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農水省「一時転用」以前の準備状況

「ソーラーシェアリングを推進する会」の「第一期実用試験参加者」7人の一人として出力12キロワットの太陽光発電設備を作ることにしました。農家が田畑で太陽光発電ができ、採算がとれることを示すことが目的です。この発電量では全量買取が適用されますので設備費回収に必要な年数が余剰電力買取の場合より短くなります。ソーラーパネルとパワーコンディショナーは実用試験参加者の共同購入によってできるだけ安く入手します。架台は足場用単管を買って自力で組み立て、経費を節減します。総経費300万円を達成すると1キロワットあたり25万円になります。

豪雪地帯では積雪より高い位置にパネルを置けばパネルは雪に埋まりません。冬に農作物はありませんから、太陽高度の低さに合わせて(太陽光パネルを大きく傾けて)パネルでの受光比を最大にできるばかりか、パネルに降った雪がパネルから簡単に滑り落ちるようにできます。NEDOの日照量データベース閲覧システムによりますと、山形では角度固定の場合の最適傾きは28.6度ですが、最適傾きは6月の3.2度から1月の61.6度まで大きく変化します。年間の最適傾斜に固定した場合の平均日照量は3.68 kWh/m2ですが、毎月の最適傾斜角に調整した場合の平均日照量は3.84 kWh/m2に増えることになります。雪の多い12〜3月で50度に、それ以外の期間で20度にしておくだけでも最適傾斜で固定する場合よりも少しだけ有利になりです。

私の所有する日照のよい水田や転作畑は広さが十分取れるのですが、200ボルト送電線から離れているために電柱の新設の費用を負担しなければなりません。日本の農地の大部分は水田ですから稲と太陽光パネルとのソーラーシェアリングの実証をしたかったのですが、とりあえず断念せざるを得ません。ここでは豪雪地帯でのソーラーシェアリングを主目的にします。

架台構造とパネルの配置(当初案)



ソーラーパネル配置の平面図(上)と側面図(下) 北は右側になる

家西隣の台地にある畑は日当たりのよくない北下がり斜面を含めて400平方メートルの広さがあります。大部分がサツマイモ畑で一部がトウモロコシと大豆畑となっていました。水平方向(梁)には5メートル、上下方向(柱)には3メートルの長さの足場用単管を使ってパネル用の架台を作ります。柱となる単管は農作業の都合を考えてこの長さにしました。この柱は地中に50センチ程度埋められます。梁となる横方向の単管を組み合わせるクランプのスペースが必要ですので単管の両端に重複部分を取ります。柱埋設位置の精度がどの程度になるか経験がなかったので安全のために10センチを確保して、柱中心の間隔を4.9メートルとしました。図のように正方形の1辺の長さは単管の長さより少しだけ短いことが分かります。こうして1辺が4.9メートルの正方形が10区画得られ、柱の内側の広さは東西9.8メートル、南北24.5ートルの240平方メートルになります。各正方形に太陽光パネルを12枚配置します。3枚のパネルを固定した単管4本に分散させます。今回採用した単管クランプの他に単管を穴に差込んでボルトで押さえつけるタイプの金具もあります。その場合には柱の内側の間隔が単管の長さになり、広い面積をカバーできますが、非常に精度のよい柱の間隔が要求されるばかりでなくクランプよりも強度が劣りますので勧められません。

パネルの影は柱の内側だけでなく南側を除く3方向の外側にもできます。逆に南の端では真上にパネルがあっても太陽光が差し込みます。朝夕には東西の端でも光が入るでしょう。このように四方全てが遮光の明確な境界をもたないことになりますので、柱の少し外側でも作物の成長を管理する必要があります。


