エネルギー・ITベンチャーによる「不良ゼロ」目指すメガソーラー

ストリング監視による緻密なO&Mで融資条件が改善

2015/12/15 00:00
加藤 伸一=日経BPクリーンテック研究所

 JR東北本線の前沢駅からクルマで約15分間、「束稲太陽光発電所」は、岩手県一関市の山あいにある(図1)。省エネルギー関連などの技術開発ベンチャー、エプセム(埼玉県川口市)が事業化した、出力約2.2MWのメガソーラー(大規模太陽光発電所)である。

クリックすると拡大した画像が開きます
図1●出力約2.2MWの「束稲太陽光発電所」
下の画像で、メガソーラーの奥に見える、複数のアンテナが立つ山頂が束稲山。左の建物はエプセムの現地事務所(出所:日経BP)
クリックすると拡大した画像が開きます

 「束稲」は「たばしね」と読み、同発電所が、標高594mの束稲山(たばしねやま)の麓に位置することに由来する。この山は、西行が歌に詠み、奥州藤原三代にも縁がある。

 エプセムは、2011年3月に設立され、特殊用途向けのLED照明や関連システム、太陽光発電付きの街路灯などを手がける。太陽光では、発電事業のほか、EPC(設計・調達・施工)サービスやO&M(運用・保守)、遠隔監視システムなども手掛けている。

 同社は、2001年に設立されたエプセル(埼玉県川口市)の流れを汲む。エプセルは、クウェートやイラクで合計約20年間、火力発電事業に従事した経験のある那須野長三氏が設立した。冷凍倉庫用LED照明などで知られ、省エネ機器と電気保安業務を合わせて受託し、ビルなどの省エネでも実績がある。

 エプセムは、エネルギー関連で知識の豊富な那須野氏が会長を、IT関連のプログラマー出身の東日出市氏が社長を務める。エネルギーとプログラムの知見を活かした事業展開が、同社の太陽光発電所の特徴となっている。

 束稲での発電事業のほか、開発やEPCサービスを手掛けた案件が、高圧連系の案件で5カ所、低圧連系で7カ所ある。未稼働の案件では、自社の発電事業で1カ所、開発やEPCの受託が7カ所などとなっている。EPCを手掛けたサイトは、ほぼO&Mも担っている。

牧場跡地に建設、冬季農業の実証時に送電線を敷設

 固定価格買取制度(FIT)の施行が決まり、エプセムは早期に太陽光発電への参入を決めた。那須野会長の火力発電所での長年の経験から、自社で開発・運営できると考えたという。2012年9月に、経済産業省に束稲のメガソーラーの設備認定を申請した。

 土地の目星はあった。那須野家が牧場を営んできた場所で、約30年前に閉鎖していた。この牧場跡地には、連系できる送電線が整備されている利点もあった。2007年に、冬季の効率的な農業技術を検証した際、東北電力が敷設していた。

 エプセムでは、太陽光発電に取り組むに当たり、当初から「太陽光パネルの不具合をいかに早く見つけ、正常な状態で発電し続けるか」をテーマとしてきた。発電設備の状況を正確に把握し、発電設備を常に良好な状態に保つことで、ロスの少ない運用を目指した。

 那須野会長が経験してきた火力発電では、こうした運用は当たり前とも言える。発電所のロスにつながる現象は、例えば、蒸気の漏れ一つでも迅速に見つけて直し、その時点での最高効率を維持できるように運用する。

 一方、太陽光発電には、未知の部分が多く残っている。施工や20年間の売電期間中に、どのような損傷や劣化、不具合が生じるのか、まだ十分に経験が蓄積されていない。「不良のないメガソーラー」の姿を模索している最中にある。

 中でも、太陽光パネルの不具合や劣化の把握がカギを握る。出力1MWで約4000枚、2MWで約9000枚に達するなか、出力異常や不具合の兆候を、どのようにして把握するかである。

 発電状況の把握は、ストリング(パネルを直列接続した単位)ごとに監視することにした。接続箱にあるストリングの入力端子に電流センサーを装着したり、関連機器を外付けするといった方法で、発電量を計測する。

経年劣化を自動で検出できるシステムに

 ストリング監視システムの構築では、エプセムのもう一つの強みが生きた。東社長のプログラムの知見である。

 発電所内の配置を地図状にイラスト化し、発電状況を色分けして表示したり、蓄積した過去のデータを容易に参照したりする、といったプログラム開発に、これまでの経験が生きた(図2)。中でも、インターネット上でプレイするゲームの開発で培った技術が有効だったという。

