高性能な業務用太陽光発電システム設計：ストリング設計からパワーコンディショナ選定まで

業務用・産業用の太陽光発電（PV）システムでは、同じモジュール容量でも「設計の巧拙」により、年間発電量・設備利用率・保守コストが大きく変わります。本稿では、特に影響度の大きいストリング設計とパワーコンディショナ（以下、インバータ）選定を軸に、高性能な商用PVシステム設計の考え方と実務ポイントを整理します。

1. 業務用PVシステム設計における基本要件

1-1. 商用・産業用システム特有の要件

業務用PVシステムは、住宅用と比べて以下の要件が厳格です。

• 高い稼働率と長期安定性：20年以上の運用を前提とした設計寿命
• 系統連系要件への適合：系統保護、電圧・周波数制御、逆潮流制限など
• 安全規格・法令遵守：電気設備技術基準、JIS/IEC規格、消防・建築関連法規
• O&M（運用・保守）の効率性：遠隔監視、障害切り分けの容易さ、保守性
• LCOE（均等化発電原価）の最小化：CAPEXとOPEXのバランス最適化

これらの要件を満たすためには、モジュール選定だけでなく、ストリング構成・インバータ構成・保護協調・配線設計を一体として最適化することが重要です。

1-2. 設計プロセスの全体像

高性能な商用PVシステム設計は、概ね以下のプロセスで進みます。

1. サイト条件評価：日射量、気温、屋根・敷地形状、方位・傾斜、遮蔽物
2. 電力需要・系統条件分析：受電方式、契約電力、需要パターン、系統容量
3. システムコンセプト設計：自家消費比率目標、系統連系容量、冗長性
4. モジュール・インバータ選定：定格容量、変換効率、電気的特性、保護機能
5. ストリング設計：直列枚数、並列回路数、電圧・電流条件、温度補正
6. 配線・保護設計：ケーブル断面積、電圧降下、遮断器・ヒューズ・SPD
7. 性能シミュレーション：年間発電量、PR（Performance Ratio）、損失分析
8. 施工性・保守性の検証：レイアウト、アクセス性、将来拡張性

以下では、特に発電性能と信頼性に直結する「ストリング設計」と「インバータ選定」に焦点を当てます。

2. ストリング設計：電圧・電流・温度を踏まえた最適化

2-1. ストリング設計の目的

ストリング設計の主な目的は、

• インバータのMPPT入力条件を満たすこと
• 機器定格（電圧・電流）を超えないこと
• 温度変動・経年劣化を考慮しても安全マージンを確保すること
• 影・汚れ・不均一発電の影響を最小化すること

です。これらを満たしながら、直列枚数と並列回路数を最適化することで、配線コストと損失を抑えつつ高いPRを実現します。

2-2. モジュール電気特性の確認

ストリング設計では、使用するPVモジュールの以下の定格値を必ず確認します（代表例）。

• Pmax：最大出力（例：450 W）
• Vmp：最大出力動作電圧（例：42.0 V）
• Imp：最大出力動作電流（例：10.7 A）
• Voc：開放電圧（例：50.0 V）
• Isc：短絡電流（例：11.3 A）
• 温度係数：
  • Pmax温度係数（例：−0.35 %/℃）
  • Voc温度係数（例：−0.28 %/℃）
  • Isc温度係数（例：+0.04 %/℃）

特にVocの温度依存性は、低温時に電圧が上昇してインバータの許容DC電圧を超えないようにする上で重要です。

2-3. 直列枚数（ストリング長）の算出

直列枚数は、インバータの以下の仕様から決まります。

• 最大許容DC電圧（Vdc_max）（例：1100 V）
• MPPT動作電圧範囲（Vmppt_min〜Vmppt_max）（例：600〜1000 V）

1. 最大直列枚数（Nmax）の算出

低温時のVoc上昇を考慮し、

• 設計最低気温（例：−10 ℃）
• STC条件（25 ℃）からの温度差 ΔT = Tmin − 25 ℃

とすると、低温時のVocは：

[ Voc(Tmin) = Voc(STC) × [1 + αVoc × ΔT] ]