架台組立て

架台建設にかかった材料費(太陽光パネル固定部分を除く)
部  品単 価数 量金  額用   途
1メートル単管   540 24 12960東西方向筋交い
2メートル単管   948 30 28440南北方向筋交い
3メートル単管  1280 18 23040
5メートル単管  2090 67140030梁、パネル回転軸
クランプ付きベース 798 18 14369柱を地中で固定
直交クランプ    155 98 15190梁を固定
自在クランプ    155108 16740筋交いを固定
3連クランプ    498 18  8964梁を固定
単管キャップ     43250 10750単管の端をカバー
合計              270483   

架台に組み込まれた部品の量と経費の確定値を右の表に示します。パネルを回転単管に取り付ける費用は「太陽光パネル取付け」の所で算定します。

単管は山形県に展開しているホームセンター「ジョイ」で購入しました。ジョイで大きな物を買うと運搬用のトラックを1時間無料で借り出すことができます。自分で運ばない場合、量によらず、1回630円で配達してもらえます。2万円以上の買い物をすると配達が無料になります。コメリではクランプ等の小さな物を買いました。

四角い穴を地下30センチまで掘り、さらにバールと水田稲杭用穴あけ器で単管用の穴を地下50センチまで開け、単管を埋めてから写真のように四角い穴の底に置いた「クランプ付きベース」のクランプで単管を締め付けました。単管の柱に加重がかかっても沈みが小さい上に引き抜きの力にも耐える強度も大きいと思います。バールで穴を開けるときに大きな石と出会うことがありました。石を除去すると大きな穴ができますのでベースが地下40センチに置かれた場合もあります。この狭さと深さではツルハシは通用しません。クランプ付きベースはジョイでしか手に入らないようです。ジョイで入荷元を聞きましたが、教えられないとのことでした。このベースを使いたい方は地元のホームセンターなどにここをクリックして表示される写真を見せて取り寄せてください。その後、2人の方からホームセンターで見つけたという情報が入りました。しかしそれは農業用パイプ規格(直径42.7ミリ)で、足場用パイプ(直径48.6ミリ)とは違うので注意が必要です。

組立作業は2012年8月1日に始めて9月19日に終了しました。写真は南から北に向かって撮ったものです。写真をクリックすると拡大されます。畑全体に弱い傾斜がありますが、架台のパネル位置は水平にしました。このために梁の地面からの高さは一定ではありません。北東の角で梁の上に出る柱の高さは短くなります。このことは水準器を使って梁の水平性を調節して認識しました。見栄えが悪くなりましたが、見栄えよりも強度が重要です。梁の高さは耕運機作業のし易さと地面傾斜を考慮して決めました。筋交いの長さは南北方向では2メートルであるのに対して東西方向では1メートルと短くしています。これは耕運機が南北に動きやすくするためです。

単管は外径48.6ミリ、肉厚1.8ミリのものを使いました。梁の5メートル単管が自重で予想以上大きくたわみました。単管の重量は10キロです。ジョイやコメリで売っていた48.6ミリ単管はすべて1.8ミリ肉厚でした。肉厚2.4ミリのパイプをネットで買えばよかったと思いました。たわみ計算プログラムを使ってたわみを計算すると9.4ミリとなりました。実際のたわみもこのようなものでした。参考のために2.4ミリで計算すると9.6ミリともっとたわみが大きくなります。これも意外でした。太くすると自重が大きくなる効果が大きいのですね。24キロのパネルを載せるともっとたわみますが、思ったほどは増えません。肉厚の効果が効いてたわみが逆転します(肉厚1.8ミリで11.7ミリ、2.4ミリで11.4ミリ)。肉厚1.8ミリで問題なかったようです。

足元にはサツマイモが植えられています。サツマイモ収穫後、梁までの高さを基準にして畑の傾斜を修正します。サツマイモ畑の畝は東西方向に作られていますが架台の下の畝は南北方向に作り直します。

