提案されている商業施設向けの太陽光発電太陽電池を使用した LED 照明システムの設計

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13289 (2022) この記事を引用

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7 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この論文では、新たに提案されている複合商業施設のエネルギー需要を供給する、今後の独立型太陽光発電システムの概念と設計の概要を説明します。本研究の目的は、太陽エネルギーの商業利用予測手法を開発することである。まず、商業施設内の照明と光熱費の年間エネルギー需要を計算します。エネルギーコストを最小限に抑えるために、複合施設の照明にはLED照明が考慮されています。負荷推定に基づいて、提案地域の電力を生成するためのソーラーパネルの数は 6097 と予測されます。第二に、太陽放射と太陽光発電パネルの最適な傾斜角の推定における設計の重要な部分は、最大のエネルギー収穫のために計算されています。この場合、最適な傾斜角は 49.34° です。最適かつ実現可能な運用のための PV パネルの設置も予測されます。計算されたパラメータは、ソフトウェアを使用したシミュレーションで使用され、複合企業内での実用性がテストされます。この技術は、生成されるエネルギー量とシステムのパフォーマンス比を決定するために使用されます。太陽光発電システムの費用見積りも行います。最後に、これらのシミュレーションと推定の分析が示されます。

太陽光発電所は、PV または太陽電池としても知られる太陽電池を使用して太陽光を電気に変換します1。これらのセルの製造にはシリコンの合金が使用されます2。太陽エネルギーは太陽電池によって直接電気に変換されます。これらは太陽光発電の原理に従って動作します3。光にさらされると、光子は特定の元素に吸収され、自由電子が放出されます。光電効果は、この現象を説明するために使用される用語です4。光起電力効果は、光電効果の原理を利用して直流電気を生成するプロセスです5。

光起電力効果の原理に基づいて、太陽電池または太陽電池が作成されます6。太陽光はそれらによって直流 (DC) 電気に変換されます7。しかし、1 個の太陽電池で生成される電力量は十分ではありません8。したがって、ソーラーモジュールまたはソーラーパネルは、支持フレームに取り付けられ、互いに電気的に接続されたいくつかの太陽電池で構成されています7。

一般に、ソーラーパネルは、数百ワットから数キロワットまで、さまざまなサイズと出力で入手できます9。パネルまたはモジュールは特定の電圧で電力を供給しますが、生成される電流は入射光の強度によって決まります10。ただし、ほとんどの場合、太陽光発電システムには AC 電力を供給するインバーターも装備されています11。

インドは世界のエネルギーの約 6% を消費しています12。インドの発電設備容量は 365 GW で、そのうち 55.8% が石炭発電、13.7% が水力発電、10.1% が風力発電、8.8% が太陽光発電、6.8% が天然ガス、バイオエネルギー、2.7% が廃棄物です。 , 2%が原子力、0.1%が石油13。

太陽エネルギーは、生成される電力の約 8.8% を占めます14。これは、太陽光発電所は、日照量が不安定な地域や、太陽エネルギーを捕捉するために必要な表面積が大きいため、配備できないためです15。しかし、太陽光発電が豊富な国や地域では、太陽光パネルから生産された電力は商業的に生産された電力よりも安価です16。近年、インドでは太陽エネルギーの利用が急激に増加しています17。ソーラーパネルの効率の進歩により、住宅やオフィスビルで太陽エネルギーをより簡単に利用できるようになることが期待されています18。

このプロジェクトは、商業施設向けに、LED ランプを使用したエネルギー効率の高い照明およびユーティリティシステムの研究に焦点を当てることを目的としています。従来のランプの代わりに発光ダイオード（LED）などのシステムを利用すると、電力消費を削減できます19。作業の範囲は、従来のエネルギー供給を消費することなく、提案されている複合商業施設のエネルギー需要を完全に満たす効果的な太陽光発電システムを設計することです。

