初の太陽光発電が中型に移行

ファースト・ソーラーは、自社が建設・運営する大規模太陽光発電所のアーキテクチャに根本的な変更を加えている。

CEOのジム・ヒューズ氏は、大手総合太陽光発電プロバイダーのコスト削減について繰り返し主張し、「当社には技術ロードマップがあり、2017年までに米国西部のトラッカーに完全に設置した場合のコストは1ワット当たり1.00ドル以下になるだろう」と述べた。 」

First Solar CTO Raffi Garabedian 氏は最近、セル効率の向上、新しいモジュールのフォームファクター、一軸トラッカー、やり方の転換を示す新しいソーラーアーキテクチャなど、この低い数字を達成するために同社がたどっている道筋のいくつかについて概説した。大手太陽光発電所は、発電所に配線を施して稼働させるかもしれません。

それが中電圧 DC (MVDC) です。そして Garabedian 氏は、First Solar の最近のアナリストデーで新しいアプローチについて詳しく説明しました。

Garabedian 氏は、MVDC を「全く新しい、根本的に革新的な太陽光発電所アーキテクチャ」と呼んでいます。

「従来のアーキテクチャを見ると、いわゆるストリングで接続されたモジュールが現場にあります。モジュールの複数のストリングが結合ボックスで結合され、そこですべてのエネルギーが並列に集約され、ヒューズで保護されています。 「その後、フィーダー線を通って電力変換所に送られます。そのエネルギーの伝送は、現在、当社の 1,500 ボルト インバーター システムを使用して 1,500 ボルトで行われています。業界では、より一般的には 800 ボルトまたは 1,000 ボルトで行われています。」と同氏は述べました。

「各電力変換ステーションは、電圧をおよそ 35 キロボルトまで昇圧するインバーターと変圧器の組み合わせであり、電圧は PV コンバイナーの開閉装置に送られ、変電所を経て送電網に接続されます。これが今日の発電所の建設方法です。 」とガラベディアンは続けた。

「私たちは、この発電所の要素の数を変更し、部品の数を減らし、発電所のエネルギー生成の設備利用率を改善することを検討しています。これを行う方法は、いわゆる中電圧直流です。」ここでコンバイナ ボックスを、ストリングからの電圧をストリング電圧 1,500 ボルトの約 10 倍に昇圧する DC-DC コンバータに置き換えることで、配線のコストと配線の抵抗損失を劇的に改善できます。非常に大規模な DC-AC コンバーターを使用します。これは公益事業業界で一般的に使用されており (世界中の送電網に使用されています)、その既存のテクノロジーを活用することで、MVDC 時点から非常に優れたコスト構造を実現できます。送電網接続につながる」と彼は語った。

「また、これらの大規模な DC/AC コンバータですでに利用可能であり、標準的な PV インバータ システムでは利用できない、グリッド制御およびサポート機能も実現します。システムは新しいコンポーネントに依存しており、新しいコンポーネントはFirst Solar がパートナーと共同で設計、開発を行っており、First Solar ブランドの製品となり、市場に投入される予定です。」 この DC-DC コンバータは、「近所で見かける変圧器のようなもので、太陽光発電インバータで行われていた電圧変換と電力点追跡機能を実行します。また、同じ機能もサポートしています」結合器がボックス化して電力変換の一部をフィールドに拡散するためです」とガラベディアン氏は付け加えた。

「利点は何ですか? 現場でのコンポーネントの数を減らすことができます。現場での労働量を減らすことができ、電力変換システムでのエネルギー損失を減らすことができます。

「これを状況に合わせて説明するために、電力変換ステーション、インバータ、変圧器について話しましょう。1,000 ボルトのシステムの場合、典型的な 100 メガワットの発電所には 100 の電力変換ステーションがあり、これらを現場に出して設置する必要があります。当社の 1,500 ボルト アーキテクチャのような 4 MVA システムでは、その数は 25 の電力変換ステーションになります。

「MVDC では、電力変換ステーションが 1 つあります。つまり、変電所に統合された単一の集中型電力変換ステーションです。変圧器の数が少ないということは、暗損失が少なくなり、エネルギー損失が減り、プラントの設備利用率が向上することを意味します。MVDC パワー アグリゲーション電圧では、現場のワイヤの総量を約 75% 削減でき、すべてのワイヤを地中に埋めるために使用される溝の量をほぼ半分に削減できます。多大なコスト削減効果、エネルギー パフォーマンスの向上、経済性の向上が実現します。私たちの顧客です。」

Garabedian 氏は、「これで終わりではありません。もう 1 つの利点があります。このシステムはストレージ対応です。これが意味するのは、プラントの DC 側へのバッテリーストレージシステムの統合を受け入れるシステムを設計しているということです。」

「なぜそうするのでしょうか? DC プラントにストレージを統合することで、最終的にはストレージと太陽光発電の合計コストが市場で最低になると私たちは信じています。このアーキテクチャは、コストの観点から見て、個別のシステムを大幅に上回ることができると考えています。」ストレージと PV は相互接続が優れています」と彼は言いました。

