太陽電池ガイド: それだけの価値はありますか? (2023年6月)

ソーラーパネルはその寿命の間、電気代を何千ドルも節約できますが、パネルが発電するのは日中のみです。 太陽電池はこの制限を取り除き、曇りの日や夜間でも信頼できるエネルギー貯蔵システムを提供します。

スタンドアロンのソーラー パネルは優れた投資ですが、バッテリー バンクにより機能が向上します。 この記事では、Guides Home チームが、さまざまな種類とその仕組み、コスト、ソーラー システム用のバッテリーの選び方など、太陽電池について知っておくべきことをすべて取り上げます。

太陽電池は、電荷を化学的な形で保存する装置であり、太陽電池パネルが発電していないときでも、いつでもそのエネルギーを使用できます。 ソーラーパネルと組み合わせたバッテリーバックアップシステムは太陽電池と呼ばれることが多いですが、これらはあらゆる電源からの電荷を蓄えることができます。 これは、ソーラーパネルの生産性が低い場合にグリッド電力でバッテリーを充電したり、風力タービンなどの他の再生可能電源を使用したりできることを意味します。

バッテリーの化学的性質にはさまざまな種類があり、それぞれに利点と制限があります。 バッテリーの種類によっては、短時間に大量のエネルギーを必要とする用途に適しているものもありますが、長期間にわたって安定した出力が必要な場合に最適なバッテリーもあります。 太陽電池で使用される一般的な化学物質には、鉛酸、リチウムイオン、ニッケルカドミウム、レドックスフローなどがあります。

太陽電池を比較するときは、定格出力（キロワットまたはkW）とエネルギー貯蔵容量（キロワット時またはkWh）の両方を考慮する必要があります。 定格電力はバッテリーに接続できる総電気負荷を示し、ストレージ容量はバッテリーがどれだけの電力を保持できるかを示します。 たとえば、太陽電池の定格電力が 5 kW、蓄電容量が 10 kWh の場合、次のように仮定できます。

ソーラーパネルと蓄電池システムの定格電力は同じではないことに注意することが重要です。 たとえば、定格電力が 5 kW のバッテリーと 12 kWh の蓄電バンクを備えた 10 kW の家庭用太陽光発電システムを構築できます。

米国エネルギー効率・再生可能エネルギー局によると、規模や所在地などのその他の要因に応じて、ソーラーシステムとバッテリーに約25,000ドルから35,000ドルを支払うことが予想されます。 通常、パネルとバッテリーの両方を同時に設置する方が安く (そして簡単に) なります。ソーラー パネルを設置した後にストレージを購入することにした場合、バッテリーだけでも約 12,000 ドルから 22,000 ドルの費用がかかる可能性があります。

性能の点では、毎日充電と放電が必要な家庭用アプリケーションには、リチウムイオン電池が最適な選択肢であると考えられています。

2022 年 8 月に可決されたインフレ抑制法のおかげで、太陽電池は 30% の連邦税額控除の対象となります。 これは、太陽光発電システムを購入した年の連邦所得税に対して請求できる控除です。 したがって、たとえば、10,000 ドルのユニットを購入した場合、税額控除として 3,000 ドルを請求できます。 クレジットを請求できるのは 1 回だけですが、支払うべき税金がクレジット金額よりも少ない場合は、翌年に繰り越すことができます。

以下の表は、一般的な 4 種類の太陽電池の主な特徴と、住宅環境で使用した場合のそれぞれの平均コストをまとめたものです。

国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) は、住宅、商業、およびグリッド規模のプロジェクトにおける太陽光発電およびバッテリー システムの最新のコスト データを記載したレポートを定期的に発行しています。 太平洋岸北西部国立研究所 (PNNL) も同様のデータベースを保管しており、メガワット規模のアプリケーション (1,000 kW 以上) における複数のバッテリー技術をカバーしています。

すべての太陽電池は基本的な機能は同じですが、種類ごとに適した用途が異なります。 太陽電池の化学的性質が現在の用途に適している場合、太陽電池の信頼性と投資収益率が向上します。

たとえば、一部の電力消費者は、1 日の特定の時間帯に高い kWh 価格を適用されたり、消費量が突然ピークになった場合に追加料金を請求されたりすることがあります。 この場合、短時間に大量の電力を供給できるバッテリーバンクが必要です。 リチウムイオン電池はこの作業に適していますが、レドックスフロー電池は適していません。

