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ソーラー蓄電システム バッテリーの基礎知識

バッテリー電圧とソーラー発電システム

独立系のソーラー発電システム(オフグリッド・ソーラー)では、ソーラー発電をしながらインバーターでAC100V負荷をかけることができますが、100V商用電源から入力を得る「バッテリー充電器」では、充電器の出力値以上の負荷をかけることはできません。

また、独立系のソーラー発電システムでは、関連使用機器となる「ソーラーパネル」「チャージコントローラー」「DC−ACインバーター」や、時にはコントローラーの負荷接続端子から取るLED照明など、電源元となる「バッテリー電圧」は大変に密接な関係を持っています。

独立系ソーラー発電システムの関連使用機器

当ページでは、まずは序章として「バッテリー電圧」と周辺機器との関連性について、知っておくべき注意ポイントをまとめたいと思います。

※ここでは、12V鉛シールドバッテリー1個を基本として解説いたしますが、24Vでご使用の方は数値を「2倍」、48Vの方は「4倍」として読んでください。

そもそもバッテリー電圧は何Vなの?

結論から先に言いますと、12V鉛シールドバッテリーでは、満充電時の電圧は「13V〜13.5V」程度あります。もちろんバッテリーの劣化が進んだものはこの限りではありませんが、この数値に達していない場合は、そもそも満充電になっていない、フロート充電時間が十分でない可能性があります。

満充電状態のバッテリー電圧

上記電圧の計測は、充電が終わってから1時間以上を経過してから行います。この項では、バッテリーの満充電電圧は「12V」ではないことを理解してください。

チャージコントローラーは何Vで充電しているの?

開発メーカーにより、その充電仕様値は若干異なりますが、それはその充電ステージの回路上の考え方、開発メーカーのエンジニアの考え方、その国の気候条件などさまざまな要因により変わっています。

ここでは、一般的なチャージコントローラーの充電ステージを「バルク充電」「アブソーブ充電」「フロート充電」の3段階として解説します。各充電電圧値は以下となります。

バルク充電 14.2V〜14.5V ※電流値は「最大」
アブソーブ充電 14.3V〜14.7V ※電流値は「小容量から微弱」
フロート充電 13.6V〜13.7V ※電流値は「微弱」

何となくお気付きと思いますが、最後の充電ステージとなる「フロート充電電圧」の数値と充電完了後1時間の電圧値がほぼ同じ(13.5V)です。

バッテリーは、最大で14.5V(もちろんここでは、鉛シールドの話です)、最小でも13.6Vで充電されていることがわかりました。

バッテリー電圧と充電状態

当店には、大変多くのバッテリー電圧に関するご相談、ご質問が届きますが、最も多いのがこのバッテリー電圧と充電状態(放電深度)の関係です。

※鉛シールドタイプの数値です。

13.0V以上 満充電〜5%
12.8V以上 10%〜5%
12.5V 20%〜10%
12.3V 30%〜20%
12.0V 50%〜30%
11.5V 60%〜50%
11.0V 70%〜60%
10.5V 80%〜(インバーター遮断開始電圧)

ところが、ここで大きな問題があります。

実は、お客様ご自身は何となくわかっていますが、バッテリーの劣化度(ショート事故の履歴を含む)に関しましては、使用年数だけではなんとも判断することができずお答えができないのです。

以下、簡単にバッテリーが劣化する(劣化の進行を早める)要因を列記してみます。

短絡(ショート)事故(※アークではありません)

これが最もダメな劣化原因です。劣化というより重過失による破損となります。内部の電極を損傷させてしまえば、バッテリーは廃棄する以外ありません。

また、バッテリー端子を露出させた状態で水をかけたり、防塵のつもりか新聞紙を乗せて湿気を持ってしまったり、黒色系の炭素素材を含むゴムを絶縁材のつもりでかぶせておいたりと、わずかながらでもショート状態を知らずのうちに作り出してしまっていることもあります。

1/2C(2分の1C)以上による充放電の繰り返し

バッテリーの仕様書を見ると、よく「20時間率容量」とか「5時間率容量」という記載があります。

主に、シールドバッテリーでは「20時間率容量」で「何アンペア」(A)と書かれていますが、20時間率容量は「1/20C」となります。すなわち、12V、100Ahのバッテリーであれば、12V×100Ah=1,200Whとなりますので、この容量のすべてを20時間で使い切る放電容量となりますので、

