4 太陽光発電でエネルギーを蓄える？ |デムダ

7月 27, 2023

経済の急速な発展に伴い、エネルギー不足の問題はますます深刻になっています。エネルギー需要と環境保護という二重のプレッシャーに直面し、世界各国はエネルギー利用効率の向上、エネルギー構造の最適化、再生可能エネルギーの開発などの戦略を採用してきました。新エネルギー生成の代表として、太陽光発電（PV）発電が広く実用化されています。ただし、従来の電源とは異なり、太陽光発電システムの出力電力は、太陽光の強さや温度などの環境要因の変化によって大きく変動します。制御不能であることも特徴です。したがって、太陽光発電が従来のエネルギー源に代わって大規模な系統連系発電を実現する場合、電力網への影響は無視できません。さらに、送電網における太陽光発電システムの割合が増加し続けているため、安全で信頼性の高い電力供給を確保するには、送電網への影響を効果的に管理することが不可欠です。太陽光発電システムにエネルギー貯蔵システムを適用すると、電力の不均衡の問題に対処し、通常動作の要件を満たすことができます。エネルギー貯蔵システムは、太陽光発電所の安定した稼働を確保する上で重要な役割を果たします。これらは、システムの安定性と信頼性を保証するだけでなく、電圧スパイク、サージ、電圧降下、瞬間的な停電などの動的な電力品質の問題に対する効果的なソリューションも提供します。

太陽光発電システムにおける 4 つの一般的なエネルギー貯蔵技術を次に示します。

1. バッテリーエネルギー貯蔵:バッテリーエネルギー貯蔵は、最も有望な貯蔵方法の 1 つです。高い信頼性とモジュール化が特徴で、電力品質に対する要求が高い地域の配電ネットワークに適しています。バッテリーのエネルギー貯蔵は、バッテリー電極の酸化還元反応を利用してエネルギーを貯蔵および放出します。システムのピーク負荷時のエネルギー需要を満たし、無効電力補償を支援し、電圧変動やちらつきの抑制に役立ちます。一般的な電池の種類には、鉛酸電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、フロー電池などがあります。研究[9]では、太陽光発電システムにおける電池の役割を分析し、電池のエネルギー貯蔵能力と、太陽電池の動作電圧を調整するために大きな瞬間電流を供給する能力を強調しています。別の研究 [10] は、いくつかの一般的な化学エネルギー貯蔵技術に焦点を当てており、主要な技術指標を選択し、2011 年までの最新の応用データを収集しています。この研究では、データ包絡分析 (DEA) 手法を通じて、さまざまな化学エネルギー貯蔵の利点と応用効果を調査しています。技術を紹介し、化学エネルギー貯蔵技術における将来の研究の方向性についての提案と参考資料を提供します。

2. スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵: スーパーキャパシタは、従来のキャパシタと比較して、誘電率が高く、エネルギー密度が高く、エネルギー放出が速い特殊な材料で作られたエネルギー貯蔵デバイスです。スーパーキャパシタは、異なるエネルギー貯蔵原理に基づいて二重層キャパシタと電気化学キャパシタに分類できます。新興のエネルギー貯蔵コンポーネントであるスーパーキャパシタには、他の貯蔵方法と比較して多くの利点があります。高い電力密度、長い充放電サイクル寿命、高い充放電効率、速い充放電速度、高温および低温での優れた性能、および長いエネルギー貯蔵寿命を備えています。ただし、スーパーキャパシタには、エネルギー密度が低く、端子電圧の変動範囲が広いことや、直列キャパシタの電圧均一化の問題など、いくつかの欠点もあります。バッテリーとスーパーキャパシタの特性を考慮すると、両方の技術は技術的性能の点で強い補完性があります。それらを組み合わせることで、エネルギー貯蔵デバイスの性能を大幅に向上させることができます。研究 [14] では、スーパーキャパシタをバッテリーと並列接続することで、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムの電力出力容量が向上し、内部損失が低減され、放電時間が延長されることがわかりました。また、バッテリーの充放電サイクル数を減らして寿命を延ばすことができるほか、エネルギー貯蔵装置のサイズを縮小し、電源システムの信頼性と経済性を向上させることもできます。

3. フライホイールエネルギー貯蔵:フライホイールエネルギー貯蔵は、高効率、短い建設期間、長寿命、高いエネルギー貯蔵容量、急速充電、急速放電、無制限の充放電サイクル、および環境への優しさなどの利点を提供する機械的貯蔵方法です。ただし、フライホイールエネルギー貯蔵のメンテナンスコストは、他の貯蔵方法に比べて比較的高くなります。研究 [15] では、PV フライホイールエネルギー貯蔵システム用のファジィ制御ベースの有効電力平滑化制御が提案されています。この研究では、Matlab/Simulink プラットフォームを使用したシミュレーションを通じて、PV フライホイールエネルギー貯蔵システムのフライホイール速度、出力、平滑化係数を分析し、他の 2 つのデバイス (フライホイールエネルギー貯蔵なしおよび単純なフライホイールエネルギー貯蔵) と比較しました。別の研究[16]では、最大電力点追跡と系統接続インバータ制御に基づいてフライホイールエネルギー貯蔵システムを太陽光発電システムに導入し、系統への安定した電力出力を実現しました。 PV システムからの調整可能で安定した電気エネルギー出力を確保するために、制御戦略には、充電中に電流インナーループ制御と電圧アウターループ制御、放電中に電流インナーループ制御と電圧アウターループ制御が採用されました。これにより、太陽光や環境温度の変化による変動を効果的に抑制し、安定した有効電力の出力制御が可能になります。

4. 超電導エネルギー貯蔵:超電導磁気エネルギー貯蔵 (SMES) システムは、電力網によって生成された磁場エネルギーを超電導線で作られたコイルに貯蔵し、必要に応じて貯蔵されたエネルギーを電力網に放出します。 SMES システムの一般的なコンポーネントには、真空断熱冷却コンテナ内に配置された超電導コイル、極低温および真空システム、および制御用のパワーエレクトロニクスデバイスが含まれます。超電導コイルによって形成された閉ループインダクタ内の電流は、損失することなく循環します。他のエネルギー貯蔵技術と比較して、SMES には大きな利点があります。 SMESは、長期間にわたってエネルギーを損失することなく貯蔵できるため、高いエネルギー回収効率を実現します。また、エネルギーの放出も速く、通常は数秒しかかかりません。 SMES の採用により、系統電圧、周波数、有効電力と無効電力の調整が容易になります。研究 [17] では、風力発電機からの電圧と周波数出力を安定させるために SMES ユニットを使用することが提案されています。 SMES ユニットは非同期発電機の母線に接続され、SMES のアクティブコントローラーは非同期発電機の速度偏差を制御信号として採用しました。別の研究 [18] では、風力発電所で頻繁に発生する電線短絡障害や風速の乱れに対処するために、SMES のアクティブコントローラーの制御信号として電圧偏差を使用することを提案しています。さまざまな研究により、風力発電所の安定性向上における SMES デバイスの優れた性能が実証されています。

これらのエネルギー貯蔵技術は太陽光発電システムにおいて重要な役割を果たし、安定した動作を保証し、安全で信頼性の高い電力供給を提供します。継続的な技術の進歩と成熟により、エネルギー貯蔵技術は再生可能エネルギーの開発と持続可能な開発目標の達成にますます貢献するでしょう。

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