架台の東側にある柿による日照への影響が懸念されます。今年の柿の収穫の後、大規模な剪定を予定しています。


模擬パネル取付け実験

2012年9月23日、解体前の架台の単管に模擬パネルを一人で取り付ける実験に成功しました。

バーベキュー用の天板を裏返しにして模擬パネルとしました。幅や長さはパネルと違いますが、模擬パネルとして十分機能する大きさです。天板の側面はパネルに付いているフレームの厚さより高いので、実物より厳しい条件での実験になります。天板の重量は5.2キロなので2リットルペットボトル2つに水を入れて天板に紐で縛り付けました。総重量は9.2キロで太陽光パネルの重量8キロを十分超える厳しい条件で実験しました。



荷重支え紐として、セロファン紐を2本単管と直角方向に隣の単管に縛りました。縛るだけでは紐の張力が適正ではないので、紐の端を縛らずこの写真のようにコンクリートブロックの穴を通して2本の間を縛り、ブロックの重量がかかるように吊り下げました。このようにブロックの重量を利用すると張力が一定になるので作業が楽です。



端から2番目の位置に模擬パネルを置きました。所定の位置に置く前に紐だけの位置に安全に仮置きすることもできたので作業が楽になりました。



端の単管に模擬パネルを移動しました。左隣の単管はパネル固定用ではないために高さが同じではありませんので、紐が斜めになり、パネルが傾きます。私の架台の場合にはこの程度の傾きでした。



その位置で天板の取手を利用して模擬パネルを単管に細い紐で縛りつけました。さらに荷重支え紐を外しました。この支え紐は天板と単管との隙間にあったので天板を強く締め付けても挟まれません。簡単に引き抜くことができました。雨が降ってきたので左手で模擬パネルを支えながら右手で紐を解いて模擬パネルを撤去しました。これで無事に実験を終了しました。物置で天板に目をつけてから1時間程度の文字通り朝飯前の作業でした。



今回の実験では5メートル程度の紐を使ったので、紐設置1回で2箇所で模擬パネルの設置に対応することができました。もっと長ければ紐設置回数を減らすことができます。途中の単管では紐を縛らずに1回巻きつけるだけです。紐に張力をかけるために紐の端を強く縛るよりはコンクリートブロックなどの適当な錘をぶら下げる方が便利でした。紐は1本だけでなく2本必要です。雨で濡れそうだったのでセロファン紐にしました。他の紐でも藁縄でも強度さえあればよいと思います。この実験の成功で、特別の取り付け金具に限定することなく、また特別の治具を作ることもなく、安全に一人で太陽光パネルを単管に取り付ける見通しが立ちました。

架台撤去

ソーラーシェアリングを農地で転用せずに行うには農業委員会の許可が必要です。農業委員会は農水省の基準に従って許可判断をすることになりますが、ソーラーシェアリングについてはまだ基準を持っていません。農業委員会独自の判断で許可を出した自治体もありましたが、事例が増えてきたために、農水省として年内に基準を定める動きがあるとのことです。その基準を待たずに架台を作ったことに対して農水省からフライングという指摘がありましたので2012年10月10・11日に撤去しました。合計5時間11分の作業でした。


 作業開始前の状態です。

 作業終了時の状態です。

 取り外した機材です。ビニールシートにはクランプ類が包まれています。


架台のその後

10月10・11日に撤去した後、敷地の傾斜を平らにし、さらに東西に20センチ、南北に50センチ敷地を広げる作業を行いました。元の畑は北端で西側が東側より50センチくらい高い傾斜がありました。西側の土を削って東側に移動しました。写真は南から北に向かって撮ったものです。西側では削り残した所が水田の畦のように見えます。東側では土を盛らない所との段差ができました。西側の土の層が薄くなったので耕運機をかけて石を掘り出しました。その石を集めたものが手前に見えます。



写真は集めた石を東側の端に埋める直前のものです。撮影後に土を被せて全体を平らにしました。土を盛らない所との段差ができました。これで東西9.8メートル南北24.5メートルの敷地が整備されました。



雪対策

雪止め無し(1階)雪止め有り(2階)