クリックすると拡大した画像が開きます
図2●ストリングごとの発電状況をひと目でわかりやすく表示
茨城県のメガソーラーの例。上の画像の中央付近の青みがかった場所は、隣の市道との境に設置したフェンスが影になり、発電量が低下している。フェンスの網目の影は、人には見えにくいがパネルへの入光を妨げるという。発電量は1分ごとに計測し、リアルタイムに表示。過去に遡って閲覧する記録用データは、3分間隔の平均値を表示(出所:エプセム)
クリックすると拡大した画像が開きます

 発電量は1分ごとに計測し、送信する。リアルタイムの表示では、この1分間隔で計測したデータを確認できる。過去に遡って閲覧する記録用のデータには、3分間隔の平均値を使っている。

 発電状況は、色の種類や濃淡で10段階に分けて、地図上に表示する(図3)。時間ごとの発電量の変化や、影や雪などパネル表面を覆う障害物の影響に加え、一部のパネルに出力異常があれば、周囲に比べて発電量が落ちている状況などを確認できる可能性がある。

図3●色の種類や濃淡で10段階に分けて発電状況を表示
茨城県のメガソーラーの例。影による影響(上)や、台風の通過時にもトラブルなく発電している様子(下左)、2014年2月の大雪の際には積雪で発電が停止したものの(下中央)、2日後の晴天時に溶けて発電が再開(下右)した様子がわかる(出所:エプセム)
クリックすると拡大した画像が開きます

 日時や発電量だけでなく、日射量と気温を表示し、気象状況との連関も把握しやすくしている。今後は、風速計のデータも加え、結晶シリコン型パネルの風による冷却効果が、どのように発電量に影響するのか、把握したいという。

 東社長によると、太陽光発電では、必要になる監視システムが稼働1年目と、5年後、10年後、20年後とで異なってくると予想している。年を経るほど、必要な要素が増えてくるため、バージョンアップを繰り返すような監視システムになるとみている。開発成果は、自社のメガソーラーで検証し、顧客のシステムに反映していく。

 例えば、5年後、10年後の太陽光パネルの経年劣化の度合いを、自動で検出できるシステムを目指している。3分単位の発電量の平均データを蓄積することで、可能になるという。蓄積したデータの中で、日射量や温度の近い日時の発電量を比較したり、隣接する場所のパネルと比べたりすることで不具合の兆候を検出できるとみている。

発電状況を印象付ける配色に変更

 この監視システムは「SiMas」というブランド名で販売している。冷凍倉庫用LED照明など同社製品を取り扱う、サンデン商事(東京都港区)が販売を担っている。エプセムが監視システムを外販する理由には、導入した太陽光発電所のO&Mの受注につなげる狙いがある。電気保安法人であるエプセルの協力を受け、電気保安管理業務を受託できる体制を整えているという。

 サンデン商事の助言や要請で改良した部分もある。例えば、地図状に発電量を示す際の配色である。まったく発電していない状態を寒々しいイメージの青にし、日射しが強まって発電量が増えるにしたがって青味を薄めていき、黄緑から黄色、オレンジ、そして、フル稼働では、強い日射しをイメージしやすい赤に変わっていくようにした。

 また、今後は、周辺の木や構造物の影による売電損失の額を示せるように、両社で模索しているという。

 サンデン商事によると、エプセムがEPCサービスを請け負う場合には、当初から電流センサーなどを取り付けたエプセム製の接続箱を採用できるために導入費が安くなる(図4)。

図4●監視システムの概要
後付けする場合には、ストリングごとの電流の測定環境によって導入費が変わる(出所:エプセム)
クリックすると拡大した画像が開きます

 他のEPC事業者が設置後、後付けする場合には、接続箱の仕様や、パワーコンディショナー(PCS)メーカーの通信プロトコル(通信の手順や規約)の開示の状況などによって変わってくる。例えば、スイスABB社製の接続箱を使っていた太陽光発電所に後付けした際には、接続箱が元々、電流センサーを備えていたことから、外付け機器などの導入費用を抑えられた。

自社の施工不良も発見

 低圧連系の太陽光発電所に導入した例もある。岩手県の出力約50kWのサイトで、24枚で構成した9アレイ(太陽光パネルの架台に設置する単位)を、アレイごとに1台のPCSで制御している。出力規模が小さいために、コストが相対的に大きくなるものの、エプセムがEPCから受注していたために実現した案件だという。

 高圧連系する発電所と違い、接続箱がないため、発電量のデータは、ストリング単位ではなく、PCS単位で扱うことにした。このため、電流センサーなどハードウェアの追加は不要だった。通信は、安価な無線通信サービスを使った。データ送信量は、利用する無線通信サービスが定める1日の上限を下回る、1日110Mバイト以下に抑えた。

 画面に表示する地図状の見取り図の作成では、高圧連系の案件の場合、設計図面を基にするが、岩手県の低圧連系の案件では、ドローン(無人小型ヘリコプター)で上空から撮影した画像を使った。ドローンは、開発時の調査などに使う空撮画像の撮影用に購入した。