暫定プロセスのブロック図を図 1 に示します。

現在のプロジェクトの設計コンセプトのブロック図。

電力要件に応じて、いくつかの太陽電池モジュールが電気的に接続されて PV アレイを形成し、より多くの電力を実現します20。太陽光発電システムには、用途に応じてさまざまな種類があります。

PVダイレクトシステム

このシステムは、太陽が輝いているときにのみ負荷を供給します。発電した電力は蓄電されないため、バッテリーはありません21。 PVダイレクトシステムの概略図を図2に示します。

オフグリッドシステム

このタイプのシステムは通常、送電網の電力が利用できない、または信頼できない場所で使用されます。オフグリッド太陽光発電システムには電力網接続がありません。太陽光パネルアレイ、蓄電池、インバータ回路21を備えている。オフグリッドシステムの概念図を図3に示します。

系統接続システム

グリッド接続を利用して、これらの太陽光発電システムのグリッドから追加のエネルギーを得ることができます。電池で駆動される場合もあれば、駆動されない場合もあります21。系統連系システムの図を図4に示します。

ＰＶダイレクトシステム２２．

オフグリッドシステム23．

系統連系システム23．

太陽光発電所を建設するプロセスは、かなりの時間コストと専門知識を必要とする複雑な作業です。

それは次の段階に分けることができます。

場所の特定。

グリッド接続点の決定。

建設前の書類作成と交渉。

道路、柵、警備などのインフラ整備。

設備と物流の購入。

支持構造物の設置。

変電所の設置。

グリッドとの接続。

システムセットアップ監視24．

建物または構造物の提案されたレイアウトを図 5 に示します。これは、エンジニアまたは建築家によって提供された基礎計画図と仕様に従って確立されます。

複合商業施設のレイアウト（照明予定エリア）２５．

現在、建物の設計は持続可能性、環境への影響、エネルギー効率を最大化することに重点を置いています。これらすべての要因は、建物内の配電に直接影響します。実際には、電気技術者は建築家や機械技術者と協力して需要を最も正確に見積もる必要があります。

予測される電力需要により、電力供給と配電に関する建物の要件が特定されます。したがって、建物が正常に機能するために必要な電力量を正確に見積もることは、システムの計画と設計において不可欠なステップです。ビジネスコンプレックスで使用される機器とその定格電力を表 1 に示します。最後に、提案されているビジネスコンプレックスの総負荷を表 2 に示します。

太陽光発電システムは、特定の時間と場所でどれだけの太陽光を利用できるかに基づいて設計する必要があります。日射（または放射）と日射隔離は、日射の 2 つの最も主要な方法です。太陽放射輝度は、kW/m2 の単位で表される瞬間電力密度として表されます。太陽放射照度は、夜間の 0 kW/m2 から昼間の 1 kW/m2 まで変化します27。場所と地域の天候も太陽の放射に影響を与える重要な要素です。測定には日射計（地球規模の放射線を測定するため）と日射計（直接放射線を測定するため）が使用されます。これらのデータは、確立された場所で 20 年以上にわたって収集されています28。

日照レコーダーも、太陽放射を測定する安価で精度の低い方法です。日照レコーダー (キャンベル・ストークスレコーダーとしても知られる) は、日中の太陽光が特定のレベル (通常 200 mW/cm2) を超える時間を測定します 27。この方法で収集されたデータは、いくつかの補正係数を使用して計算された値で測定された日照時間の関数として日射量を計算するために使用できます28。最後に、図 6 に示すように、既存の衛星画像から収集された雲量データを使用して日射量を推定できます。インドの日射量マップを図 6.29 に示します。

インドの日射量マップ29．

図 5 より、コルカタの日射量は 3.5 ～ 4.0 kWh/m2/日です。コルカタの年間完全日照時間は、3.5 × 365 = 1227.5 kWh/m2/年です。太陽電池を多結晶セルとみなした場合の効率は 17%30 です。

