太陽光発電の信頼性と性能評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14174 (2023) この記事を引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

太陽光発電による地下水汲み上げシステムの動作と有効性は、多くの環境的および技術的要因の影響を受けます。 これらのシステムを開発する際に考慮し、信頼性を確保するには、これらの要因の影響を調査する必要があります。 この研究では、太陽放射照度、パネルの温度、コンポーネントの効率の影響を調べることにより、実際の動作条件下での太陽光発電送水システム (PVWPS) の信頼性と性能を評価しました。 実験は、2020年12月から2021年6月まで、エジプトのアルカナテルギザ県バニサラマにある北緯30.3度、東経30.8度、海抜19メートルにある10馬力PVWPSで実施されました。 12月、3月、6月の午後12時に放射照度値はそれぞれ755.7、792.7、805.7 W/m2に達した。 さらに、日中の揚水量はそれぞれ 129、164.1、181.8 m3/日に達しており、日射量はポンプ流量に大きな影響を与えています。 パネルの温度はそれぞれ 35.7 °C、39.9 °C、44 °C まで上昇しました。 温度が 1 ℃上昇すると、効率が 0.48% 低下することが観察されました。 太陽光発電パネルの平均効率は、3月に最高値(13.8%)に達し、12月に最低値(13%)に達した。

世界の人口とテクノロジーの急速な増加により、電力需要が増加しています。 化石燃料の使用は、大量の CO2 を大気中に放出し、気候変動に重大な影響を与える要因の 1 つです。 これらの要因により、多くの国は、クリーンでアクセスしやすい、持続可能な再生可能なエネルギー (主に太陽光発電) を使用し始めています1,2。 ディーゼル駆動のポンプは、一般的に灌漑に使用されます。 しかし、国際市場での石油価格の上昇、石油の燃焼による有害な排出物、高額なメンテナンス費用、そして寿命の短さのため、メーカーは代替品を見つけることを余儀なくされています。 再生可能エネルギーの利用により、化石燃料の必要性が減る可能性があります。 太陽エネルギーは遠隔地であっても広く利用できるため、ディーゼル駆動の給水ポンプの有力な代替手段となります3,4。 太陽エネルギーは、化石燃料ベースの発電用燃料源と比較して環境に悪影響を及ぼさない、環境に優しい再生可能なエネルギー源であり、電気が容易に利用できない農村地域でもエネルギーを利用できます。 これは、電気エネルギーを生成するために利用できる最も重要な再生可能エネルギー源の 1 つであり、その後、灌漑用の電動ウォーター ポンプを駆動するための動力源として使用できます。 太陽放射からのエネルギーは主に熱エネルギーと電気エネルギーの生成に使用されます。 これは、ポンプ、エンジン、モーター、およびファンや冷蔵庫などのさまざまな産業用機器に電力を供給するための、建築用途、食品保存製品、農業用途など、より幅広い産業用途のための発電の代替方法です7。 8. 農業分野における灌漑用スタンドアロン PV (命名法は表 1 に示されています) システムの使用は、現在、世界中で日に日に普及してきています。 太陽光発電を使用することで、システム内でのグリーン エネルギーの使用が保証されます9、10。 エジプトはサンベルトに位置する国であるため、直接太陽放射を多く受けており、その量は北から南まで年間 2000 ～ 3200 kWh/m2 の範囲にあります。 太陽の照り続ける時間は 9 時間から 11 時間で、年間を通して曇りの日が数日あります11,12。 太陽光発電のポンプシステムは、家庭用を含むさまざまな用途に水を提供し、灌漑、家畜への給水、村の給水の分野での水需要を満たす10,13。 太陽光発電発電機、電力変換器、電気モーター、ポンプは、太陽光発電による揚水システムのコンポーネントです14、15。 太陽エネルギーは、加熱と乾燥に太陽熱収集器を使用して熱的に利用することも、シリコンなどの半導体材料で作られた太陽電池を使用して太陽光を電気に変換することによって太陽光発電的に利用することもできます。 太陽光発電パネルとしても知られるソーラーパネルは、太陽電池を直列に接続して作られます。 どちらのタイプも農業現場で多くの用途に使用され、生活を楽にし、生産性の向上に貢献します。 太陽光で発電した電気は、給水ポンプの動力として使用したり、日中は水を高いタンクに汲み上げ、暗くなったら重力で分配することで蓄電することができます。 夜間の電気用途のために、日中に生成されたエネルギーを蓄えるバッテリーが必要になります16,17。 太陽光発電システムで水を汲み上げるには 2 つの方法があります。1 つ目の手法では、太陽エネルギーが「リアルタイム」で消費されます。これは「太陽による汲み上げ」として知られています。 この解決策では、タンクに水を貯蔵する必要があります（たとえば、日中に汲み上げた水は、夕方以降に使用するために貯蔵されます）。 2 番目の手法は、バッテリーを使用してエネルギーを蓄えることです。 日中に蓄えたエネルギーは、後で水を汲み上げるために使用できます18。 太陽光発電システムの出力は、日射量、PV の表面温度、影、傾斜角、塵の蓄積など、多くの要因の影響を受けます。 PV システムの設計では、傾斜角、日射量、温度を含む (ただしこれらに限定されない) 多くの要因と環境条件を考慮する必要があります。 これらの変数は、PV の出力電力に大きな影響を与えます19、20、21。 夏と冬にソーラーパネルの表面温度が 1 °C 上昇すると、効率はそれぞれ 0.48% と 0.42% 低下します22,23。 太陽光発電システムの出力は、PV の表面温度、傾斜角、システムコンポーネントの効率など、多くの要因の影響を受けます。 太陽光発電システムを設計および運用する際には、これらの要因を調査し、考慮する必要があります。 PV モジュールの表面が太陽光線に対して直接垂直である場合、PV セルから最大の出力エネルギーが得られます。 トラッカーの向きは最大照射を指向しているため、水平向きよりも多くの PV 電力が生成されます 24,25。 太陽光発電送水ポンプ場の多くは、工学的にはうまく設計されているものの、その後の運転過程で問題に直面しており、また、ポンプ所から汲み上げられる水の量が予想よりも少ないことが判明しました。 これは、ステーションとその性能に悪影響を与える環境的および技術的要因に注意が払われていないことが原因です。 したがって、この研究の目的は、実際の動作条件下での太陽光発電による地下水汲み上げシステムの信頼性と性能を研究し、太陽光発電システムに対するマイナスの影響要因を調査し、安全かつ安全なシステムとしてこのシステムに依存する可能性を実証することでした。高価で環境を汚染する従来のエネルギー システムに代わる信頼できる代替手段です。