蓄電池容量は、設計期間中に太陽光発電量と負荷需要の間で発生する最大のエネルギー不足によって決まります。 この計算では、代表的な日や季節における太陽光発電システムの時間変動する発電量と負荷プロファイルを比較し、需要が利用可能な太陽光エネルギーを上回る期間のうち、最も長い期間または最も大きな不足が生じる期間を特定します。蓄電池は、使用可能な充電状態の範囲、変換損失、温度の影響、将来的な容量劣化を考慮しながら、その不足分を補える必要があります。
適切な蓄電池サイズは、単純な1日平均消費量ではなく、最大累積不足量に基づいて決まります。その結果に効率、許容放電深度、運転条件、必要な予備容量を反映して、公称蓄電池容量に換算します。
平均エネルギー使用量だけでは不十分な理由
太陽光発電量は時間によって変動する
太陽光発電量は、日照時間、天候、季節、日陰、アレイの向きによって変化します。システムが年間を通じて十分なエネルギーを発電できる場合でも、冬季、曇天時、または日射量が少ない日が連続する期間には、相当量の蓄電が必要になることがあります。
負荷も時間によって変動する
負荷プロファイルには、1日平均だけでなく、時間単位またはそれより短い間隔での消費量を含める必要があります。ポンプ、コンプレッサー、暖房機器などの高需要機器は短期的な不足を生じさせ、必要な蓄電池エネルギー容量と出力定格の両方に影響します。
設計期間が結果を決定する
分析では、太陽光供給と需要の関係が最も不利になる季節を含め、関連する運用期間を対象にする必要があります。必要容量は通常、太陽光発電量が負荷需要を下回り続ける最大予備期間によって決まります。
蓄電要件の計算方法
太陽光供給プロファイルと負荷プロファイルを作成する
各時間間隔について、以下を決定します。
- 蓄電池またはDCバスで利用可能な太陽光エネルギー
- 負荷が必要とするエネルギー
- インバーター、充電コントローラー、その他のシステム部品で消費されるエネルギー
- 計画または想定されるバックアップ発電の寄与
プロファイルには同じ時間分解能を使用し、日ごとおよび季節ごとの変動を十分に把握できる長さの期間を対象にする必要があります。
累積エネルギーバランスを計算する
各時間間隔について、正味バランスを計算します。
[ \text{正味エネルギー} = \text{利用可能な太陽光エネルギー} - \text{必要な負荷エネルギー} ]
正のバランスは蓄電池の充電に利用でき、負のバランスは蓄電池の放電を必要とします。時間の経過に伴う累積バランスによって、太陽光発電が蓄電池を回復させるまでに、どの程度放電する必要があるかが明らかになります。
必要な使用可能蓄電容量は、再充電の機会から蓄電池が許容される最低充電状態に達するまでの間に生じる、最大累積不足量に対応します。
システムを電気的に評価する場合はアンペア時を使用する
定格電圧で動作する蓄電池システムでは、エネルギーをアンペア時に変換できます。
[ \text{Ah} = \frac{\text{Wh}}{\text{V}} ]
主な基準では、太陽光発電機からの累積Ah供給曲線とAh消費プロファイルを比較する方法として説明されています。これは蓄電池の電圧と電流が一貫して表現されている場合に適しています。電圧変動が大きいシステムでは、通常、ワット時に基づくエネルギー計算の方が明確で正確です。
再充電要件を含める
蓄電池は予備期間を乗り切るだけでなく、次に大きな不足が発生する前に再充電されなければなりません。曇天の期間をかろうじて乗り切れる設計でも、その後数日間の太陽光エネルギーが蓄電池を回復させるのに不足すれば、機能しなくなる可能性があります。
したがって、時系列計算では次の両方の条件を検証する必要があります。
- 蓄電池が許容される最低充電状態を下回らないこと。
- 利用可能な再充電期間内に、太陽光発電によって蓄電池を意図した運転レベルまで回復できること。
使用可能容量を公称蓄電池サイズに換算する
許容放電深度を考慮する
蓄電池の銘板容量は、通常使用すべきエネルギー量より大きくなります。公称容量のうち日常運転で利用できる割合が指定されている場合、それに応じて公称容量を増やす必要があります。
[ C_{\text{公称}} = \frac{C_{\text{使用可能}}} {\text{許容放電深度}} ]
公称容量の全量を使用可能容量として扱うと、蓄電池の寿命が短くなったり、システムが早期に低電圧カットオフに達したりする可能性があります。
システム損失を考慮する
放電、インバーター変換、配線、その他の変換段階でエネルギーが失われるため、蓄電池は負荷が受け取るエネルギーより多くのエネルギーを供給する必要があります。簡略化したサイジング式は次のとおりです。