したがって、

モジュール数 = \(\frac{914487.8 }{150}\) = 6096.5853 ≃ 6097 モジュールの電力が各モジュールで 150 W であることを考慮します31。

したがって、提案されている複合商業施設に完全な電力を供給するには、約 6097 枚のパネルが必要になります。

海面の垂直経路を 1 として考えると、大気中を通過する太陽光線の経路長は「空気質量」の観点から記述されます 32。

あるいは、空気質量「m」は、太陽の位置が真上（つまり天頂の位置）にあるときの光路の長さに対する、大気中を通る太陽光線の光路長の比です32。

したがって、m = \(\frac{\mathrm{\,長さ\,\,\,path\,transversed\,by\,the\,beam\,radiation}}{\mathrm{Atmospheric\,vertical \,パス\,長さ}}\)

図 7 は、日射の幾何学形状と形成されるさまざまな角度を示しており、これについては次のサブセクションで説明します。

日射幾何学32．

図8によれば、

ここで、α = 傾斜角または高度角、θz = 天頂角。

大気に対する太陽光線の方向32．

したがって、

太陽光線と垂直面との間の角度です。これを「θz」３２で表す。

図8によれば、

式によると、 (1) より、空気の質量は高度角のコセカント (α) に等しくなります。したがって、海面では m = 1 となります。

太陽が天頂位置 (つまり頭上) にある場合、m = 1。

m > 3 の場合、m = 秒 θz。

m = 0、地球の大気圏のすぐ上。

緯度は、特定の場所と地球の中心を結ぶ放射状の線によって形成される角度です。この線は赤道面に投影され、地表の垂直空間の緯度が決定されます32。

地球の中心から見て、赤道の南北の角度の数です32。正の緯度は北半球を示し、負の緯度は南半球を示します。それをφLで表す。

図９に示すように、緯度角は、赤道面上の線ＯＡと投影線ＯＡ'との間の角度である。点 A は地球の表面上の位置を示し、点 O は地球の中心を示します。慣例により、北半球の緯度は + ve になります。

場所の緯度 (ϕL)、時角 (ω)、および和の偏角 (δ)32。

したがって、図 9 によれば、ϕL は∠AOA' となる。

赤緯角は、地球の赤道面から北（または南）への太陽光線の角距離です。それは記号δ32で示される。

また、太陽の中心から地球の中心に向かう線と、地球の赤道面へのこの線の投影との間の角度として定義することもできます32。それを図10に示します。

偏角（δ）３２．

上空から測定した場合、赤道面偏角は北半球では正になります32。これは傾きの直接的な結果であり、6 月 22 日の 23.5° から 12 月 22 日の -23.5° の間で変化します。赤緯が最小または最大の場合、太陽は静止した状態で見えます。この状態を至点といいます。冬至の間、太陽光線は地球の赤道の南 23.5°、つまりδは - 23.5°になります。夏至の間、太陽光線は地球の赤道の北 23.5°、つまりδは 23.5°になります。太陽の赤緯の変化を図11に示します。

太陽の赤緯の変化３３．

角度の偏角はクーパーの近似式から求めることができます。

ここで、「n」は 1 月 1 日から数えた日です。

特定の点 (または観測点) の子午線を太陽光線と直接一致させるために地球が回転しなければならない角度は、その瞬間の時角と呼ばれます。 ω32で表します。

言い換えれば、それは、いかなる瞬間においても、（地軸を中心とした地球の回転による）太陽の現地子午線の東または西への角度変位です32。時角（ω）を図12に示します。