左の写真は私の家の1階部分の屋根から垂れた雪を窓から写したものです。一晩でこの程度の雪が降ることは珍しくありません。この部分の屋根には雪止めがないのですが、急傾斜でないために、夜間は滑り落ちることなく屋根にたまります。日中の暖かさや屋内での暖房があれば少しずつずれてきて屋根に垂れ下がり、やがて雪崩となって地上に落下します。この雪崩の起こりやすさは屋根の塗装の新しさ、濡れ具合など表面の状態にも依存します。横向きになっている氷柱(つらら)が見えますが、氷柱の成長中に雪が曲がりながら伸びていることを示しています。氷柱の成長が大きくて、窓ガラスに押し付けられることもあります。この場所は家の裏側で出入り口もないので落雪時の危険はありません。軒下にたまった雪が窓より高くなると窓ガラスを割られないように排雪します。

右の写真は2階部分の屋根の雪です。2階の雪が自然落下し1階屋根で止まらず地上まで一気に落ちると危険なので、雪止めが屋根端から1メートルくらい上に付けられています。積雪初期に雪止めより下の部分が上の雪と繋がる前に落下することがありますが、量が少ないことと1階の屋根で食い止められるのでそれ程危険ではありません。殆どの場合は上の雪と繋がって積雪が成長して写真のように雪庇を形成していきます。新雪は軽いのに対して、冬の間積もっていた雪は圧縮され重く硬くなります。着雪しにくいプラスチック製雪スコップは通用しません。1メートルも積もれば屋根にかかる重量は10トンを超えます。雪の重みで屋内の引き戸が動きにくくなります。雪の荷重で家が潰れる前に雪を下ろす必要があります。雪下ろしは非常に危険な作業です。屋根からせり出している雪庇に地上から長い梯子をかけ、2階窓からロープで梯子が外れないよう締め付けながら、梯子が屋根に届くまで、梯子を支えている雪庇を削っていきます。鉄スコップは着雪しやすいのでアルミスコップを使います。写真のように梯子が屋根に届いた後も、梯子に体重をかけたままで雪止めの上に移れるまで片手で雪を削ります。決して雪止めより下に体重をかけません。雪が多い年には2回以上雪下ろしをしますが、10年に1度くらい雪が少なく雪下ろしをしないで済むことがあります。

一方、近所には2階屋根に雪止めを付けず、30度程度の急傾斜にして自然落雪させ、危険な雪下ろし作業を不必要にする屋根もあります。自然落雪するまで積もる量は屋根の傾斜と気象条件に依存します。傾斜30度というスキー場ゲレンデは上級向けの傾斜地に属しますが、降雪が雪崩を起さず積もっていきます。屋根でも降雪は日照や屋根下からの熱で雪が緩むまで蓄積します。雪が落ちるところに出入り口やガラス戸があれば軒下に頑丈なカバーを毎冬つけて落雪による被害を避ける必要があります。

雪下ろしをした雪でも自然落下した雪でも軒下で家の窓よりも高く積りますので、窓ガラスが破壊される前にさらに排雪する必要があります。山形では屋根からの落雪による犠牲者も、雪下ろし作業中の転落による犠牲者も、どちらも毎年発生します。自然落雪を防止するか、促すか、どちらも一長一短で、私の近所では緩い傾斜の屋根と急傾斜の屋根とが混在しています。

近所の雪止め無しで急傾斜の屋根の角度に合わせてパネルの傾斜角度を30度としてみました。パネルに積雪した後に日照によって暖められて自然落下することを期待しますが、日照が毎日あることを期待できない条件で自然落雪するまでの積雪荷重に太陽光パネル固定部分が耐える必要があります。


雪国仕様の角度固定架台とパネル配置(修正案)

ソーラーシェアリングで多用されている傾斜角可変架台の利点は遮光率が調整できる点と水平にすれば強風の影響を軽減できる点にあります。雪国ではさらに傾斜を大きくしてパネルへの着雪防止に利用できるという点が追加されます。この「角度可変」は1本の単管にパネルの短辺の2点を固定して単管の回転によって実現されるものでした。しかし頻繁に傾斜を変えるとクランプの不十分な締め付けのためにパネルが回転してしまう事故の可能性が高まります。