[ C_{\text{公称}} = \frac{E_{\text{不足期間中の負荷}}} {\eta_{\text{システム}} \times \text{許容放電深度}} ]
ここで、(\eta_{\text{システム}}) は関連する放電効率と変換効率を表します。
太陽光アレイが蓄電池を補充できるかを確認する際には、充電損失も含める必要があります。往復効率は放電にのみ影響するものとして扱うべきではありません。繰り返し充放電を行う場合に必要な太陽光エネルギーの総量に影響します。
経年劣化と運転条件を考慮する
蓄電池容量は、サイクル寿命、温度、充電方法、保管条件によって変化します。新品の蓄電池だけを基準にするのではなく、想定される使用期間中の容量低下を設計に含める必要があります。
温度は、利用可能容量と充電限界の両方に影響します。これらの影響は、使用可能容量の計算に反映するか、適切な設計余裕を設ける必要があります。
容量と出力は異なる要件
エネルギー容量は継続時間を決める
ワット時またはアンペア時で表される容量は、蓄電池が負荷をどのくらいの時間支えられるかを決定します。主に累積エネルギー不足量によって決まります。
出力定格は瞬間的な需要に対応する
蓄電池とインバーターは、モーター始動時などの突入電力を含め、想定される最大同時負荷にも対応できなければなりません。蓄電池に十分な総エネルギー容量があっても、必要な電流を供給できない場合があります。
したがって、設計では次の両方を検証する必要があります。
- 予備期間に必要な使用可能エネルギー容量
- 負荷プロファイルに対応する連続およびピーク出力能力
トレードオフを理解する
蓄電容量を増やすと耐性は向上するが、コストも増加する
容量を増やすと自立運転時間が延び、太陽光条件が悪いときに最低充電状態に達するリスクが低下します。一方で、蓄電池のコスト、物理的なサイズ、充電要件、さらには追加のシステム周辺機器が必要になる可能性も増加します。
平均的な条件だけを基準にした設計は危険
1日の平均太陽光発電量と平均負荷は、長期間にわたる不足を隠す可能性があります。オフグリッドシステムは、年間のエネルギーバランスだけでなく、関連する最悪条件または設計基準期間に基づいてサイジングする必要があります。
過度な容量増加は非効率になる可能性がある
太陽光アレイが蓄電池を定期的に十分充電できない場合や、負荷が小さい場合、非常に大容量の蓄電池は長期間にわたって高い充電状態にとどまる可能性があります。これにより、信頼性の向上に見合わない資本コストが発生することがあります。
セルレベルの特性が最終設計に影響する
蓄電池の研究やパック開発では、システム計算の結果を、セル数、直列・並列構成、電流要件、熱挙動、想定サイクルに反映する必要があります。システムレベルのエネルギー要件が同じでも、化学系ごとの電圧、使用可能容量、充電限界、劣化特性によって、実際のパック設計は変わる可能性があります。
この方法をプロジェクトに適用する
まず時系列のエネルギーまたはAhバランスを作成し、その後、再充電時間、運転限界、出力需要、経年劣化、温度に対して設計結果を検証します。
- 主な目的が基本的なオフグリッドサイジングの場合： 関連する日次および季節ごとの設計期間における、太陽光供給と負荷の間の最大累積エネルギー不足量を特定し、その使用可能容量を公称蓄電池容量に換算します。
- 主な目的が蓄電池パックの設計または研究開発の場合： 化学系ごとの電圧、許容放電深度、効率、熱限界、寿命末期容量を含め、必要なエネルギーとピーク電流をセル構成に反映します。
- 主な目的が太陽光条件の悪いときの信頼性確保の場合： 必要な予備または自立運転期間に合わせてサイジングし、その後、利用可能な太陽光資源によって蓄電池を完全に再充電できることを確認します。
- 主な目的がコスト最適化の場合： 蓄電容量を自動的に過大設計するのではなく、負荷管理、太陽光アレイの大型化、バックアップ発電などの代替策と追加蓄電池容量を比較します。
適切にサイジングされたオフグリッド蓄電池とは、現実的に想定される最大累積不足量を補いながら、再充電可能で信頼性があり、電気的および運用上の限界内で動作できる蓄電池です。
まとめ表：
| サイジング要素 | 考慮事項 |
|---|---|
| エネルギー不足 | 設計期間中における太陽光供給と負荷需要の最大累積差。 |
| 放電深度 | 公称容量 = 使用可能容量 / 許容DoD。 |
| システム効率 | 変換、配線、充放電による損失を含める。 |
| 出力定格 | 連続出力およびサージ出力能力が負荷に適合することを確認する。 |
| 経年劣化と温度 | 寿命期間中の容量低下と温度の影響を考慮する。 |
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