時角(ω)32．

図の通り、午前6時。 ωは+ 90°で、夕方18時、ωは-90°です。

たとえば、午前11時にωは-15°、午後12時にωは0°、午後1時にωは15°であるため、毎時15°の差または加算となります。

図 11 を考慮すると、時角 (ω) は、OA の投影と太陽の中心から地球の中心への線の投影との間の、地球の赤道面で測定された角度です。

したがって、図 12 を考慮すると、

時角、ωは∠A'OB'です。

高度角は、太陽が空にどのくらいの高さに現れるかを示します。角度は、観察者と太陽の間の仮想線と観察者が立っている水平面との間で測定されます32。太陽が地平線の下に落ちるとき、高度角は負になります。傾斜角、太陽仰角とも呼ばれます。それを「α」で表します。

図8によれば、

α = 傾斜角または高度角 = ∠QPS。

図13によれば、

太陽傾斜角（α）、天頂角（θz）、太陽方位角（rs）３２．

α = ∠CAB = 傾斜角または高度角。

(a + θz) = 90° = \(\frac{\uppi }{2}\) となります。

したがって、

繰り返しますが、θz = \(\frac{\uppi }{2}\) – a.

この角度の値は、緯度と経度の値を使用してソフトウェアから直接計算できます。

これは、真南の線と水平面上の太陽光線の投影との間の、水平面上の太陽の角度 (度単位) です。 rs32 で表されます。

言い換えれば、それは北から太陽光線の水平投影までを測定した水平角です。

南から西に向かって測定すると、太陽の方位角は正になります。

図 13 の太陽方位角より、rs は∠BAS です。

AS は南に向かう線、BA は西に向かう太陽光線の水平投影線です。

したがって、rs は∠BAS です。

この角度の値は、緯度と経度の値を使用してソフトウェアから直接計算することもできます。

これは、平面に入射する太陽光線とその表面の法線との間の角度です。それをθi32で表す。入射角を図14に示します。

入射角（θi）、傾斜角（β）、緯度角（ϕL）３２．

一般に、入射角は次のように表すことができます。

傾斜面と水平面との間の角度です。それはβ32で表されます。

南に向かって傾斜している表面を正、南に向かって傾斜している表面を負とみなします32。

βは、コレクタ表面に対する傾斜面と水平面との間の角度である。

特定の時刻、つまり 2021 年 4 月 18 日の正午 12:00 における、商業施設の場所、つまりコルカタ (経度は東経 88.363895 度、緯度は北緯 22.572646 度) の太陽角の計算が行われます。太陽仰角と方位角を計算するには、ソフトウェア Keisan Online Calculator を使用します。図 15 は、ソフトウェアで表現されたコルカタの仕様を示しています。

Kolkata34 の仕様を考慮します。

図 16 は、2021 年 4 月 18 日のコルカタにおける時間に対する太陽仰角の変化を示しています。ここで、X 軸は時間を表し、Y 軸は太陽仰角の変化です。グラフから、仰角の値は00:00のマイナスから着実に増加し始め、05:00頃にプラスになり、11:30頃にピークに達し、その後は着実に減少していることがわかります。 18時頃には再び陰性になります。太陽仰角は太陽が空にどのくらいの高さに現れるかを表すためです。したがって、グラフから、太陽は05:00以前と18:00以降に地平線の下にあり、11:30に最も高くなると結論付けることができます。したがって、太陽エネルギーは05:00から18:00まで収集できます。特定の場所 (ここではコルカタ) と特定の日 (ここでは 2021 年 4 月 18 日) の太陽仰角 (α) と方位角 (rs) の値は、電卓によって緯度と経度の値によって直接計算できます。太陽角の計算値を表 3 に予測します。

2021 年 4 月 18 日のコルカタの太陽仰角のグラフ表示34。

ここで、複合施設の太陽光発電システムの性能比率を決定するために、これまでに計算された太陽角度の値がソフトウェア PVSyst に入力されます。検討されている都市は、ビジネス複合施設の所在地であるインドのコルカタです。シミュレーションの重要なスクリーンショットの一部は次のとおりです。

