ソーラーモニタリングステーション あらゆる規模のプロジェクトに合わせて構成可能

太陽放射

太陽光発電設備でどれだけの電気エネルギーを生成できるかを判断する際に最も重要な要素は、入射放射照度がどれだけあるか、そしてそれが毎日および季節的にどのように変化するかです。入射放射照度の測定に使用されるセンサは、全天日射計です。全天日射計は国際標準化機構 (ISO) 規格 9060 によって分類されており、この規格を参照することで、アプリケーションに適した全天日射計を選択するのに役立ちます。国際電気標準会議 (IEC) 規格 61724-1 は、太陽光発電設備での発電量を監視するステーションの設計方法に関する規格として、またリソース評価用のステーション設計ガイドとして業界で使用されています。この規格では、さまざまな目的のためにさまざまなクラスの監視ステーションを推奨しています。「銀行融資可能な」データを収集するには、最高クラスの全天日射計が使用されます。銀行融資可能なデータは、最良の資金調達条件を確保し、契約上のパフォーマンス メトリックを監視するために使用されます。ソーラー MET ステーションには、冗長測定のため、または異なるパラメータを測定するために、複数の全天日射計が設置されていることがよくあります。

まず、ソーラー MET ステーションによる放射照度測定で使用される一般的な用語をいくつか定義しましょう。

• 直達法放射照度 (DNI): センサを太陽に直接向けると、DNI は検出器の表面に対してほぼ垂直 (太陽から直接) な光線から収集される光強度になります。そのため、直達法放射照度という用語が使われます。太陽全体を観測しながら同時に空の残りの部分からの光を遮断するため、DNI センサの視野は 5 度と狭くなっています。
• 拡散水平放射照度 (DHI): 太陽からの光は、大気や雲の粒子によって散乱されます。水平面で測定されたこの反射光と散乱光を DHI と呼びます。
• 全球水平放射照度 (GHI): この測定値は、半球状のスカイドームから得られる太陽の総放射量です。これは、水平面に日射計を設置することによって行われます。測定には拡散光と直接入射光が含まれるため、DHI と DNI で表すことができます。成分の幾何和は次のように表すことができます。
  

  GHI = DNI * Cos(Z) + DHI

  ここで、Z は測定時の太陽の天頂角です。

GHI は、ほぼ常にソーラー MET ステーションによって測定されるパラメータです。アレイ平面 (POA) と呼ばれる同様の測定も非常に一般的です。POA 測定は、太陽光パネルと同じ平面にある日射計検出器を使用して行われます。POA は GHI とステーションの位置を使用して計算できるため、太陽光資源の評価ではあまり使用されません。ただし、ステーションが単軸または 2 軸トラッカーを使用して運用中の太陽光設備に設置されている場合は、複数の POA 日射計を使用して太陽光パネルの平面に入射する光を測定するのが非常に一般的です。POA は、次の式を使用して GHI、DNI、および DHI 測定を使用して計算することもできます。

POA = DNI * Cos(AOI) + Diffuse + Reflected

ここで、AOI は太陽の入射角です。

両面ソーラーパネル（パネルの前面と背面の両方に入射する光から電力を生成するソーラーパネル）を使用する場合、GHI測定に補完的な日射計を使用すると便利です。アルベド日射計と呼ばれることもあるこの日射計は、GHI日射計の反対側に下向きに取り付けられます。下向きであるため、日射計に直接照射されることはなく、散乱および反射された放射照度のみが測定されます。この測定値は、アルベドの計算パラメータを提供するために使用されます。アルベドを監視し、両面モジュールの背面に入射する光をモデル化するために使用できます。実際には、多くの稼働中の太陽光発電サイトでは、水平位置に取り付けられたアルベド計でアルベドを測定し、両面モジュールの背面に入射する光（GReflected_back）をモデル化しています。あるいは、アレイの平面で下向きに取り付けられた日射計でGReflected_backを直接測定することもできます。

両面 POA 方程式

両面 PV モジュールのアルベドを含む放射照度のモデル化 (Corbellini および Medici、2015)

モジュール背面温度 (BOM)

パフォーマンス評価ステーションのもう 1つの重要なパラメータは、太陽光発電 (PV) パネルの温度です。PV パネル製造元は、標準テスト条件 (STC) でのパネル特性を提供します。これは、1000 W/m2 の放射照度と 25°C の室温で構成されています。測定されたパラメータは、IEC 規格で推奨されている式を使用して STC に変換する必要があります。センサによる測定への影響を最小限に抑えるために、高熱伝導性の接着剤を使用して、小型センサをソーラー パネルの背面に配置します。

汚れによる損失

汚れは、ソーラーパネルの表面に汚れやその他の汚染物質が蓄積することによる PV 電力出力の損失を測定します。汚れを理解することは、PV 発電所のパフォーマンス管理に影響を与えるため、PV システムの設計に不可欠です。同様に、稼働中の発電施設には、汚れによる損失を軽減する手順が必要です。パネル洗浄をスケジュールして収益を最適化する場合、汚れの正確な測定が重要です。

さらに、周囲の気温、相対湿度、風速と風向、気圧など、いくつかの補助的な気象パラメータも測定されます。さまざまなモデルが、パネルの性能低下を計算する際にこれらのパラメータを使用します。

ソーラー MET ステーションはどこで使用されますか?

