太陽光発電システムに必要なヒューズのサイズ

このブログ記事では、キャンピングカーのソーラーパネルを設計する際に、インラインヒューズを追加する必要があるかどうかを判断する方法をご紹介します。ソーラーパネルにヒューズを追加する必要がある場合と、そうでない場合があります。ヒューズの追加には様々な理由がありますが、最終的にはNEC（米国電気工事規程）が決定を下します。このブログ記事を読み終える頃には、ソーラーパネルに必要なヒューズのタイミング、設置場所、そしてサイズがわかるはずです。

太陽電池アレイの融合

国家電気工事規程の NEC 690.9 (A) (2020 版) では、この問題について非常に率直に述べており、次のように述べています (わかりやすくするために言い換えると):

パネルに規定された最大過電流保護装置定格を超える電流供給能力を持つ太陽光発電アレイ（太陽光パネルの並列接続）は、過電流から保護されなければならない。ただし、すべての電源からの短絡電流が、配線の電流容量およびPVモジュール銘板に規定された最大過電流保護装置定格を超えない場合は除く。

690.9 過電流保護。

(A) 回路及び機器。太陽光発電システムの直流回路及びインバータの出力導体及び機器は、過電流から保護されなければならない。690.8(A)(2)に従って容量が定められた回路は、過電流保護装置を用いて過電流から保護する必要がある。各回路は、690.9(A)(1)、(A)(2)、または(A)(3)に従って過電流から保護されなければならない。

（１）過電流保護が不要な回路

次の条件が両方とも満たされる場合、低電流保護装置は必要ありません。

（１）導体は最大回路電流に対して十分な電流容量を持っている。

（２）すべての電源からの電流が、PVモジュールまたは電子電力変換器に指定された最大過電流保護装置定格を超えない。

重要なポイント: これは、太陽電池アレイ全体の短絡電流が太陽電池パネルのラベルに記載されている最大直列ヒューズ定格よりも大きい場合、並列接続された各パネル (または直列ストリング) にヒューズを取り付ける必要があることを意味します。

つまり、ソーラー アレイにヒューズが必要かどうかを判断するには、次の 2 つの点が必要です。

• 太陽光発電システムの短絡電流。

• ソーラーパネルの最大直列ヒューズ定格。

これら 2 つの情報を基に、このインフォグラフィックの手順に従って、太陽光発電パネルにヒューズを使用する必要があるかどうかを判断します。

なぜ太陽電池アレイにヒューズを取り付ける必要があるのですか?

アレイの短絡電流がパネルの最大直列ヒューズ定格を超えているため、太陽光発電パネルにヒューズを取り付ける必要がある場合は、パネルまたは直列ストリングが結合される箇所にヒューズを取り付ける必要があります。これにより、パネルの故障による火災や過熱を防ぐことができます。ヒューズが取り付けられていないアレイでは、パネル内部で何らかの理由で短絡が発生した場合、以下のような事態が発生します。

パネル3に内部ショートや何らかの故障が発生した場合、パネル1と2は抵抗が最も少ない経路（ショート発生点）を探して回路を完結させます。つまり、パネル3には20.4Aが流れ、パネル3からの10.2Aと合わせて、ショート部分で30.6Aが流れる可能性があります。これはパネルの最大電流定格を15A以上上回り、パネルの設計許容電流を超えています。

さて…各ソーラーパネルから MC4 コンバイナーに接続する各プラス線にヒューズが取り付けられていたらどうなるでしょうか?

パネル3に内部短絡や何らかの故障が発生した場合、パネル1と2は抵抗が最も少ない経路（短絡箇所）を探して回路を完結させます。つまり、パネル3には20.4Aの電流が流れますが、パネル3の回路を保護する15Aのヒューズが設置されているため、このヒューズが切れ、問題のあるパネルを短絡状態から隔離し、その短絡状態はパネルの最大短絡パラメータの範囲内になります。

そのため、コードにより、このアレイにはヒューズが必要です。

なぜ太陽電池アレイにヒューズを取り付ける必要がないのでしょうか?

太陽電池アレイの短絡電流が太陽電池パネルの最大直列ヒューズ定格よりも小さい場合、アレイにヒューズを取り付ける必要はありません。このタイプのアレイにヒューズを取り付けることで、追加の保護や利点は得られません。その理由は次のとおりです。

上の図は、200Wパネル3枚を直列に接続した例です。各ソーラーパネルの短絡電流は10.2A、動作電流は9.8A、最大直列ヒューズ定格は15Aです。

最大直列ヒューズ定格は 15A なので、実際のソーラー パネルのワイヤ、ダイオード、コネクタ、およびその他の内部コンポーネントは最大 15A を処理できることがわかります。

太陽電池パネルの 1 つに短絡やその他の故障が発生した場合、アレイの短絡電流は 10.2A であるため、短絡電流がパネルの最大ヒューズ定格を超えることはなく、パネル自体はこの短絡事象に対処するように設計されていると言っても過言ではありません。

さて…「安全のために」ヒューズを追加したいだけの場合はどうすればよいでしょうか。

結局のところ…何も起こりません… 短絡が発生した場合、10.2Aが流れます。通常動作では9.8Aが流れます。確かに10Aのヒューズはこれら2つの値の間にあるでしょうが、どちらの方向でも0.2アンペアの差は、次のいずれかになります。

• ヒューズが切れないようにしてください。

• 通常の動作条件下で、ヒューズが常に不用意に切れるようにします。

このため、このシナリオではコード上、ヒューズは必要ありません。

電気コードと現実世界の矛盾

現実世界で起こることと、電気工事規定で要求されていることとの間に、矛盾が生じることがあります。そのような場合は、必ず電気工事規定を遵守してください。電気工事規定は、やや保守的な場合もありますが、それには理由があります。

これは、ヒューズのメリットはないが、電気コードによればヒューズが必要となるセットアップの例です。

このシナリオでは、アレイの短絡電流 20.4 が、使用されているパネルの最大直列ヒューズ定格 15A より大きいため、このアレイではヒューズの使用が実際に必要になります。

パネル2に内部故障が発生した場合、パネル1で発電された電力は抵抗が最も少ない経路を探してパネル2に流れ込みます。つまり、故障が発生したパネルの領域には、20.2アンペアの電流が流れる可能性があります。

適切な場所に 15A のヒューズがありますが、パネル #1 からパネル #2 に流れる電流は、どちらのヒューズも溶断させるのに十分ではありません。

これは理想的ではありませんが、2枚のパネルまたは2つの直列ストリングを並列で使用する場合、ほぼ避けられません。また、この設定は米国電気工事規定で禁止されていないため、ただ座って「大丈夫」と言うしかありません。もし大丈夫でなかったら、電気工事規定や規格で何か規定されているはずです。

キャンピングカーのソーラーパネルのヒューズ – 最終的な考察

ソーラーパネルの故障は非常に稀です。ほとんどのソーラーパネルにはダイオードが内蔵されており、上記のようなシナリオのほとんどは発生しません。ダイオードの1つが故障したり、パネルに何らかの不具合が生じたりした場合に備えて、冗長性を確保するためにヒューズが必要です。ソーラーパネル自体はそれほど複雑な構造ではありません。基本的には、ダイオードと配線に接続されたラミネートガラスの間に、シリコンセルを多数溶接しただけのものです。セルが1つ焼損しても、通常はパネルは正常に動作します。しかし…米国電気工事規程（National Electric Code）ではアレイのヒューズ設置について明確な規定があるため、高級キャンピングカーの電気システムを設計・構築する際には、この規定に従うべきです。