ここで αVoc は温度係数（−0.28 %/℃ = −0.0028/℃）とします。

例：

• Voc(STC) = 50.0 V
• Tmin = −10 ℃ → ΔT = −35 ℃

[ Voc(−10℃) ≒ 50.0 × [1 − 0.0028 × 35] ≒ 50.0 × 0.902 ≒ 45.1 V ]

実務では安全側に見て、規格上の最大Vocやメーカー推奨値を用いますが、ここでは概念説明として扱います。

最大直列枚数は：

[ N_{max} = \frac{Vdc_{max}}{Voc(Tmin)} ]

例：

[ N_{max} = \frac{1100}{45.1} ≒ 24枚 ]

実際には安全マージンを取り、22〜23枚程度に抑えるケースが多くなります。

2. 最小直列枚数（Nmin）の算出

高温時のVmp低下を考慮し、インバータのMPPT最小電圧を下回らないようにします。

• 設計最高気温（例：70 ℃：モジュールセル温度）
• ΔT = Tmax − 25 ℃

[ Vmp(Tmax) = Vmp(STC) × [1 + αVmp × ΔT] ]

例：

• Vmp(STC) = 42.0 V
• αVmp ≒ −0.0035/℃
• ΔT = 45 ℃

[ Vmp(70℃) ≒ 42.0 × [1 − 0.0035 × 45] ≒ 42.0 × 0.8425 ≒ 35.4 V ]

最小直列枚数は：

[ N_{min} = \frac{Vmppt_{min}}{Vmp(Tmax)} ]

例：

[ N_{min} = \frac{600}{35.4} ≒ 17枚 ]

この結果から、17〜22枚の範囲でストリング長を決定し、レイアウト条件・配線長・影の影響などを踏まえて最適な枚数を選定します。

2-4. 並列回路数と電流容量

並列回路数は、インバータのMPPT入力ごとの最大電流と、ストリングのIsc（温度補正後）から決まります。

• インバータMPPTあたり最大入力電流：例 26 A
• モジュールIsc（STC）：11.3 A
• 高温時のIsc増加を考慮し、1.1倍程度のマージンを見込む：

[ Isc(高温) ≒ 11.3 × 1.1 ≒ 12.4 A ]

MPPT1系統に接続できる並列ストリング数（Mmax）は：

[ M_{max} = \frac{I_{MPPT_max}}{Isc(高温)} = \frac{26}{12.4} ≒ 2並列 ]

この場合、1 MPPTあたり2ストリングまでが推奨上限となり、インバータ1台あたりの総ストリング数は、MPPT数×並列数で決まります。

2-5. 影・不均一条件への対応

商用施設では、空調室外機・パラペット・周辺建物・樹木などによる部分的な影が発生しやすく、ストリング設計に影響します。

• 影の発生パターンが異なるエリアを同一ストリングに含めない
• 異方位・異傾斜面のモジュールを同一MPPTに混在させない
• 影の影響が大きいエリアには、短いストリングや専用MPPTを割り当てる
• 大規模案件では、ストリングレベル監視を導入し、影・故障の早期検知を図る