1,200Wh÷20時間=60W

60Wの消費電力を持つ電気製品なら20時間分蓄電されていますよ・・という意味になります。もちろん、バッテリーは完全に「空」になるまで使えません。

要するに、たった60Wまでしか使えないのではなく、60W消費を基準にしてバッテリー容量を定めているわけですが、何となくお分かりのようにもっと大きな放電をすれば、実際に使える容量は間違いなく減るわけです。

戻りますと、「1/2C」とは上記1,200Whバッテリーで言えば600W消費電力に相当しますので、この数値の繰り返しの充放電はバッテリーを酷使しているものと理解して欲しいのです。

同じ鉛バッテリーでも、大きな充放電に強いタイプ(EBバッテリー:液式非密閉型)もありますので、そんな使い方をする場合はこちらを選択するべきでしょう。

チャージコントローラーとバッテリー電圧

おそらく、最もわかりにくいのがチャージコントローラーとバッテリー電圧の関係ではないでしょうか?

高機能なチャージコントローラーでは、負荷接続端子の出力電圧の上限値と下限値を任意設定できますが、これは充電電圧値を任意設定できるという意味ではありません。(とても誤解している方が多いので記載しました)

格安のPWM制御のコントローラーとMPPT制御のコントローラーにかかわらず、現在販売されているコントローラーは、大変賢い機能をたくさん持っています。以下列記してみます。

  1. 過入力保護回路
  2. 過充電保護回路
  3. 逆流防止保護回路
  4. 逆接保護回路

保護回路だけでも、こんなにたくさん付いています。

  1. 2段階〜5段階までの充電ステージ
  2. 最大電力点追従機能(MPPTの場合)
  3. 日没、日の出検知機能によるライティングコントロール機能
  4. その他メーカー別の特徴的な充電アルゴリズム

などです。

ソーラー発電用のチャージコントローラーをよく知る自動車修理工場などでは、わざわざこのコントローラーを使って、お客様の車検時のバッテリーメンテナンスに使用しているとも聞きます。

実は、この項で最も重要なのは「5」の充電ステージの考え方であり、いずれもメーカーでもこの数値(アルゴリズム)を重要視しています。

すなわち、バッテリーをいかに長持ちさせる充電方法を採れるか・・・ということに尽きるのです。

最後になりましたが、バッテリー電圧とチャージコントローラー関係キーポイントを以下列記しておきます。

  1. バルク充電中は、必ずバッテリー電圧より「0.1V〜0.3V」程度高い電圧で充電している
  2. 高性能といわれるコントローラーほど、バッテリーの電圧監視頻度が高い
  3. バッテリー(鉛シールド)に問題があり高電圧(15V以上)なった場合、充電を停止する
  4. 満充電に一旦なったとしても、コントローラーの自己消費分、自然放電分は必ずコントローラーが検知して適切な充電ステージで充電する
  5. バッテリーが低電圧(ほとんどのコントローラーは9.5V〜10.0V)になったら、コントローラー自身の電源確保のため一切の出力を遮断する

こんなところでしょうか?

インバーターとバッテリー電圧

インバーターとバッテリー電圧に関しましては、別のページで詳細に解説する予定となっておりますので、ここでは簡単にまとめておきます。

  1. バッテリーは大容量の放電を行うと電圧降下を大きく起こし、見かけは50%程度の放電深度(電圧値)であっても、インバーター側の低電圧遮断保護回路が働き動作しないことがある。(劣化したバッテリーも同様です)
  2. バッテリーの故障(損傷)等で15V以上の高い電圧を検知すると、上記同様にインバーター側では過入力保護回路が働き動作しなくなる。
  3. インバーターと使用機器までのケーブルを長く用いると、機器自身が要求する以上の電力をインバーター側に求めることになり、この場合でもインバーター側の過負荷保護回路が働き動作しなくなる。

※本件に関連するご質問でとても多いのは、「インバーターから100V以上出力している」というものと、逆に「インバーターから95Vしか出力していない」というものです。

基本的に格安のインバーターでは、出力安定化回路を持っていないため、100Vより若干高く設定しています。これも、長いケーブルを引き回す方に向けた「保護回路」なのです。

後者に関しては、間違いなくバッテリーの電圧が低くなって、その上で長いケーブルを引き回している方々のことです。

特に、劣化したバッテリーで1/3C程度の出力を得られないと、インバーター故障の苦情を述べ立てる方が多いので、この項は別途大きく紙面を割いて解説の予定です。

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