ソーラー産業革命におけるワイヤレス通信の影響

Radiocraftsは、ソーラートラッキング、インバータ監視、エネルギー貯蔵プロジェクトなどで世界中の顧客にサービスを提供し、ソーラー産業で数十年の経験を積み重ねてきました。IoTのさまざまな分野で無線ソリューションを提供していますが、数年前にある明確な傾向が現れました。ソーラーアプリケーションに関連するソリューションを求めて、Radiocraftsに問い合わせる顧客が増加しています。このトレンドの重要性を認識し、ソーラー産業への理解を真に深めることにしました。

その結果、Intersolar Europe & US、RE+、その他のソーラー関連展示会に参加することで、ソーラー産業に革命を起こすべく積極的な活動を開始することにしました。これらのイベントは、ソーラー分野の既存顧客や新たな見込み客と交流する貴重な機会となりました。これからご紹介する見識や情報の多くは、ソーラー産業を理解するためのRadiocraftsの取り組みを通じて得られたものです。

（画像提供：Radiocrafts）

そこでこのブログでは、ソーラー産業について深く掘り下げていきます。まず、ソーラー産業について定義し、業界のトレンドを探り、ソーラー設備への給電に不可欠な幅広い機器について検討します。また、システム内で各機器が果たす役割についても説明します。さらに、ケーブルソリューションとワイヤレスソリューションを比較し、ソーラー分野向けのワイヤレスソリューションについて説明します。最後に、ソーラー産業の需要に最適化された、市場をリードするいくつかの機能をサポートするRadiocraftsのRIIMメッシュソリューションをご紹介します。

ソーラー産業とは？

ソーラー産業は、3つの異なる、しかし同様に重要な分野から構成されています。

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最初に取り上げる分野は、大規模かつ広大なユーティリティスケールの設備です。これらの設備は、多くの場合、大規模なソーラーパネルのアレイで構成され、その数は数千に及びます。これらのソーラーパネルには、1日を通して最適な角度になるよう正確な太陽追尾を保証するソーラートラッカーが付属しています。一般的に、これらの設備は開けた野原や砂漠地帯に設置されます。

第2の分野は、中規模の設備で構成されます。まだかなりの規模がありますが、砂漠地帯に見られるような大規模なものではありません。これらのシステムは一般的に屋上に設置され、屋上用と産業用に分類されます。

最後に取り上げる分野は住宅ですが、これは通常、屋根にソーラーパネルを設置した一戸建てや集合住宅で構成されます。エネルギー貯蔵や電気自動車の充電システムを含む場合もあります。

興味深いことに、これらのシステムの違いは、公共電力網との相互作用を規定するグリッドコードの影響を受けています。大規模な設備は、どのように送電網にエネルギーを供給し、送電網の過負荷を防ぐために出力を調整すべきかを定めた、より厳しい要件に従います。これらの違いを理解することは、多様なシステムを比較する上で極めて重要です。

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また、EUの規制では、現在、特定の新築建築プロジェクトにソーラー設備の統合を義務付けていることも特筆に値します。この要件により、特に屋上や住宅分野でのソーラー設備数が大幅に増加すると予想されます。

現在のソーラー産業のトレンドは？

ソーラー産業には明確なトレンドがあるのでしょうか？住宅用や小規模な設備にシフトしているのか、それともすべての分野で成長しているのでしょうか？

確かに、これらすべての分野で成長が見られます。

無線仕様を満たすための要件やシステム構成には若干のばらつきがあるものの、全体としては、各分野で安定した普及が見られます。

ソーラーシステムにはどのような機器があり、どのような役割を担っているのでしょうか？

ソーラー設備で一般的に見られる機器は数多くあり、分野によって部品の存在に違いがあります。

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ソーラー設備の中核となるのはソーラーパネルです。多くの場合、ソーラーパネルは直列に接続され、そのDC電圧はDCコンバイナと呼ばれる機器に導かれます。DCコンバイナは、相互接続されたソーラーパネルからのDC電圧を蓄積し、インバータに供給する前に高いレベルまで昇圧します。ユーティリティスケールの設備では、DCコンバイナは、時間の経過に伴う潜在的な物理的劣化を検出することで、ソーラーパネルを監視する重要な役割を果たします。