これにより、1ストリングの出力低下が他ストリングに波及する影響を抑え、システム全体のPRを維持できます。

3. インバータ選定：効率・信頼性・制御機能のバランス

3-1. インバータ選定の評価軸

業務用PV向けインバータを選定する際の主な評価軸は以下の通りです。

1. 定格容量と入力条件

   • AC定格出力（kW）
   • 最大DC入力電力（DC/AC比）
   • 最大DC電圧・MPPT電圧範囲
   • MPPT数・入力回路数

2. 変換効率と部分負荷特性

   • 最大効率（例：98.7 %）
   • ヨーロピアン効率・加重効率

3. 保護・安全機能

   • DC/ACサージ保護（SPD Type IIなど）
   • 絶縁監視・漏電保護
   • 直流側ストリング監視・逆接続保護

4. 系統連系機能

   • 電圧・無効電力制御（Q(U)制御）
   • 周波数応答機能（FRT, LVRT）
   • 出力制御（出力抑制、リモート制御）

5. 設置環境・保守性

   • 保護等級（IP65/IP66など）
   • 動作温度範囲（例：−25〜60 ℃）
   • ファンレス構造の有無
   • 遠隔監視・通信インターフェース（Modbus, Ethernet, 4Gなど）

3-2. DC/AC比の最適化

商用PVでは、**DC/AC比（モジュール総容量 ÷ インバータAC定格出力）**を1.1〜1.4程度に設定するケースが一般的です。

• DC/AC比を高くすると：
  • 低照度時のインバータ動作時間が伸び、年間発電量が増加
  • ピーク時にはクリッピング損失が発生
• DC/AC比を低くすると：
  • ピーク時のクリッピング損失は減少
  • 低照度時の稼働時間が短くなり、年間発電量が減少

実務では、年間発電シミュレーションにより、クリッピング損失と設備コストのバランスを評価し、目標LCOEが最小となるDC/AC比を決定します。

3-3. ストリングインバータ vs. セントラルインバータ

中〜大規模の商用PVでは、主に以下の2方式が検討されます。

1. ストリングインバータ方式

   • 特徴：多数の中小容量インバータ（例：50〜250 kW）を分散配置
   • メリット：
     • 冗長性が高く、1台故障時の発電損失が限定的
     • 異方位・異傾斜や部分影への柔軟な対応
     • ストリングレベルの詳細な監視が可能
   • デメリット：
     • 機器点数が多く、初期配線工数が増える
     • 設置スペースが分散し、レイアウト検討が複雑

2. セントラルインバータ方式

   • 特徴：数百kW〜数MWクラスのインバータを集中的に設置
   • メリット：
     • 高い変換効率と低い単位容量あたりコスト
     • 集約された保守・点検
   • デメリット：
     • 1台故障時の発電損失が大きい
     • ストリングの不均一条件に弱い

商用ビル屋根や分散型自家消費案件では、ストリングインバータ方式が採用されることが多く、メガソーラーや大規模地上設置ではセントラル方式も依然有力です。

3-4. MPPT構成とレイアウト設計

インバータのMPPT数と入力構成は、ストリングレイアウトに直結します。

• 複数方位・異傾斜面を持つ屋根では、方位・傾斜ごとに別MPPTを割り当てる
• 影の影響が大きいエリアは、専用MPPTまたは別インバータに接続
• 大規模案件では、1インバータあたりのストリング数を標準化し、設計・施工の共通化を図る

例：

• 100 kWクラスのインバータ
  • MPPT数：10
  • MPPTあたり入力回路：2
  • 1ストリングあたり：モジュール20枚（450 W）
  • 1ストリング容量：9 kW

→ 1インバータあたり最大：20ストリング × 9 kW = 180 kW（DC） → DC/AC比：180/100 = 1.8（高めの設定、実務では制限や調整が必要）

このように、インバータの入力仕様とストリング構成を整合させることで、配線の単純化と施工ミスの低減が期待できます。

4. 実務での適用例：商業施設・工場・物流倉庫

4-1. 商業施設屋根（約500 kW）のケース

• 施設種別：ショッピングセンター
• 屋根形状：折板屋根、南向き一面＋一部東西面
• 目標：自家消費率の最大化、ピークカット

設計のポイント

• 南向きと東西向きで別MPPTを割り当て、発電カーブを平準化
• DC/AC比を1.2程度に設定し、朝夕の発電量を確保
• 100 kWクラスのストリングインバータを5台採用
• 影の出やすい機械室周辺は、短いストリング＋専用MPPTで影響を局所化

