ディーゼルを超えて: アフリカのオフグリッドサイトにおける太陽光発電とバッテリーのハイブリッドバックアップ

記事

2019年10月8日

ナイジェリア北部、ニジェール、マリ、ブルキナファソ、エチオピア、トゥルカナにわたるオフグリッドサイトはディーゼルで稼働しており、燃料費、輸送、盗難によりOPEXの多くが費やされています。この記事では、3 つのトポロジと、それぞれが適用される場合、毎日のサイクリングでの実際のバッテリー寿命、過小評価されているダスト変数、および現場で測定できる 4 つの入力による回収式について説明します。

オフグリッドサイトでの一日

ナイジェリア北部のカノとカドゥナ周辺、ニジェール、マリ、ブルキナファソの田舎、エチオピアの高地、ケニアの乾燥したトゥルカナ地域、ザンビアの辺境の州では、典型的な一日が次のように送られています。ディーゼル発電機は夕暮れ前に始動し、およそ1～3kWの負荷で夜まで稼働します。一晩でシャットダウンし、バッテリーがベースバンドと送信を伝送します。日中はバッテリーが夕方までサイトを動かし続け、たまたまグリッド電力が数時間供給された場合にのみ充電されます。問題は発電機自体ではなく、3 つの隠れたコストです。1 つは現場までの燃料の配送で、バイクやラクダの輸送が必要な場合はポンプの価格の 2 倍を超える可能性があります。燃料盗難。地域によっては購入量の 10% ～ 30% が発生します。メンテナンスとオーバーホールは稼働時間によって償却されます。太陽光発電の目的は環境保護ではありません。日中の負荷を発電機から切り離し、3 つのコストすべてを直接削減することです。

3 つのトポロジからの選択

ソーラーハイブリッドは 1 つの設計ではなく 3 つの設計であり、選択を誤ると投資の見返りが 2 倍になります。 1 つ目は、ソーラー プラス バッテリー プラス ディーゼル スタンバイであり、ソーラー優先とも呼ばれます。太陽光発電は、日中負荷を供給してバッテリーを充電し、バッテリーが満タンになると停止し、長時間の曇りまたはバッテリーの消耗後にのみディーゼルを始動します。発電機の稼働時間を最小限に抑え、年間日射量が良好で日中に集中負荷がかかるサイトに適しています。これはサハラ以南のアフリカで最も一般的な選択です。 2 つ目はソーラーアシストを備えたディーゼル主燃料で、PV は負荷の一部 (通常は 30% ～ 50%) のみを担い、発電機は以前と同様に低い燃料消費量で動作します。改造が最も簡単で資本が安価なため、比較的新しい発電機を使用する大規模な負荷や現場に適しています。 3 つ目は、発電機をまったく使用しない純粋なソーラー プラス バッテリーで、負荷が 500 W 未満で、3 日間の曇りのリスクが許容される場合にのみ実行可能です。 3 つすべての決定要因は、放射照度リソースではなく、負荷曲線が太陽曲線とどの程度重なり合っているかです。重なりが大きいと 1 番目が有利になり、重なりが小さいと 2 番目がより安全になります。

毎日のサイクリングでの実際のバッテリー寿命

ソーラーハイブリッドでは、バッテリーは毎日フルサイクルを完了しますが、これはフロートスタンバイのようなものではなく、多くのプロジェクトが失敗する原因です。フロートバッテリーを指定し、2年で交換します。選択は銘板の容量ではなく、3 つの数字によって決まります。まず、サイクル寿命、特に指定された放電深度でのサイクル寿命です。太陽光発電システムは通常、DOD 50% ～ 70% で動作するため、その帯域のデータを求めてください。第 2 に、充電の受け入れ: PV の充電電力は日射量によって異なり、朝と夕方は電流が低く、バッテリーが低電流で効果的に吸収できるかどうかによって、毎日のエネルギー回収が決まります。鉛カーボン シリーズ (LLC、300 ～ 1,000Ah、6 モデル) は、PSoC デューティにおいて従来の製品の 4 ～ 5 倍のサイクル寿命を実現し、約 30% 優れた充電受け入れを実現しており、まさにこれを目的として設計されています。 3 番目に、高温での動作: アフリカではキャビネットの温度が 40°C を超えるのが日常的であるため、サイクル寿命を温度に合わせて補正する必要があります。ディープサイクル シリーズ (FTC、100 ～ 170Ah、1,500 サイクル以上) も、中小規模の容量では適切な選択肢です。