ある種のセットアップでは、ソーラーパネルが直接インバータにDC電圧を供給することもあり、建築の柔軟性を可能にします。

その後、インバータがDC電圧をAC主電圧に変換し、電力メータを経由して電力網に送られます。

ソーラー設備に存在するもう1つの重要なコンポーネントは、発電所コントローラまたはデータロガーです。多数のインバータとDCコンバイナを備えた大規模設備では、この機器はしばしば発電所コントローラと呼ばれます。その主な機能は、インバータに制御コマンドを送信し、電力網の要件に従って出力を調整できるようにすることです。

小規模な設備では、この機器は主にデータロガーと呼ばれ、インバータによって生成されたエネルギーデータを記録し、インバータ内の故障を検出することに主眼が置かれています。

大規模な設備では、通常、電力網のオペレータと発電所コントローラをつなぐ接続やAPIが存在します。これにより、公共電力網のオペレータが発電所コントローラにコマンドを送信し、電力網の要件に従ってインバータの出力を調整できるようになります。たとえば、発電量が過剰な場合、電力網のオペレータは発電所コントローラにインバータの出力を下げるよう指示することができます。この通信は通常、インバータのリアルタイム適応を保証し、過剰な電力フローによる潜在的な電力網の過負荷を防ぐため、超低遅延の要件があります。

その他にも、大規模な設備では一般的に、ウェザーステーション、太陽に向かってパネルの角度を最適化するためのソーラートラッカー、トラッカーが実際にその通りに動いているかを確認するためのトラッカー角度監視機器、入射する太陽光の強度を測定するための装置など、さまざまな機器が見られます。

エネルギー貯蔵もまた、ソーラー設備において重要な役割を果たしており、あらゆる規模の設備にバッテリバンクが組み込まれています。

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住宅や屋上の構成では、EV充電ステーションの採用により、電気自動車充電のサポートが可能になります。住宅のセットアップに不可欠なコンポーネントは、ローカルのエネルギー生産と電力網のエネルギー価格に基づいてエネルギー消費を監視するエネルギーマネージャです。日中のソーラー発電のピーク時など、エネルギーコストが最も低い時間帯に対応するよう、ローカル負荷の運転を最適化します。

まとめると、ソーラー設備は、広範な通信機能を備えた高度なIoTシステムを形成しています。

ケーブルかワイヤレスか？

今日の大規模な設備では、光ファイバループの複雑なネットワークや、電気、RS485、光ファイバケーブルを含む何キロものケーブルが地下に埋設されたケーブルソリューションが主流です。しかし、ワイヤレス技術は、これらのセットアップに多くの利点を提供し、人気を集めています。

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有線接続には、落雷やグラウンドループの影響を受けやすいという課題があり、複数の機器をつなぐケーブルが故障すると通信が途絶える可能性があります。加えて、ケーブルの交換と修理には多大な労力とコストがかかります。

こうした課題を認識し、大幅なコスト削減と設置の柔軟性から、ワイヤレスソリューションへの関心が高まっています。従来の有線方式では、設置完了までに通常数日と多大な人手を要しますが、ワイヤレス方式では迅速で簡単な設置が可能で、適応性も高いです。このような利点が、ワイヤレスソリューションの採用が進む原動力となっています。特にシームレスで効率的なシステム展開に対する需要が高まるにつれて、この傾向はさらに強まっています。

ソーラー設備に適したワイヤレス技術は？

利用可能なワイヤレス技術は数多くあり、それぞれが前述した3つの異なるソーラー分野の特定のニーズや、各分野で効率的な設置を行うために必要なさまざまな機器に合わせて調整されているため、要件も多様化しています。