 最初に監視システムを導入したサイトは、エプセムがEPCサービスを受託した茨城県のメガソーラーだった。同システムを活用して最初に見つけた不具合は、施工の不良だったという。「通電試験の開始直後、監視システムの画面を見ると、真っ青に表示され、まったく発電していないパネルが複数あった。調べてみると、外観上は接続されているように見えていたが、パネル間の接続ケーブルのコネクター内部で正確に接続していないパネルがあり、正しく接続し直した」(東社長)。

資金の確保に苦慮

 監視システムの開発が進む一方、束稲のメガソーラーは資金調達で苦労した。東社長は、「サンデン商事なくして、束稲のメガソーラーは実現できなかった」と強調する。

 投資額は約6億2000万円。太陽光パネルは東芝製、PCSは東芝三菱電機産業システム(TMEIC)製と、コストよりも信頼性を重視して決めた。また、稼働開始時期を2014年3月に設定していたため、1~3月という積雪期に施工する日程になり、投資額は相対的に増えたという。

 事業資金は、金融機関から調達しようと考えた。しかし、どの金融機関も融資には至らなかった。1行のみ、「完成した頃に融資する」という条件で、融資を受けられる見込みが立ち、設備の調達を担ったサンデン商事が発電設備・資材を発注した。

 しかし、その後、この金融機関から、融資の実行は、完成後になることを伝えられた。それでは、発電設備・資材の支払いに間に合わない。そこで、この金融機関からの融資を諦め、サンデン商事からの借り入れに切り替えた。サンデン商事は、その資金をメガバンクから借り、エプセムに貸した。

 買取価格は40円/kWh(税抜き)である。年間発電量は約125万kWhを見込み、年間9000万~1億円の売電収入を想定した。稼動1年目の売電実績は、年間1億円を若干、下回る結果となった。それでも、一般的な水準で見れば、「好調」といえる。

 自社開発した監視システムが真価を発揮するのは、経年劣化などが生じる今後になるが、実は、エプセムのメガソーラー事業にとって、すでに大きな利点をもたらした。

 地方の金融機関2行が、借り換えの融資を希望してきたのである。いずれも建設前には、融資を断られた金融機関だった。1年目の実績に加え、ストリングごとの発電量を分単位で把握でき、履歴も確認できることなどが評価され、融資の条件が有利になったという。このうちの1行から、相対的に有利な条件で融資を受け、借り替えることになった。

東にスキー場並みの急斜面、発電量に大きく寄与

 束稲のメガソーラーの設備面での特徴は、敷地の東側が、西から東に約30度の急勾配で下っていることである(図5)。スキー場の中級クラスに匹敵するような角度となる。敷地の西側も、東側ほどの広さではないが、東から西に同じように急勾配で下っている。これらの急斜面以外の場所でも、西から東に向けて、緩やかに下っている。

クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
図5●敷地の東側が約30度の急勾配で下っている
西端にも同じような急勾配がある。これらの急斜面以外の場所でも、西から東に向けて緩やかに下っている。傾斜の吸収と施工性に長けたドイツ企業製の架台を採用(出所:日経BP)

 東の急斜面は、午前中は比較的、太陽と正対に近くなり、午後になると発電には不利になってくる。束稲のメガソーラーでは、この東斜面の午前中の発電の多さが、全体の発電量を押し上げているという。

 実際、束稲の発電所では、発電量全体の約3分の2を、正午までの発電量が占めているという。東社長によると、「監視システムを導入した案件では、概ね午前の発電量の方が多くなっており日本の太陽光発電所は、東からの日射を優先して設計することが、発電量の最大化に有効かもしれない」と分析する。午後の発電量が比較的少なくなるのは、夏の夕立ちなど、午後から悪天候に変わりがちな傾向が影響している可能性も指摘する。

 金融機関からの借り換えの際、金融機関から紹介されたイー・アンド・イー ソリューションズ(東京都千代田区)によるデューデリジェンス(資産価値調査)の結果でも、監視システムの有効性とともに、東斜面の発電量の多さが特筆されていたという。

 発電開始後に変更したこともある。東の急斜面に並べた太陽光パネルのストリングの構成である(図6)。

図6●東の急斜面の下段は、前の列の影がかかる
影がかからない上段のパネルと、影で発電量が減る下段のパネルを分けるストリング構成に変更(出所:日経BP)
クリックすると拡大した画像が開きます

 束稲のメガソーラーでは、パネルを縦向き2段・7列の14枚を直列に接続し、ストリングを構成している。しかし、東の急斜面では、下段のパネルに前の列の影がかかる時間帯がある。その時間帯には、影がかかって発電量が下がったパネルが半分を占めるストリングの出力に合わせて、PCSが最大電力点(MPPT)制御することになり、通常通りに発電できているパネルまで、出力が下がってしまう。しかも、東の急斜面の発電の全体への寄与が大きい。