バッテリーの種類に関係なく、バッテリーの使用可能な容量を示す放電深度 (DoD) も考慮する必要があります。 国防総省の規定を超えると、バッテリーの耐用年数が大幅に短くなる可能性があり、永久的な損傷を引き起こす可能性さえあります。 たとえば、保存エネルギーの 70% の使用は、国防総省定格 80% の太陽電池では許容されますが、国防総省 50% の電池では許容されません。

鉛蓄電池は確立された技術であり、遠隔地にあるオフグリッド太陽エネルギーシステムで一般的に使用されています。 鉛蓄電池は手頃な価格であり、人気があるためサプライチェーンが確立されているため、ベンダーや技術サポートを簡単に見つけることができます。

鉛蓄電池は低コストであるにもかかわらず、考慮すべき技術的な制限がいくつかあります。

吸収ガラスマットまたは AGM バッテリーは、従来の鉛酸バッテリーの改良版です。 防滴設計と耐久性を備えながら、より速く充電できます。 80% 国防総省向けに設計された AGM ディープ サイクル バッテリーも見つかります。

鉛蓄電池をソーラーパネルとともに使用するには、適切な充電電流を維持するための充電コントローラーが必要です。 これらのバッテリーは太陽電池アレイに直接配線しないでください。配線すると、過剰な電流によってシステムが損傷する可能性があります。

リチウムイオン電池は、太陽光パネルや風力タービンとの相乗効果が得られるため、近年非常に普及しています。 たとえば、Tesla Powerwall と Enphase IQ は、家庭用太陽光発電アプリケーションで一般的に使用される 2 種類のリチウムイオン電池です。 また、Renogy や WindyNation などのブランドから小型のリチウム電池も入手できます。これらは持ち運びが容易で、DIY 太陽光発電プロジェクトに適しています。

リン酸鉄リチウム (LFP) バッテリーは、リチウム バッテリーのサブタイプであり、優れた耐用年数が特徴です。 最高の LFP バッテリーは、80% DoD で 4,000 サイクルを超える耐用年数を提供します。これは、毎日の充電サイクルで 10 年以上持続できることを意味します。 このため、LFP バッテリーは太陽光発電設備を補完するのに最適です。 別途充電コントローラーが必要な鉛酸バッテリーとは異なり、市販されているリチウムバッテリーモデルの多くには充電器とコントローラーが内蔵されています。

リチウムイオン電池の主な欠点は価格が高いことですが、これは近い将来変わる可能性があります。米国エネルギー省は、2030 年までにエネルギー貯蔵コストの 90% 削減を目標としています。リチウム電池は、熱暴走と呼ばれる現象も発生する可能性があります。高温で使用すると発火の原因になります。 バッテリーが高品質であり、資格のある電気技師によって取り付けられていることを確認することで、熱暴走を防ぐことができます。

ニッケルカドミウム電池は、耐久性、高温耐性、メンテナンスの簡単さが特徴です。 これらの性能特徴により、ニッケルカドミウム電池は産業用途や実用用途で人気があります。 残念ながら、カドミウムは人体に対して非常に有毒であるため、家庭でのニッケルカドミウム電池の使用はお勧めできません。

フロー電池は、化学溶液中の正と負の電荷を分離することによってエネルギーを貯蔵し、化学溶液は別のタンクに保管されます。 これら 2 つの溶液が相互作用すると、還元酸化反応 (酸化還元) が起こり、バッテリーはエネルギーを放出します。 このため、この電池技術は「レドックスフロー」とも呼ばれます。

レドックスフロー電池の主な欠点はスペースが必要なことであり、小規模プロジェクトでは費用対効果が高くありません。 小型のレドックスフロー電池システムであっても輸送コンテナほどの大きさになる可能性があるため、家庭用ソーラーシステムでフロー電池を使用することは現実的ではありません。

太陽電池を選択するための最初のステップは、エネルギーのニーズを理解することです。 米国エネルギー情報局によると、2021 年の米国居住者の平均年間電力消費量は 10,632 kWh、月平均約 886 kWh になります。 平均エネルギー消費量を知ることは、理想的なバッテリー容量やバッテリーが蓄えるエネルギー量などの重要な要素をより適切に判断するのに役立ちます。

