弱い送電網と頻繁な停電：アフリカの基地局の放電深度の設定

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2017 年 8 月 22 日

グリッドの可用性が 99% から 60% に低下すると、バッテリーはフロート スタンバイを停止し、毎日サイクルを開始します。 UPS の想定で指定されたバッテリーは、ナイジェリア、南アフリカ、ガーナ、タンザニアの全域で 18 か月以内に故障します。問題は製品ではなく義務の想定です。この記事では、サイクル寿命に対する放電深度を定量化し、送電網の可用性ごとの設備利用率の表を示します。

1 つのバッテリー、2 つのまったく異なる役割

ラゴスの商業地区、負荷制限中の南アフリカ全土の州、「ダムソール」負荷管理期間中のガーナ、タンザニアとウガンダの都市周縁部、ケニア西部の町はすべて、同じグリッドの現実に直面している。つまり、電力は時々故障するのではなく、1日に数回、一度に数時間故障する。これは頻度の問題のように見えますが、バッテリーの動作モード全体が置き換えられます。可用性が 99% の場合、バッテリーは年間 10 回未満しか放電せず、浮いたままになります。寿命はグリッドの腐食によって決まり、12 年の設計寿命は実際には 12 年です。可用性が 60% の場合、バッテリーは毎日 1 ～ 2 サイクル (年間 500 以上) を完了し、寿命はサイクル数によって決まります。同じ製品でも、2 つの用途では耐用年数が 5 倍以上異なる場合があります。しかし、調達仕様書には通常、「4 時間のバックアップ」とのみ記載されており、サイクルについては言及されておらず、まさにこの省略こそが、バッテリーが 18 か月で寿命になる理由です。

DOD と生命の定量的関係

サイクル寿命に対する放電深度の影響は非線形性が高く、単に使用量を少なくすれば長持ちするというものではありません。従来の AGM の場合、DOD 30% では約 1,200 サイクル、50% では約 600 サイクル、80% では約 300 のみ、100% では 200 未満になります。言い換えると、DOD を 50% から 80% に上げると、放電あたりのエネルギーは 60% 増加しますが、サイクル数は半分になるため、合計寿命スループット (サイクル数とサイクルあたりのエネルギーの積) は実際には低下します。この曲線は、「より深く使用する」が幻想である理由を説明しています。それは、より早く買い替えるだけです。正しいアプローチは、深放電後の再充電時間という重要な制約を条件として、生涯スループット (通常は 50% ～ 70%) を最大化する DOD を見つけることです。送電網が 1 日に数時間しか存在しない場合、80% の放電で完全に再充電するには 10 時間以上かかり、翌日になっても充電が完了しない可能性があり、バッテリーは慢性的に充電不足のままで硫酸化が加速します。これが本当の原因です。

アフリカで「4時間のバックアップ」が失敗する理由

4 時間のバックアップは容量の数値であり、寿命の数値ではありません。また、3 つの経路に沿った弱い送電網負荷では障害が発生します。まず、サイクル数は完全に無視されます。4 時間のバックアップはおよそ 50% ～ 60% の DOD を意味します。そのため、1 日 1 サイクル、年間 365 回の場合、600 サイクルと評価される従来の AGM は約 20 か月で使い果たされます。これは、現場で見られるのとほぼ同じ 18 か月です。第二に、充電ウィンドウが不十分です。4 時間の負荷に対応するサイズのストリングは通常、わずか 0.1C で充電されるため、50% から 100% に移行するには 10 時間以上かかりますが、グリッドは 1 日あたり 4 ～ 6 時間しか存在しません。バッテリーはフル充電に達することはなく、PSoC 内で永続的に存続します。第三に、熱がそれをさらに悪化させます。アフリカの多くのサイトは 35°C ～ 45°C で稼働しており、その温度ではサイクル寿命が再び割り引かれます。 3 つ重ねると 18 か月になります。したがって、仕様には、目標サイクル数、利用可能な充電ウィンドウ、設置場所の周囲温度の 3 つをまとめて記載する必要があります。

