[論文レビュー] Automatic fault detection on BIPV systems without solar irradiation data

Jonathan Leloux, Luís Narvarte+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Energy and Environment Impacts参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、周辺の太陽光発電システムからのエネルギー生産データにのみ依存する、パフォーマンス・トゥ・ピアーズ（P2P）と呼ばれるパフォーマンス指標を用いて、ビルインテグレーテッド・フォトボルタイクス（BIPV）システムのための新しい故障検出手法を提案する。類似した近隣のシステム間の空間的および時間的相関を活用することで、P2Pは従来のパフォーマンス比（PR）よりも高い安定性を達成し、太陽放射量、温度、風速データを必要としない信頼性の高い低コストの自動故障検出を可能にする。

ABSTRACT

BIPV systems are small PV generation units spread out over the territory, and whose characteristics are very diverse. This makes difficult a cost-effective procedure for monitoring, fault detection, performance analyses, operation and maintenance. As a result, many problems affecting BIPV systems go undetected. In order to carry out effective automatic fault detection procedures, we need a performance indicator that is reliable and that can be applied on many PV systems at a very low cost. The existing approaches for analyzing the performance of PV systems are often based on the Performance Ratio (PR), whose accuracy depends on good solar irradiation data, which in turn can be very difficult to obtain or cost-prohibitive for the BIPV owner. We present an alternative fault detection procedure based on a performance indicator that can be constructed on the sole basis of the energy production data measured at the BIPV systems. This procedure does not require the input of operating conditions data, such as solar irradiation, air temperature, or wind speed. The performance indicator, called Performance to Peers (P2P), is constructed from spatial and temporal correlations between the energy output of neighboring and similar PV systems. This method was developed from the analysis of the energy production data of approximately 10,000 BIPV systems located in Europe. The results of our procedure are illustrated on the hourly, daily and monthly data monitored during one year at one BIPV system located in the South of Belgium. Our results confirm that it is possible to carry out automatic fault detection procedures without solar irradiation data. P2P proves to be more stable than PR most of the time, and thus constitutes a more reliable performance indicator for fault detection procedures.

研究の動機と目的

• 分散的かつ多様なBIPVシステムにおけるコスト効率の良い監視および故障検出の課題に対処すること。
• BIPV所有者にとってしばしば入手困難または高価な太陽放射量データに依存する従来のパフォーマンス比（PR）の限界を克服すること。
• 気象台の入力データを必要としない、信頼性の高い低コストのパフォーマンス指標を開発し、自動故障検出を可能にすること。
• 類似した近隣の設置施設からのみエネルギー生産データを用いて、BIPVシステムの大規模かつスケーラブルな監視を実現すること。
• 商業的Webサービスプラットフォームを通じて、BIPV所有者、設置業者、政策立案者に実行可能なパフォーマンス診断を提供すること。

提案手法

• P2P指標を提案。これは、特定のシステムの実際のエネルギー出力と、その最も近いピアシステムの平均出力との比として計算される。
• サイズ、向き、傾斜角、位置の類似性に基づいてピアシステムを特定し、同等の性能条件を確保する。
• 近隣のBIPVシステム間のエネルギー生産データの空間的および時間的相関を活用して、期待されるパフォーマンスを推定する。
• P2Pを時間単位（毎時）、日単位、月単位のスケールで適用し、故障を示す偏差を検出する。
• ピアシステムが不足している場合やP2Pが不安定な場合のバックアップとして、太陽放射量に基づくパフォーマンスインデックス（PI）を用いる。
• 商業的Webサービスを活用してリアルタイム監視を実装し、BIPV設置業者および監視会社を対象として展開する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽放射量データなしでBIPVシステムの故障検出を信頼性高く行うことは可能か？
• RQ2 実世界の条件下で、P2P指標は従来のパフォーマンス比（PR）よりも安定性が高いか？
• RQ3 P2Pは多様で小規模なBIPVシステムのパフォーマンス劣化を効果的に検出できるか？
• RQ4 ピアシステムの可用性および空間的近接性がP2Pの信頼性に与える影響は何か？
• RQ5 P2Pは、放射量依存のパフォーマンス指標の代替としてスケーラブルかつ低コストに利用可能か？

主な発見

• 1年間の監視期間を通じて、P2PはPRよりも安定しており、故障検出における誤検出の数を低減した。
• 本手法は、ブルッセールの南郊外に位置するBIPVシステムにおいて、周辺システムからのエネルギーデータのみを用いて、パフォーマンスの異常を正常に検出できた。
• P2Pの安定性は、類似した近隣のピアシステムの数が多いほど向上し、検出精度が向上する。
• 本アプローチにより、高価な気象センサーや放射量データの必要なしに、低コストでの自動故障検出が可能になった。
• 本手法は現在、商業的Webサービスを通じて運用されており、設置業者や運用者による大規模なBIPV監視を支援している。
• 人工衛星、パイラノメータ、PVシステムのデータを併用することで、放射量推定値および故障検出のロバスト性をさらに向上できる。