組みについては、はっきり分からないという人も多いのではないでしょうか。

そこで、電力の基礎知識について解説します。

まず、電流についてですが、電気は目に見えないので、水が高いところから低いところに流れることをイメージしてみましょう。水の場合、水位の高低差で水圧がかかり、流れが生まれます。

電気の場合は、電位の高低差が必要となります。この高低差によって、電気の圧力がかかり、高電位から低電位への流れ(電流)が生まれます。このように、電流の発生する仕組みは、水流と似ているのです。

電気の圧力のことを「電圧」と呼び、単位には「V(ボルト)」が用いられています。

電力会社から各家庭に電気が流れるのは、送電線の電圧が配電設備の電圧より高いからです。

太陽光発電で作った電力についても同様で、電力会社に売電するためには、電線の電圧より発電電圧のほうが高い状態であることが必要となります。

そのため、太陽光発電のパワーコンディショナーは、発電電圧のほうが高くなるように、電圧を調整しています。

力率をしっかり理解して!

力率一定制御の仕組みについて理解するためには、力率について知ることが必要です。

力率についてより理解しやすくするために、まずは交流回路の電力について解説します。

交流回路の電力には、「有効電力」、「無効電力」、「皮相電力」の3種類があります。

有効電力とは、実際に使える電力のことで、「消費電力」とも呼ばれます。単位は「W(ワット)」です。電化機器の説明書などで、「30W」、「50W」等と表示されているのを目にすることがありますが、これも有効電力(消費電力)です。

次に、無効電力とは、実際には使われない電力のことです。無効電力だけでは、電気モーターを動かすことはできません。しかし、実は、有効電力だけでもモーターを動かすことはできないのです。また、無効電力は、電圧の上昇を防ぐという重要な役割を担っています。このように無効電力は、電気利用のために無くてはならないものなのです。

最後に、皮相電力とは、電源から送り出された電力のことで、「見かけの電力」とも呼ばれています。電源から送り出される電力とは、有効電力と無効電力を合わせたものです。

それでは、力率について解説します。

力率とは、一言で言うと、「皮相電力の大きさに対する有効電力の割合のこと」です。力率は、高ければ高いほど良いと考えてしまいそうですが、そういうわけではありません。先ほども説明した通り、力率が極端に高い=無効電力が少なすぎてはモーターは動かないからです。

しかし、無効電力があまりに増え、力率が下がりすぎるのも良くありません。
一般的には、力率85%以上を「高力率」、力率85%未満を「低力率」と言います。
高力率の場合、電流があまり強くなくても、動作に必要な皮相電力が供給できます。そのため、電流値「A(アンペア)」が低くなります。
低力率の場合、無効電力が多く、機器を動かすために必要な皮相電力が多くなります。そのため、電流値が高くなります。

これらのことから、「効率」と「力率」は同じだと勘違いする人がいますが、この2つは異なった意味の言葉です。
一般的に、「効率的」とは、だらだらと働くことによる時間のロスや、生産物に含まれる不良品の割合などのロスが少ないということです。最も効率的な状態とは、それらのロスをゼロにできた状態のことだと言えるでしょう。
それに対して「力率」とは、もともと100%を目指すものではなく、皮相電力を100としたとき、有効電力の割合としていくらを「目指すか」、ということを意味します。
また、高力率の方が電流値が低いため、電気の基本料金とも関係があります。気になる人は、契約先の電力会社の、電流量による基本料金の違いを調べてみると良いでしょう。

売電するなら必要!電力会社との系統連系とは?

系統連系とは、「電力会社の電力系統と自宅や事業所などの発電設備を連係接続すること」を指す言葉です。つまり、系統連系は、太陽光による電力を自宅のみで消費するのであれば必要ないですが、売電するためには必要な手続きです。

この系統連系には、「低圧連系」、「高圧連系」、「特別連系」の3種類があります。

まず、設置容量が50kW未満の場合を低圧連系と言います。一般家庭や小規模な商店などの場合は、ほとんどがここに含まれます。

次に、設置容量が50kW~2000kWの場合、高圧連系と言います。ここには、ビルや比較的小規模な工場などが多く含まれます。

最後に、設置容量が最も大きく、2000kW(2MW)以上の場合を、特別連係と言います。

この3つの連系区分のどこに含まれるかにより、工事の内容が異なります。また、維持管理にかかる費用にも差が生じます。工事費や維持管理費用などは、高電圧であるほど、より高くなります。

大手電力会社が力率一定制御の採用を要請する理由とは?