 この状態を解消するため、東の急斜面のストリングの構成を、稼動後に変えた。アレイ間をまたぎ、上の段の7枚を、隣のアレイの上の段の7枚と接続するストリングとした。下の段も同じように、隣のアレイの下の段の7枚と接続するストリングとした。フルに発電する上の段と、影の影響を受ける下の段だけで構成するストリングに分け、どちらのストリングもその時点での最大電力を出力できるようにした。

 また、12月中旬~3月の積雪期には、当初はパネル上から除雪しない方針だったが、雪が緩んできた段階で、パネル上から除雪する運用に変えた(図7)。

図7●除雪の効果
2015年2月3日の時間ごとの発電状況。パネル上の雪が緩み始めた10時ころから除雪を始め、発電量が大きく向上するストリングが増えている(出所:エプセム)
クリックすると拡大した画像が開きます

 パネル上から除雪しない方針だったのは、除雪作業に伴うマイクロクラックの発生など損傷のリスクを考慮したためだった。しかし、積雪した翌日の天候次第では、10時ころには、パネル上の雪が温まって緩み始めることがわかった。緩んでいれば、パネルの損傷のリスクは抑えられると判断し、パネルへのストレスを最小化する方法を編み出し、除雪することにした。

 除雪したストリングごとに、すぐに発電が回復する。2015年2月の例では、積雪後の売電額が1日約2万4000円に落ち込んだ後、この方法で除雪した翌日には、約21万8000円と効果が大きい。

 束稲における監視システムの効果では、カバーガラスが割れた影響と見られるパネルの出力低下の発見もあった(図8)。

クリックすると拡大した画像が開きます
図8●周囲よりも10%以上発電量が少ないストリングで、パネルのガラス割れを発見
交換しないと、そのストリングの発電量を下げたままとなり、1年間で約2万3000円、20年間で約46万5000円の損失を招く恐れがあると試算(出所:エプセム)
クリックすると拡大した画像が開きます

 周囲のストリングに比べて、発電量が低い状況が続いたストリングを構成するパネルを調べたところ、カバーガラスが割れた上、大きく凹んでいたパネルがあった。EL検査すると、セルの不具合につながっていたことがわかり、交換した。

現地ですべてのパネルをEL検査

 エプセムでは、東芝製パネルを採用した束稲の後、海外メーカー製のパネルを採用することも出てきた。そこで、品質を確認するため、納入されたすべてのパネルを、現地でEL(エレクトロルミネッセンス)検査し始めた(図9)。

クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
クリックすると拡大した画像が開きます
図9●現地ですべてのパネルをEL検査
パネルメーカーと定めた基準を満たしているかを確認する。パネルの返品率が20%に上った案件もある(出所:エプセム)

 パネル製造時や輸送時に生じた可能性のあるマイクロクラック(微小な割れ)などを見つけ出し、一定の基準を満たさない製品は、メーカーに交換を要求する。また、経年劣化の把握に活用する目的もある。

 最近では、現地でEL検査を実施する企業が出てきてはいる。だが、検査作業の負担を考え、抜き取り検査が一般的で、全量を検査する例は珍しい。

 初めて全量をEL検査した約1MWのメガソーラーでは、1カ月以上を要したという。担当者は、この作業に没頭することになる。その後の工夫で、現在では1日に約300枚をEL検査できるようになった。それでも、1MW分の全品検査には約3週間かかるという。

 太陽光パネルメーカーとは、パネル納入時の検収条件をあらかじめ決めておく。マイクロクラックに関しては、「一定の長さで45度以上の角度の場合は不良」、「バスバーが起点になっていたり、バスバーを横断していた場合は不良」、「二つのマイクロクラックがクロスしている場合は不良」といった具合である。この判断に、現地でのEL検査の結果を使う。

 現地でEL検査し、検収条件に基づいて、「不良」と判定したパネルを返品すると、パネルメーカーは返品の多さに驚くという。最初の納品分の返品率が約20%に上った案件もある。この案件では、再納品分の返品率は約0.5%まで改善した。

●発電所の概要
発電所名束稲太陽光発電所
所在地岩手県一関市東山町田河津
敷地面積約4万m2
発電事業者エプセム(埼玉県川口市)
出力約2.2MW
年間予想発電量約125万kWh
設計・施工エプセム
調達サンデン商事(東京都港区)
O&M(運用・保守)エプセム
太陽光パネル東芝製
パワーコンディショナー(PCS)東芝三菱電機産業システム(TMEIC)製
投資額約6億2000万円
売電開始時期2014年9月
買取価格40円/kWh(税抜き)