リチウムイオン電池は耐用年数が長く、毎日の充電サイクルに適しているため、家庭用太陽光発電システムに推奨されます。 ただし、鉛蓄電池は、時折使用されるバックアップ電源システムとして、またはオフグリッド システムの一部として実行可能です。

家庭用バッテリーは、ソーラーパネルとの相互作用に基づいて分類できます。

DC 結合バッテリーは、ソーラー パネルとエネルギー貯蔵を同時に管理するように設計されたハイブリッド インバーターを使用している場合にのみ使用できます。 ソーラー パネルにエネルギー貯蔵を処理できない従来のインバーターが搭載されている場合は、専用のインバーターを備えた AC 結合バッテリーが必要です。

バッテリーをバックアップ電源として使用する場合は、その仕様をチェックして、オフグリッドで動作できることを確認してください。 すべての太陽電池が停電時に使用できるように設計されているわけではなく、多くのモデルは系統と同期している場合にのみ動作します。

一般に、所有コストよりも大きな節約が達成できる場合、太陽電池を設置する価値があります。 家庭用バッテリーを使用すると、ソーラー パネル システムのコストが 10,000 ドル以上追加される可能性がありますが、エネルギー貯蔵を活用できるシナリオがいくつかあります。

ソーラーパネルは出力が変動するため、停電時や最適条件ではない場合にバックアップ電源として単独で使用することはできませんが、充電されたバッテリーがあれば家電製品を稼働し続けることができます。 さらに、地元の電力会社が特定の時間帯に高い料金を請求する場合は、太陽電池に切り替えることでコストを回避できます。

地元の電力会社がネットメーターを提供していない場合には、太陽電池も役立ちます。 余剰の太陽光発電を送電網に送ってもクレジットは得られませんが、バッテリーを使用すれば余ったエネルギーを使用できます。 ただし、これが経済的に意味があるのは、バッテリーの所有コストが、通常夜間に送電網を使用するために支払うコストよりも低い場合に限られます。

30% の連邦税額控除はソーラー パネルだけでなく、家庭用バッテリーにも適用されることに注意してください。 この税額控除は、地方自治体や電力会社が提供する太陽光発電奨励金と組み合わせることができます。 いくつかのプログラムのインセンティブを組み合わせると、太陽電池システムによってもたらされる経済的利益が向上します。

リチウムイオン電池は、毎日の充電サイクルでも長い耐用年数を実現できるため、家庭用太陽光発電システムに最適な選択肢と考えられています。

太陽電池は高価ですが、いくつかの用途に役立ちます。 以下は、太陽電池ストレージが住宅ユーザーにとって経済的に合理的であるいくつかのケースです。

地方自治体や電力会社からの奨励プログラムを考慮すると、太陽電池を設置するケースも改善されます。 米国は、少なくとも 3 kWh のエネルギー貯蔵容量を持つ家庭用バッテリー システムに対して 30% の連邦税額控除を提供しています。 お住まいの地域によっては、地域のインセンティブを利用して全体のコストを下げることもできます。

価格はブランドやモデルによって異なりますが、平均価格はバッテリー容量 1 kWh あたり約 800 ドルから 1,000 ドルです。 たとえば、Tesla Powerwall のエネルギー貯蔵容量は 13.5 kWh で、価格は約 11,500 ドルです。

他の再生可能エネルギー技術と同様に、太陽電池にも長所と短所があります。 太陽電池の主な制限には次のようなものがあります。

太陽光発電の専門家が設置した高品質のバッテリーを使用すれば、耐久性は問題になりません。 最高の太陽電池には 10 年間の製品保証が付いています。

レオナルド・デヴィッド電気機械エンジニア、MBA、エネルギー コンサルタント、テクニカル ライターです。 エネルギー効率と太陽光発電に関するコンサルティングの経験は、銀行、繊維製造、プラスチック加工、製薬、教育、食品加工、不動産、小売などの分野をカバーしています。 2015 年からはエネルギーとエンジニアリングのトピックに関する記事も執筆しています。

トリ・アディソンは、デジタル マーケティング業界で 5 年以上働いている編集者です。 彼女の経験には、非営利、政府、学術部門におけるコミュニケーションとマーケティングの仕事が含まれます。 本業はジャーナリストで、ニューヨークのハドソンバレーで政治やニュースをカバーするキャリアをスタートさせました。 彼女の仕事には、地方および州の予算、連邦財政規制、医療法に関する報道が含まれていました。