重要な要件の1つは、長距離の必要性です。たとえば、住宅の屋根に設置されたソーラーパネルに直接接続されるマイクロインバータを含むシステムを考えてみましょう。コントローラは家の中に設置される可能性が高く、コンクリート壁による干渉のために通信上の問題が生じます。同様に、非住宅の屋上設備では、コントローラが建物の数階下にあるため、屋上インバータとの効果的な通信において、通信距離に関する問題が生じます。キロメートルに及ぶ大規模なユーティリティ設備では、すべてのトラッカーとDCコンバイナとの長距離通信を実現することが不可欠です。

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サブGHz無線通信は、サブGHz技術がサポートする浸透特性と干渉耐性の向上により、2.4GHz技術よりも優れたソリューションを提供することが分かります。このソリューションにより、通信距離に関する懸念に対処することができます。さらに、ソーラーパネルやインバータが1つのネットワーク内で複数の屋根にまたがっているシナリオでは、スケーラビリティを確保するためにマルチホップメッシュソリューションが必要となります。

サブGHzとメッシュ技術の組み合わせは、3種類のすべてのソーラー設備に非常に効果的であることが証明されています。

サブGHzメッシュ技術のもう1つの利点は、以下の図に示されています。ここで、発電所コントローラは屋上インバータと通信し、インバータはルータとして機能し、他のインバータとの通信を拡張します。この種のソーラーセットアップでは、長距離が重要です。

しかし、遅延の要件は、通信距離とは相反する考慮事項であることにも注意する必要があります。遅延の影響を受けやすい機器を扱う場合、通信機器への注意は不可欠です。

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たとえば、ウェザーステーションを監視する場合、天候は通常それほど急激に変動しないので、ミリ秒ごとにデータを収集する必要はありません。しかし、電力網への電圧流入を抑えるなど、迅速な調整が必要な状況では、特に複数のインバータを同時に管理する場合、ほぼリアルタイムの通信が必要となります。

RadiocraftsのRIIMメッシュ技術はソーラー設備に最適

Radiocraftsは、長距離、低遅延、サブGHzのメッシュソリューション、RIIMを提供しています。このソリューションは、上記3つのすべてのソーラー設備に非常に適しています。

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RIIMを使えば、ユーザーはさまざまなソーラー設備システムに合わせて柔軟に対応することができます。たとえば、あるユーザーはネットワークに素早く参加することを優先するかもしれません。また、あるユーザーは低遅延や1つのネットワーク内で多数のデバイスを使用できることを優先するかもしれません。これらの要件はすべて、ネットワーク設定の中で微調整し、優先順位をつけることができます。さらに、顧客独自の開発にも幅広く対応しています。つまり、顧客が標準製品以上の追加機能を望む場合、その要望にお応えすることができます。

前述の通信距離と遅延の懸念に加え、信頼性も重要な考慮事項です。ケーブルは一般的に信頼性が高いですが、摩耗や損傷に弱く、ケーブルの断線やコネクタの劣化といった問題につながる可能性があります。対照的に、ワイヤレス通信ではデータパケット損失の可能性があります。この課題を軽減するために、RIIMは「タイムスロットチャンネルホッピング（TSCH）」のような先進技術を採用しています。TSCHは、異なる周波数と異なるタイムスロットでデータパケットを送信するために同期されたスケジュールを使用するプロトコルです。TSCHは周波数ホッピングシステムとして非常に有効であり、システム内で99.99%以上のデータ伝送信頼性を達成します。

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データスループットも、ソーラーシステムの設計において極めて重要な考慮事項です。各機器が生成するデータ量は大きく異なります。たとえば、ウェザーステーションは比較的少ないデータしか生成しませんが、ソーラーインバータはかなりの量のデータを生成することができます。システム設計の決定には、インバータやソーラーパネルでのローカル処理能力、データのフィルタリング、圧縮を考慮する必要があります。最終的な目標は、機器間で一定量のデータを効率的に転送することです。たとえば、ネットワークが主にアラームを送信する場合、低遅延が重要ですが、トラフィック量は少ないままです。しかし、各デバイスが1秒間に数百ビットのデータを生成する場合、トラフィック量が多いために輻輳が発生する可能性があります。