結果

• 年間PR：83〜85 %
• 契約電力のピークカット：15〜20 %
• インバータ単位の分散設置により、将来の増設・改修にも柔軟に対応可能

4-2. 工場屋根（約1 MW）のケース

• 施設種別：製造工場
• 屋根形状：複数棟・異方位・異傾斜
• 目標：LCOE最小化、O&M効率化

設計のポイント

• 棟ごとにインバータを分散配置し、配線長と電圧降下を最小化
• 250 kWクラスのインバータを4台採用、各インバータに同一条件のストリングを集約
• DC/AC比を1.3に設定し、年間発電量を最大化
• ストリング監視機能付きインバータを採用し、モジュール汚れ・故障の早期検知を実現

結果

• 年間発電量：シミュレーション比 98〜101 %で推移
• O&M：ストリング単位のアラームにより、保守出動回数を約30 %削減

4-3. 物流倉庫（約2 MW）のケース

• 施設種別：物流センター
• 屋根形状：広いフラット屋根、遮蔽物少
• 目標：高い設備利用率と長期安定運用

設計のポイント

• セントラルインバータとストリングインバータのハイブリッド構成を検討
• 影のない広いエリアはセントラルインバータで集約し、
• 端部や設備周辺など影リスクのあるエリアはストリングインバータで個別制御
• DC/AC比は、セントラル側1.25、ストリング側1.15に設定

結果

• 全体として高い変換効率と柔軟な影対策を両立
• インバータ故障時の影響範囲を限定しつつ、保守拠点を集約

5. 高性能システム設計に向けた実務チェックリスト

5-1. 設計段階でのチェックポイント

1. モジュール・インバータ仕様の整合

   • Voc・VmpとインバータVdc_max・MPPT範囲の整合
   • Iscとインバータ入力電流定格の整合
   • DC/AC比の妥当性（発電シミュレーションで検証）

2. 温度条件の考慮

   • 設計最低・最高気温の設定
   • Voc/Vmpの温度補正と安全マージン

3. レイアウト・影の評価

   • 方位・傾斜・影条件ごとにMPPTを分離
   • 影の大きいエリアのストリング長・構成を調整

4. 配線・保護設計

   • DC/ACケーブルの電圧降下（一般に2〜3 %以内）
   • 適切な遮断器・ヒューズ・SPDの選定
   • 接地方式・絶縁監視の構成

5. 運用・保守性

   • ストリング・インバータ単位での監視粒度
   • 遠隔監視システムとの連携（API/プロトコル）
   • 交換・点検時のアクセス性

5-2. 設計品質向上のための推奨事項

• 標準化された設計テンプレートを作成し、案件ごとの差異を明確化
• 発電シミュレーションツール（PVsyst等）と実測データの定期比較により、設計パラメータを継続的に改善
• O&M担当者を設計段階から参画させ、保守性と監視要件を事前に織り込む
• 系統連系要件や電力会社の運用ルールの更新を定期的に確認し、制御機能の将来拡張性を確保

---

まとめ

高性能な業務用太陽光発電システムを実現するには、単に高効率なモジュールやインバータを選ぶだけでは不十分です。ストリング設計とインバータ選定を中心に、温度条件・影条件・系統要件・O&M要件を統合的に考慮し、DC/AC比やMPPT構成を最適化することが求められます。

本稿で示した考え方と実務ポイントを設計プロセスに組み込むことで、長期にわたり安定した発電性能と高い設備利用率を維持しつつ、LCOEの低減とO&M効率化を両立した商用PVシステムの構築が可能になります。

---

SOLARTODOについて

SOLARTODOは、太陽光発電システム、エネルギー貯蔵製品、スマート街路灯・ソーラー街路灯、インテリジェントセキュリティ・IoT連携システム、送電鉄塔、通信タワー、スマート農業ソリューションを世界中のB2Bのお客様に提供するグローバル統合ソリューションプロバイダーです。