ここでは、大手電力会社が力率一定制御の採用を要請する理由を解説します。

平成29年に、「電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法(再エネ特措法)」が施行されました。これは、電力会社が、一定の期間、再生可能エネルギーから作られた電気を、国の定めた価格で買い取ることを義務付けた法律です。

この再エネ特措法が出来たこともあり、太陽光発電設備も含めた再生可能エネルギー発電設備の数は増加傾向にあります。多くの家庭や事業所等が太陽光等の再生可能エネルギー発電設備を導入し始めたことで、配電系統の電圧維持が難しくなってきました。

ある電力会社と契約している発電設備の増加に伴い、売られる電力が増えすぎた場合について考えてみましょう。その電力会社の供給電圧が、使用しているパワーコンディショナーの出力上限値を上回ったままの状態で売電すると、電柱側の電圧が上がります。その結果、自宅の家電や、周辺住宅の家電や電気機器を故障させてしまう危険性が高くなります。

このような事態を避けるためには、地域の供給電圧を適正に維持するための対策が必要になります。そこで、大手電力会社では、有効電力と無効電力のバランスを保つために、パワーコンディショナーの力率一定制御の採用要請を始めたのです。

適切な力率一定制御を行うことで、より安全に売電できるということです。

力率一定制御を理解するための直流電流と交流電流

力率一定制御を理解するために、まずは直流電流と交流電流について知っておくと良いでしょう。そこで、ここでは、直流電流と交流電流について解説します。

まず、直流電流とは、電気が導線の中を流れるとき、その向きや大きさ、勢いが変化しない電気の流れ方をいいます。このときの、電気の流れや大きさのことを「電流」、勢いのことを「電圧」と言います。例としては、電池に豆電球をつなぎ、点灯したときに流れている電気は、直流電流です。上の解説のとおり、この直流電流は一方通行に流れ、変化しないのが特徴です。電池を使う場合、間違った向きでは電流が流れないのは、この直流電流を使用するからです。

一方、交流電流とは、電流や電圧が周期的に変化する電流のことを言います。しかも、同じリズムで電気が向きを交互に変えながら流れています。家庭で使用する電気は、電池を使用するもの以外は、すべて交流電流です。例えば、コンセントを差して使うものや、切り替えスイッチで使用するものなどがあります。

太陽光発電で作られる電気は、もともとは直流電流です。これまで解説した通り、家庭内のものは交流電流を使用しているため、そのままでは住宅内で使用できません。パワーコンディショナーは、作られた直流電流を交流電流に変換し、家庭で利用できるようにしているのです。

制御しなくても力率はもともと100%にならない?

結論から言うと、力率一定制御をしてもしなくても、直流電流を交流電流に変換している時点で、力率は100%にはなりません。

力率一定制御95%とはどういうことかについて考えてみましょう。先ほど説明した通り、太陽光によって発電されたのは直流電流です。それを、パワーコンディショナーが交流電流に変換します。このとき、交流電流の有効電力を95%にしてください、というのが、力率一定制御95%ということの意味です。

電力は、「電圧(V)×電流(W)」で計算されます。この計算の際、厳密には、同じ瞬間の電圧と電流の数値を用いなければなりません。しかし、それは現実的ではありません。太陽光発電の力率を計算するには、直流電流から交流電流に変換することが必要なため、電圧と電流の間に時間差が生じてしまいます。その変換作業を行っている時点で、力率が100%になることはないのです。

力率一定制御を要請されたら何をするべき?

さて、太陽光発電の導入にあたって、電力会社から力率一定制御を要請された場合、導入する側は何をすべきでしょうか。

実は、家庭に太陽光発電を設置する際、力率一定制御に関して、導入者が行うことは特にありません。パワーコンディショナーは、力率一定制御に対応できるように、あらかじめ設定されているからです。

ただし、契約する電力会社の指定する力率が何%なのかを認識しておくことや、パワーコンディショナーの制御方式を、皮相電力一定方式と有効電力一定方式のどちらにするかを決めることは必要です。電力会社への申請時にも、どちらの制御方式を採用しているパワーコンディショナーかという情報が必要になるので、しっかり把握しておきましょう。

まとめ

これから太陽光発電を導入する場合、力率一定制御の採用は必須になる可能性が高いでしょう。

太陽光発電導入の手続きは、施工会社が代行することが一般的となっています。そのため、導入者自身が力率一定制御の仕組みを理解していなくても、手続きを完了することは難しくありません。

しかし、力率一定制御の仕組みについて知識を持っていると、導入後に変電効率で何らかの問題が起きたときにも、落ち着いて対処しやすくなるでしょう。

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