図 17 に太陽光発電システムの傾斜角と方位角を示します。ここで考慮される平面は、固定された傾斜平面です。最適化は年間照射量に基づいて行われます。グラフ(a)のX軸は面傾きを表し、グラフ(b)のX軸は面方位を表し、両方のグラフのY軸は年間照射量を表します。シミュレーションから得られた転位係数 (TF) の値は 0.98、最適値に対する損失は -8.2%、集光板上の照射量は 1713 kWh/m2 です。

ソフトウェアで傾斜角と方位角を定義します。

図 18 は、年間のビジネスコンプレックスの合計負荷を入力で表しており、1,90,830.760 キロワット時/年であることがわかります。

ソフトウェアの総消費電力を定義します。

図 19 は、太陽光発電所で使用されるバッテリーの仕様を示しています。ここで使用されるバッテリーは調整可能なリチウムイオンバッテリーです。合計No. ここで使用されるセルの数は 512 個で、そのうち 16 個が直列に接続され、32 個が並列に接続されています。

ソフトウェアでのバッテリー要件の定義。

図 20 は、ここで使用される太陽電池モジュールの数を定義します。以前に計算したように、複合施設のエネルギー需要を満たすために必要な太陽電池モジュールの数は 6097 個です。ただし、ここでは直列と並列の対称性を維持するために 6102 個のモジュールが考慮されています。しかし、追加のエネルギー需要が発生したときはいつでもバックアップとして機能するため、それは有益でもあります。 6102 モジュールのうち、6 モジュールは直列に接続され、1017 モジュールは並列に接続されます。また、太陽光発電所で使用されるバッテリーの動作仕様も示します。バッテリーは、標準室温 24 °C の固定空調室内で動作させます。バッテリーの温度はバッテリーの劣化にとって非常に重要であるためです。

ソフトウェアのモジュール要件の数を定義します。

図 21 に使用する太陽電池の仕様を示します。定義されているように、ここで使用される PV セルは 150 W の多結晶シリコンセルです。 PV アレイの設計もここに示されています。アレイには 41 個のスティングと 24 個のモジュールが直列に含まれます。これは、スペースを最適に使用する、つまり、最大の発電に使用される最小面積が得られるように行われます。この図は、システムで使用されるコントローラが DC-DC コンバータモードで動作するユニバーサルコントローラであることも示しています。

ソフトウェアでの太陽電池の要件の定義。

図 22 に、提案されている商業施設用の独立型太陽光発電システムの回路図を示します。

太陽光発電システムの回路図。

図 23 は、スタンドアロン PV システムに対してソフトウェアで生成された最終結果を示しています。

スタンドアロン太陽光発電システム用のソフトウェア生成レポート。

最初のグラフ 23(a) の日次入出力図を考慮すると、X 軸はコレクタプレートへの全球入射量を kWh/m2/日で表し、Y 軸はアレイの出力における有効エネルギーを kWh/日で表します。。入射日射量が増加すると、出力エネルギーが増加することが観察されます。

グラフ２３（ｂ）は、性能比（ＰＦ）および太陽光発電分率（ＳＦ）のグラフである。ここで、X 軸はパフォーマンス比 (PF) を表し、Y 軸は時間を月単位で表します。シミュレーションから、PF 値は 0.569、太陽熱分率 (SF) は 0.740 と得られます。

グラフ２３（ｃ）は、電力分布の配列である。 X 軸はアレイの出力での実効電力を kW で表し、Y 軸はアレイの出力での実効エネルギーを kWh で表します。ここで描かれている現在の曲線は、2021 年 1 月 1 日から 12 月 30 日までの 1 年間を対象としています。

グラフ２３（ｄ）は、アレイ温度対実効放射照度である。 X 軸はアレイの実効放射照度 (W/m2) を kW で表し、Y 軸は稼働中のモジュールの平均温度を℃で表します。 2021 年 1 月 1 日から 12 月 30 日までの年間全体で推定されます。グラフから、日射量の増加に伴ってモジュールの温度は上昇しますが、性能は低下することがわかります。シミュレーションから得られたパラメータを表 4 に示します。