この遅延の問題に対処することは、特に高スループットのネットワーキングにおいて、RIIMネットワーク設計の重要な側面です。EUでは、デューティサイクルの制限が課題となっています。たとえば、RED指令に基づくと、1%の時間しかデータを送信できません。この制限は、高スループットシステムに大きな影響を与えます。たとえば、LoRaWANネットワークを使用する場合、長距離データパケット伝送では、デューティサイクルの規定に準拠するため、各パケット間で10分間の待機が必要となります。RIIMは、周波数ホッピングを活用し、データ送信に複数の無線チャンネルを使用できるようにすることで、この課題に対処しています。さらに、RIIMは、ノイズのあるチャンネルを識別して周波数ホッピングリストから除外し、システムがデータ送信に最適な無線チャンネルのみを使用するようにするAdaptive Frequency Agility機能をサポートしています。さらに、RIIMはデータパケットを送信する際にListen-Before-Talk（LBT）を利用します。これらの機能の組み合わせは、RED指令とEU基準によれば、最大37%の時間でデータ送信を可能にするPolite Spectrum Accessとして知られています。この組み合わせにより、トラフィックの輻輳やパケットロスを最小限に抑えた高スループットのネットワーキングが可能になります。

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さらに、RIIMの堅牢性は、単一の無線チャンネル内で動作するSigfoxやLoRa基地局などの他のプロトコルからのノイズ干渉を効果的に管理します。特定のチャンネルで著しいノイズが検出された場合、RIIMはそのチャンネルの使用を除外する柔軟性を提供します。

さらに、RIIMアーキテクチャは、ユーティリティスケールの設備における複数の並列ネットワークを含むスケーラブルなシナリオに適しています。たとえば、1万枚ものソーラーパネルを設置するような大規模な設備では、すべてを1つのネットワークに接続することは現実的ではありません。その代わりに、複数のネットワークが並行して、しばしば近接して運用されるソリューションが必要となります。これらすべてのネットワークが同じ無線チャンネルで運用された場合、互いに大きな干渉を受けることになります。シングルチャンネルシステムを使用している顧客が、ネットワークを拡張する際に大きな干渉問題に直面した例があります。一方で、RIIMは周波数ホッピングと独自の同期方式をサポートしているため、ネットワークは自動的に干渉を避けることができます。この固有の機能により、顧客の介入を必要とすることなく、スケーラビリティの懸念を軽減することができます。

まとめ

地球温暖化の影響に対処するために、再生可能エネルギーの需要は急増しています。ソーラー産業は、より持続可能な発電と生活習慣の探求の最前線にいます。砂漠地帯における何十万ものソーラーパネルとインバータからなる大規模な設備から、地域社会における各家庭まで、社会のあらゆる分野がソーラームーブメントの推進に重要な役割を果たしています。

ソーラー産業の各分野は、効率的なソーラー設備を確立するために、多様な機器や装置に依存しています。これらの機器には、発電所コントローラ、インバータ、エネルギーメータ、EV充電ステーション、エネルギー貯蔵システムなどが含まれます。さらに、ソーラー産業の進化に伴い、有線ソリューションに代わるコスト効率の高いソリューションとして、ワイヤレスソリューションへの移行が徐々に進んでいます。有線ソリューションの場合、メンテナンス、設置、人件費に多額のコストがかかることが多いです。

ソーラー分野向けの代表的なワイヤレスソリューションが、RadiocraftsのサブGHzメッシュ技術、RIIMです。RIIMは、マルチホップメッシュアーキテクチャによる長距離通信、低遅延、チャンネルホッピング機能による超高信頼性など、さまざまな利点を提供します。さらに、RIIMはAdaptive Frequency AgilityとListen-Before-Talk機能によって高いデータスループットをサポートし、ノイズのある環境での運用に適しています。