また天候の急変に常時対応できるとは限りません。安心して長期の外出をすることができなくなります。また吹雪が予想される時に風対策をとるか雪対策をとるか難しい選択をしなければなりません。選択を誤った場合に傾斜を変更する時間はありません。 ソーラーシェアリング坪井第一発電所では発電効率を少し犠牲にして通常の傾斜角よりかなり小さい15度で固定していました。積雪には脆弱ですが雪国ではないので風対策を重視した角度です。それでも風でパネルが単管の周りに回される事故が発生しました。山形ではパネルに積雪することを防ぐためにもっと大きな傾斜角が要求され、雪対策をすれば風耐性は犠牲になります。 単管1本では、回転式でも非回転式でも、暴風と積雪の両方に対応することは難しいようです。山形の中山間地での降雪量は山形市街地の2倍くらいあります。安全のために単管を2本として4点で固定することにしました。そのために下のような資材の追加が必要になりましたが、回転に対する耐性は飛躍的に強化され、メンテナンスフリーになります。

架台単管増による追加部分
部  品単 価数 量金  額購 入 先 リ ン ク 等
5メートル単管  2090     55114950 
2メートル単管   948     30 28440 
3連クランプ    498     42 20916 
直交クランプ    155     86 13330 
合計                  177636 




ソーラーパネル配置の平面図(上)と側面図(下) 北は右側になります


地表での日照量の均一性を高めるためにパネルを南北に長く配置するように架台を組み立てました。この場合には両端の高低差もパネルを取り付ける単管の高低差も大きくなります。影が北隣のパネルにかからないように南北隣を交互に東西方向にずらすことにしていましたが、朝夕には斜め隣のパネルに影を作ることに気づいたので東西方向にパネルが長く置くように変更しました。単管の高低差が小さくなったので、2メートル単管の筋交いは上段と下段とで共通にして28440円を節約できるかも知れません。すでに組み立てた架台から取り除いても経費節約にはならないので試みていません。もう一度作ることがあれば思い出すことにします。


パネルを単管に固定する方法

2本の単管の2箇所ずつの4箇所でパネルを固定する方が1本だけの単管に2箇所で固定するより遥かに簡単に単管の周りの回転を抑制できます。単管の数が一挙に増えてしまいますが、メガソーラーと同程度の強度が得られることになります。

左の図はパネル短辺に垂直な断面、右の図は単管中心軸に垂直な断面図を示します。黄色に着色した部分がパネルのフレーム、ピンクが太陽電池を示します。図には表示していませんが、絶縁シートをアルミと鉄との間に挟みます。ターミナルボックスはこの図の範囲にはありませんので邪魔になりません。内径6ミリのワッシャーは金属用では外径13ミリしかありませんが、木材用として外径22ミリのものが「木用座金」として市販されています。外径の大きいワッシャーを使うのでパネルフレーム内側の補強材は不要です。自分で加工するのはパネルに固定用の穴をドリルで開ける部分だけです。1本の単管パイプにパネルを固定する標準の「長島式」固定法と比べて作業量も経費も大幅に削減できています。

パネル固定に必要な材料費(見込)
部  品単 価数 量金  額購 入 先 リ ン ク 等
6ミリU字ボルト     32    480 15360ここをクリック 6ミリU字ボルト、ナット付き
木用M6座金1401/480 480  1401外径22ミリ、厚さ1.6ミリ、クロメート、単価7円(3円程度まで割引)
ビニールテープ   58   2    1161巻きで幅19ミリ長さ10メートル
合計                       16877 

ビニールテープはパネルフレーム底面の単管と接する場所に貼り付けます。単管にパネルを固定する方法としては最も安価になりますが、架台単管の数を増やすので全体では最も高価になります。しかし、最も強固な固定方法になります。



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