送電網の可用性別の設備利用率

ここに直接使用できるテーブルがあります。原則として、容量はバックアップ時間ではなく、毎日のエネルギー不足に合わせて設定されます。可用性が 95% を超えると、デューティはフロート スタンバイになります。最長の 1 回の停止時間の負荷に合わせたサイズで、DOD を 50% 以内に保ち、標準のフロント端子シリーズで十分です。 80% ～ 95% の間で、1 日におよそ 1 回の 2 ～ 4 時間の停止が発生する場合は、バックアップ時間に加えてサイクル係数 1.2 を適用し、ディープサイクル シリーズ (FTC、100 ～ 170Ah、定格 1,500 サイクル以上) を優先します。 50% ～ 80% の間では、バッテリーが毎日のサイクリングの原動力となります。係数 1.5 ～ 1.8 を適用して、鉛カーボン (LLC、300 ～ 1,000Ah、PSoC のサイクル寿命の 4 ～ 5 倍) または LiFePO4 (SDA10、連続 1C 放電) に移行します。 50% を下回ると、サイトは実質的にオフグリッドになります。1 日 1 サイクルのサイズに加え、曇りの天候でも 3 日間自立できるサイズです。これは、ソーラー ハイブリッド設計に直接移行することを意味します。バッテリーを追加するだけでは経済的ではありません。

選択決定ツリー

分析をサイト エンジニアが実行できる 4 つのステップに凝縮します。ステップ 1、グリッドの可用性: 95% 以上、標準の 12V 前面端子シリーズ (6-FMX、50 ～ 200Ah、設計寿命 12 年) を最低コストで採用します。 80% ～ 95%、ディープサイクル (FTC) またはゲル (6-XFMJ、設計寿命 15 年、熱に強く水分損失が少ない) を使用します。 50% ～ 80%、鉛炭素を採用 (LLC、設計寿命 20 年、充電受け入れが 30% 優れているため、限られた充電ウィンドウが実際に使用されます)。 50% 未満の場合は、ソーラー ハイブリッドに移行し、毎日のサイクリングに合わせてバッテリーのサイズを調整します。ステップ 2、充電ウィンドウ: グリッドの存在が 1 日あたり 6 時間未満の場合、充電受け入れが優勢となり、鉛炭素またはリチウムが従来の AGM を上回ります。ステップ 3、周囲温度: 45°C を超える状態が続く場合は、鉛カーボンまたは高温シリーズを推奨します。温度が制御されている場合は、リチウムの体積の利点を利用できます。ステップ 4、残りの耐用年数: リース期間が 5 年未満残っているサイトには 20 年間のテクノロジーは必要ありません。残りの期間については、最も安価な準拠オプションを選択してください。 4 つのステップを経ると、議論の余地はほとんどなくなります。

仕様書の必須5項目

弱い系統の負荷では、仕様には容量だけでなく負荷も記載する必要があります。 5 つの項目は必須であり、1 つでも省略すると、18 か月の故障サイクルに戻ります。まず、グリッドの可用性をパーセンテージで表し、報告期間を記載します。月ごとまたは年ごとです。この 2 つはまったく異なる数値を生成するためです。この項目だけで、バッテリーが浮いているかサイクルしているかが決まります。 2 番目は、1 回の最長停止期間と 1 日あたりの平均停止回数です。これは個別に記載されています。最初の値は容量を決定し、2 番目の値はサイクル寿命を決定します。ほとんどの仕様では、最初の値のみが考慮されます。 3 番目に、1 日あたりの利用可能な充電ウィンドウ。充電受け入れ要件を設定します。 6 時間未満の場合は、急速充電テクノロジーが必須であり、そうでない場合はバッテリーがフル充電に達しません。 4 番目に、設置場所の温度範囲。キャビネット内部は通常周囲より 10°C 以上高くなるため、夏季のピークを伴う屋外ではなくキャビネット内部として規定されています。第 5 に、耐用年数と敷地リースの残り期間を目標にするため、リース期間が 3 年間残っている敷地には 20 年間使用できるバッテリーが装備されていません。これは賢明ではなく、無駄です。これら 5 つが述べられているため、入札者はもはや約 4 時間のバックアップの一文に隠れることはできず、評価には同等の根拠が存在します。多くのプロジェクトが失敗するのは、間違った製品が選択されたためではなく、義務がまったく指定されていなかったためです。そのため、サプライヤーは最も有利な前提に反して見積もりを出し、オペレーターは最も不利な現実の下でサイトを運営していました。 View Telecom Backup Power Selection