オフグリッド太陽光発電向けパワーエレクトロニクスソリューション
米国国立再生可能エネルギー研究所(NREL)の計算によると、2010年の太陽光発電システムの設置コストは1W当たり7ドル強でした。
SolarBuzzの調査結果は、システム価格が1kWh当たり15.50ドルに推移している事を示しています。
これは太陽電池、蓄電装置、充電器、インバータを含むシステム全体の価格です。
システム価格が低下した事により、これまで非現実的だったアプリケーションが実現可能となってきました。
本稿ではパワーエレクトロニクスシステムに焦点を当て、オフグリッド太陽光発電システムを設計する際に留意すべき主な利点とトレードオフについて取り上げます。
ここでは、システムレベルの問を題解する簡単な方法を用います。
すなわち、最初に最終アプリケーションの要件を把握し、そこからシステム全体を確認し、定義を行い、サイズを決めていきます。
負荷としてはほぼあらゆるものが可能ですが、オフグリッドアプリケーションにはオフグリッドであるそれなりの理由があります。
工事現場の標識や警告灯など、移動可能である事が条件です。
そのような場合にはオフグリッドである事が必要です。
この他、携帯電話の基地局や遠隔ポンプ所のように遠隔地に設置されるアプリケーションにも使います。
まず、オフグリッドのソーラー駆動ソリューション開発で考慮すべき項目を確認しましょう。
図1はシステムブロック図です。
エネルギ収支の観点から、種類や経時変化も含めて負荷を把握する事が重要です。
まず負荷の種類と、特殊な要件があればその内容を確認します。
定負荷か、可変負荷か。
負荷がかかるのは日中か、夜間か。
かかり方は間欠的か、常時か。
負荷の種類と挙動を把握する事で、システムの実装方法が決まります。
例えば、工事現場の警告灯は夜間のみ点滅させる一定幅のパルス負荷です。
従って昼間に充電し、夜間稼働させられるサイズのバッテリを実装すれば良いのです。
標識もパルス負荷ですが、昼夜を通して稼働します。
そのため、昼間稼働させながら夜間動作に必要な分バッテリを充電できる容量のシステムが必要です。
ポンプも昼夜を通して動作しますが、負荷は変化します。
ポンプの場合は最悪条件に対応できる容量のシステムとするか、最悪条件時に稼働させるバックアップシステムが必要です。
例えば雨水ポンプ所の場合、降雨時には太陽光でバッテリを充電できないため、オフグリッドソーラーアプリケーションには不適当です。
図2に、上記で検討した負荷の種類を示します。
負荷の大きさと頻度から得られる平均負荷と挙動について把握する事が重要です。
負荷と動作条件を把握すれば、蓄電要件は簡単に決まります。
太陽は毎日昇るため、24時間周期の簡単なエネルギー収支を把握すれば、基本となる蓄電要件を求められます。
図3に、動作条件を示します。
蓄電容量はこの表の左側を参考にして求めます。
負荷には、警告灯のように把握しやすいものから、ポンプ所のように変動幅が大きいものまであります。
可変の負荷を扱う場合、次の2つのケースについて検討すべきです。
1つ目は「通常の」動作条件です。
全動作の95%がこれに該当します。
蓄電部の容量は、日中に充電して夜間に負荷を駆動できるように決めます。
2つ目は通常動作の最悪条件です。
これは残りの5%が該当します(ポンプは日没時に運転を始め、夜間を通して全負荷で稼働します)。