ダスト: 過小評価されている変数

サヘル地域と乾燥した東アフリカでは、塵はひどく過小評価されています。まず汚れです。ガラス上の埃の層ごとに透過率が数パーセント低下し、砂嵐の後は出力が半減するほどアレイが厚く覆われる可能性があります。ニジェール、マリ、チャドでは、清掃を省略すると年間収量の 20% 以上が失われる可能性があります。第二に、熱: バックシート上の埃は熱の遮断を妨げ、セルの温度と切断効率を上昇させ、損失を増大させます。 3 番目に、機械的および電気的: ジャンクション ボックスやコネクタに入る塵は接触不良やアークの危険性を引き起こし、インバータの空気経路内の塵は冷却を妨げます。設計上の 4 つの対応策は次のとおりです。アレイの傾きを大きくして、ほこりが吹き飛ばされたり洗い流されやすくなります。より高い入力定格を持つ接続ボックスとコネクタを指定します。自然冷却インバーターを使用するか、防塵フィルターを取り付けて検査ルートに追加します。そして、「必要に応じて」ではなく、定義された頻度（砂塵の季節には毎月、それ以外の場合は四半期に一度）で清掃をO&M契約に組み入れます。

回収額の計算

Payback には複雑なモデルは必要なく、4 つの入力だけで、4 つすべてを現場で測定できます。まず、現在の年間ディーゼルコスト: 1 日あたりの平均消費量 (リットル) × 365 × 輸送を含む納入燃料価格。桟橋の価格ではなく、納品された価格を使用してください。第 2 に、改造後のディーゼル コスト: 発電機の稼働時間の短縮によって増加します。太陽光優先の設計の場合、これは通常、元のコストの 20% ～ 40% になります。 3 番目に、年間 PV 発電量: kWp 単位のアレイ容量 × ローカルの等価ピーク日照時間 × 365 × システム効率 0.75 ～ 0.8 × 汚れおよび劣化係数 0.85 ～ 0.9。 4番目は、モジュール、取り付け、コントローラー、バッテリー、輸送、設置を含む総投資額です。回収額 = 投資 ÷ (改装前の年間ディーゼル費用 − 改装後の年間ディーゼル費用 − 年間メンテナンス費用)。最も誇張されがちな意見は 3 番目です。人々は理想的な日照時間を利用し、汚れや劣化を忘れています。控えめな係数を採用すると、計算した投資回収額は実際に提供できるものになります。

アレイとバッテリーのサイジングを一緒に行う

ソーラーハイブリッド設計における最も一般的な 2 つのエラーは、アレイのサイズ不足とバッテリーのサイズ不足であり、通常、これらは同時に発生します。原則として、曇りの期間を制約として扱い、毎日のエネルギーバランスを目標として 3 つのステップで扱います。まず、1 日あたりの消費量: kW 単位の負荷 × 24 時間。昼と夜の負荷が異なる場合は別々に計算されます。 2 番目に、1 日あたりの平均 PV 発電量: kWp 単位のアレイ容量 × 同等のピーク日照時間 × システム効率 0.75 ～ 0.8 × 汚れ係数 0.85。その結果は、季節変動、モジュールの劣化、時折生じる日陰をカバーするために通常 20% ～ 30% の余裕を持って、毎日の消費量を超える必要があります。第三に、バッテリー容量: 1 日の消費量 × 曇りの日 ÷ 放電深度。曇りの日は現地の気象記録から取得されます。サヘル地域では 2 ～ 3 日、東アフリカの高地ではもう 1 日です。 3 つのステップの後で、逆のチェックを実行します。最も長い曇りが終わった時点で、バッテリーの残量が 20% を下回ってはなりません。そうでないと、発電機の始動が著しく増加し、ハイブリッドの経済性が失われます。このチェックは省略されることが多いですが、比率が健全かどうかを示す唯一の確実な指標です。さらに見逃されがちな詳細は、アレイの傾斜です。粉塵の多い地域では、最適な生成傾斜より 5 ～ 10 度加えると、粉塵が吹き飛ばされやすくなり、時間の経過とともに収量が増加します。 View Telecom Backup Power Selection