ソーラー MET ステーションは、太陽光発電が行われている地域、またはそのような施設の設置が検討されている場所で使用されます。すべての太陽光発電設備はそれぞれ異なるため、ソーラー MET ステーションのカスタマイズは一般的ですが、ソーラー MET ステーションにはいくつかの基本的なカテゴリがあります。

何よりもまず、太陽資源評価 (SRA) に使用されるステーションです。太陽光発電施設の設計と設置を準備する際には、利用可能な太陽資源を適切に特性評価して、設計の制約内でパフォーマンスを最適化できるようにする必要があります。小規模な設備の場合、これは衛星データと近くの地上源からの気象測定を組み合わせて行うことができます。大規模なサイトでは、コストが高く、サイト固有の性質があるため、提案されたサイトからの正確な地上測定が必要です。汚れはサイト固有性が非常に高く、設計、パフォーマンスの期待、およびプロジェクトの不確実性の低減には、現場での測定が必要です。 SRA ステーションは、堅牢なスタンドアロン ステーションで測定を行うために特別に設計されたステーションです。これらのステーションの品質は大きく異なる可能性があるため、購入する前にシステムを徹底的に調査することをお勧めします。これらのステーションには、SRA ステーションの使用中にステーションへの訪問を最小限に抑えるために、独自の太陽光発電、バッテリ電源、およびリモート通信機能が搭載されていることがよくあります。

大規模の太陽光発電設備 (20 MW から数百 MW) は、多くの場合、太陽光リソース キャンペーンの完了後に設計および設置されます。太陽光リソース システムは、ユーティリティ MET ステーションのさまざまな要件に最も適したステーションに置き換えられます。多くの場合、複数のステーションが、太陽光発電設備の要件に固有の測定を行うように設計されたシステムを形成します。太陽光 MET ステーションによって提供される情報は、設備の運用とグリッド相互接続に不可欠であるため、これらのシステムは発電所の監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムと結び付けられています。MET ステーションによって提供されるデータは、ほとんどのオフテイカーがグリッドに電力を受け入れるために必要です。電源またはネットワーク障害が発生した場合にデータを保存するデータロガーの機能は、無停電電源を備えた低電力 MET ステーションの重要な追加機能です。

小規模な設備 (数百 KW から 20 MW) は、商業および産業 (C&I) ステーションと呼ばれることが多く、電力網に接続されているにもかかわらず、同じレベルの監視は必要ありません。これらのシステムは、完全なオンサイト SCADA システムの複雑さを保証しないサイズであることが多く、代わりにクラウド データ ホストに情報を供給します。これらのステーションでは、ソーラー MET ステーションは、気象測定を行うだけでなく、気象、メーター、インバーター データのオンサイト データ ストレージを備えたゲートウェイとして機能します。これには、これらのデバイスからの電力生産情報が含まれます。

適切な太陽 MET ステーションを選択するにはどうすればよいでしょうか?

適切なソーラー MET ステーションを選択するのは、困難な作業です。高品質の測定システムは、購入、設置、適切なメンテナンスに費用がかかります。しかし、その価値を考えると、運用コストは比較的低いです。運用コストは、ソーラー PV ファームの総コストのわずかな部分であり、設備全体のパフォーマンスを検証するために必要な情報を提供します。英国の数学者、ケルビン卿は、「測定することは知ることである」と述べています。

世界的な性質と電力網への重要な接続との相互作用のため、IEC は PV システムのパフォーマンス評価に関する標準 IEC 61724-1 を制定しました。この標準は、運用中の PV 設備で使用するシステムを設計するための合意されたベスト プラクティスに関するガイダンスを提供します。ソーラー MET ステーションの測定に関連して、IEC 標準は ISO 9060 を参照しています。ISO によって別途管理されているこの標準は、ステーションの非常に重要なコンポーネントである日射計に関する情報を提供します。すべてのソーラー MET ステーションが運用目的で使用されるわけではありませんが、運用現場で使用するのと同様の品質のシステムをリソース評価に使用することを選択している人は多くいます。

このような事例標準は主に業界の専門家によって使用されていますが、太陽光発電設備の監視の入門としてよりアクセスしやすいリソースが他にもあります。米国の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、再生可能エネルギーを研究し専門家になることを使命とする、政府資金による国立研究所です。この情報は公開フォーラムで頻繁に発表されており、NRELの科学者が行っている仕事や彼らが成し遂げた画期的な成果については、ウェブサイトを閲覧することで詳しく知ることができます。NRELは国防総省やエネルギー省などの政府機関に資金を提供していますが、他の研究所を通じて再生可能エネルギーの研究にも資金を提供しています。ただし、この研究は米国だけに限ったことではなく、同様の組織が他の多くの国でも活動しています。

これらのリソースは、ソーラー MET ステーションとその必要性についてさらに詳しく教えてくれますが、ステーションの設計や、どのセンサを選択するかについての設計やアドバイスは提供していません。上記のセンサ以外に、ソーラー MET ステーションには、データストレージまたはデータロギング、マウント、電源、通信、およびデータを収集して分析するためのインターフェイスが必要です。また、適切な設置、試運転、継続的なメンテナンスは、高品質の測定を実現し維持するために不可欠です。ソーラー MET ステーションのセンサやその他の複雑なコンポーネントの選択については、知識が豊富で信頼できるコンサルタントやハードウェア システムの専門家に依頼するのが最善です。

その他のリソース

以下は、確認したい追加のリソースです。

G. CorbelliniとV. Medici、「両面PVモジュールのモデリング」プレゼンテーション、南スイス応用科学芸術大学、環境建設設計部門、建築環境への応用持続可能性研究所、2020年12月2日アクセスhttps://www.slideshare.net/sandiaecis/41-corbellini-analysisandmodellingofbifacialpvmodules.。

F. Vignola、J. Michalsky、T. Stoffel、「太陽光および赤外線測定、第2版」（フロリダ州ボカラトン：CRC Press、2020年）。