「私たちは、2017 年に商用パイロットを達成し、2018 年に一部のパートナー顧客向けに一般商用利用可能になることを期待しています。これらのテクノロジーと、次世代トラッカーや配線およびワイヤ管理テクノロジの導入により、2020 年までシステム レベルで非常に劇的な継続的なコスト削減曲線が見込まれます」と Garabedian 氏は述べています。

GTM の太陽光研究担当ディレクターである MJ Shiao 氏は、MVDC アプローチを、「100 メガワットの電力変換ステーション」を作成する非常に大きな中電圧 DC-AC コンバーターを備えた「超集中型」モデルとして要約します。

シャオ氏は、DC 電圧を上げることの利点をすべて挙げています。「配線が減り、溝が減り、コンバイナ ボックスが不要になり (DC/DC オプティマイザで置き換えられますが)、固定電圧出力により DC-AC 変換の複雑さが軽減され、DC 損失が減少し、敷地のグレーディング/土木作業など。」

しかし、彼はいくつかの懸念も持っています。「MVDC は、建設と O&M のためのまったく新しいボールゲームを意味します。この場合、DC/DC オプティマイザー以外に太陽光発電に特化した機器はあまりありませんが、既製のもの以外はすべて認定を受ける必要があります」 UL などによるものですが、それには時間がかかる場合があります。」

「これは、O&M（誰が、いつ、どのようにシステムを保守できるかという要件）や稼働時間にも影響を与える可能性があります。これは、電力変換器における大きな単一障害点です」とシャオ氏は述べた。 Garabedian 氏は、「私たちが話している大規模な中央インバーターは、しっかりとした十分に理解されたサービス記録を備えた電力網に広く導入されています。私たちは、可用性、MTBF、サービスコスト、故障モードなどに関する長い履歴データをすでに持っています。これらのことは、 「この製品は 50 年前から存在しており、適切なディレート係数と内部冗長レベルを使用して設計されています。これは、システムのこの部分に確立された製品ラインを使用することの大きな利点です。」

シャオ氏は続けて、「増分中電圧アーキテクチャが見られない理由の 1 つは、安全性の向上などを考慮すると建設コストが跳ね上がり、コストの節約を上回る可能性が高いためです。ただし、それが可能であれば、 「単一の 100 メガワット ユニットにかかるすべてのコストを償却できるほど大幅に跳ね上がると、確かに、純コストの大幅な削減が見られます。重要な要素は、これらの DC/DC 変換ユニットの実際のコストになります。」

シャオ氏は、このアーキテクチャはまったく新しいものではないと指摘します。 Alencon は DOE からの資金提供と Stephens Capital Partners からの支援を受けて、2,500 VDC バスを使用するにもかかわらず、このタイプのアーキテクチャに取り組んできました。 Shiao 氏は、SunPower が（DragonFly の買収に基づいて）これらの方針に沿った取り組みを進めている一方で、Ampt も過去数年間、ユーティリティ分野でストリングレベルの DC 最適化を推進していると示唆しています。

シャオ氏は「今年 1,500 ボルトが大きな注目を集めるのと同じように、太陽光発電の電気 BOS コスト削減の次のステップを検討している人は、DC-DC の最適化に注目する必要がある。」と結論づけています。

GTM Researchの太陽光アナリスト、スコット・モスコウィッツ氏は、「これは1,500ボルト（への移行）よりも飛躍的に野心的であり」、「はるかに大きなハードル」があると指摘する。 1,500 ボルトへの移行には、サプライ チェーンの小さな変更、製品の再構成とテストのための研究開発、PV コンポーネントの規格の段階的な変更のみが必要で、以前の 1,000 ボルトへの進化の前例もありました。 中電圧 DC にはさらに多くの技術開発が必要であり、他のエネルギー産業から変換技術を借用する必要があります。」

ファースト・ソーラー社の最高経営責任者（CEO）、ジム・ヒューズ氏は昨年、「今日構築されている大規模アレイは、本質的には大規模な屋上システムだ。なぜなら、それは昔の法規当局が理解していたことだからだ」と語った。事前に汚れのないきれいな紙の上でゼロから構築した場合、あなたが構築するものは、今日私たちが構築するものとは異なったものになるでしょう。」

「今後 5 年間で、業界は DC バスの使用量を増やし、より少ないインバータで高電圧での AC 変換を使用する、根本的に異なるアーキテクチャに移行することになると思います。[...] また、私たちは、電気の使用方法とのより緊密な統合が必要です。」 同氏は、DC側にも何かをする機会があると述べた。 「同じ場所に設置するか、適切な距離内に配置することができれば、DC をデータセンターに直接導入することができ」、その結果「方程式の AC 変換側全体を回避することで 15% のコスト削減が可能になる」とヒューズ氏は述べています。