各エネルギー生産組織には、電力単位あたりの独自のコストがあります。ただし、ここでは借方、資本、税金を考慮せずに単価を決定します。商業施設向けの独立型太陽光発電所を検討した場合の資本コストの内訳を表 5 に示します。

この論文の結果に基づいて、提案されている複合商業施設のエネルギー要件全体を満たすことができる独立型太陽光発電 (PV) システムの設計の実現可能性が評価されます。それは従来のエネルギー供給、つまり従来の発電所の支援なしで実行されてきました。

この論文は、太陽光発電所の簡単な理論、その動作原理、用途、エネルギー部門における割合のシェアから始まります。次に、さまざまな太陽光発電所とその動作原理について、簡潔かつコンパクトに説明します。太陽光発電所の建設も重要な役割を果たすため、この研究では明記されている。第 2 フェーズでは、ビジネスコンプレックスの典型的なレイアウトが示され、ビジネスコンプレックスの年間エネルギー需要が計算されます。省エネに重要な役割を果たす照明用途のLED照明の使用には特に注意が払われました。インドの日射量マップも含まれています。太陽光発電システムの設計を含む重要な要素は、太陽角の理論と計算です。特定の重要な用途について、さまざまな太陽角の特性が説明されています。コルカタ (インド) の商業施設を考慮した最適傾斜角の計算値は 49.3153814° です。シミュレーション技術とシステムの実用性についても、段階的に説明します。この論文は、特定の建物の太陽光発電システムのコスト見積もりで締めくくられています。

この研究から得られた主な結論は次のとおりです。

独立型太陽光発電 (PV) システムは、個々の建物に完全に独立したエネルギーを供給できます。したがって、非従来型エネルギー（ここでは太陽エネルギー）は、オフィス複合施設や住宅用建物の代替照明源およびユーティリティとなる可能性があります。

転移係数 (0.98) の値は PV システムの効率を確立し、太陽熱分率 (0.740) の値はシステムの有効性を確立し、性能比 (0.569) は将来のエネルギー独立の可能性を示します。さらに、太陽電池の効率が向上すると、システムの性能比と太陽光発電割合の値が増加することも強調できます。

コスト見積もりは、太陽光発電システムの取得および設置コストが、典型的な複合商業施設にとって経済的に実現可能であることを示しています。

太陽光発電所に必要なメンテナンスは非常に少なくて済むため、十分な太陽光が利用できる任意のスペースに設置できます。高層ビルの屋上にも簡単に設置できます。したがって、太陽光発電モジュールによって生成される太陽エネルギーは未来のエネルギーであると結論付けられます。このシステムは汚染を大幅に削減します。将来的には、個々の建物でそれらを使用して完全なエネルギー独立を達成することが非常に可能です。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 [およびその補足情報ファイル] に含まれています。

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著者らは、この研究プロジェクトに必要な機会を提供してくださったテクノ・インディア・グループ、テクノ・メイン・ソルトレイクの電気工学部長に感謝します。また、常にご支援を賜りました学科教職員の皆様に心より感謝申し上げます。

インド、西ベンガル州、コルカタ、テクノメインソルトレーク、電気工学部

サヤン・クマール・ナグ & タルン・クマール・ガンゴパディヤイ

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著者らは次のように論文への貢献を確認しています：研究の構想と設計: SKN、TKG;データ収集: SKN;結果の分析と解釈: SKN、TKG;草稿の準備: SKNすべての著者が結果をレビューし、論文の最終版を承認しました。原稿。

サヤン・クマール・ナグへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Nag、SK、Gangopadhyay、TK 提案されている商業施設向けに、太陽光発電の PV セルを使用した LED 照明システムの設計。 Sci Rep 12、13289 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17353-2

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受信日: 2022 年 4 月 3 日

受理日: 2022 年 7 月 25 日

公開日: 2022 年 8 月 2 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17353-2

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