設計例

Armadillo-IoT ゲートウェイ A6 の動作モードに関して説明します。
動作モードの詳細は[製品マニュアル]を参照ください。

前章で説明した各動作モードで使用可能な起床要因を表3.3「動作モードと起床要因」に示します。
各トリガーの設定方法などは、[製品マニュアル]を参照ください。

本モデル装置の仕様として、

とありますので、

「シャットダウン間欠動作」では、待機時間が長いので シャットダウンモード と アクティブモード を使用することにします。

「スリープ間欠動作」では、待機時間の間隔が「シャットダウン間欠動作」よりも短いので、 スリープモード と アクティブモード を使用することにします。

起床トリガーには、シャットダウン・スリープ双方の間欠動作共に周期的な動作となっておりますので、RTC アラームでの起床のみとします。

はじめに Armadillo-IoT ゲートウェイ A6 を間欠動作させた場合の消費電力を見積もります。
5章(参考) 各動作モードでの消費電力 に参考値がありますので、これを基に試算することとします。

Armadillo-IoT ゲートウェイA6 の消費電力算出手順は以下のとおりです。

では、実際に試算を進めます。

「シャットダウン間欠動作」で使用する動作モードと消費電力とアクティブモードへの復帰時間を表3.6「動作モードと消費電力、復帰時間の関係(「シャットダウン間欠動作」)」に示します。

1 時間おきに観測対象を測定し、1 日に 1 度 LTE 経由でサーバーに測定値をまとめて送信する

アクティブ時間(s) = 起動時間(s) + 測定時間(s)

アクティブ時間(s) = 10 s + 10 s = 20 s

待機時間(s) = 間欠動作間隔(s) - アクティブ時間(s)

待機時間(s) = 3600 s - 20 s = 3580 s

間欠動作消費電力量(Wh) = 待機時間(h) x シャットダウン消費電力(W) + アクティブ時間(h) x アクティブ消費電力(W)

間欠動作消費電力量(Wh) = (3580 s x 1 mW + 20 s x 1541 mW) / 60 s/min / 60 min/h = 9.6 mWh

データ送信消費電力量(Wh) = (30 s / 60 s/min / 60 min/h) x 1541 mW = 12.8 mWh

1 日の消費電力量(Wh) = 間欠動作消費電力量(W) x 24(h) / 間欠動作間隔(h) + データ送信消費電力量(Wh)

1 日の消費電力量(Wh) = 9.6 mWh x 24 h / 1 h + 12.8 mWh = 243.2 mWh

1日の消費電力量(Wh) = 243.2 mWh

「スリープ間欠動作」で使用する動作モードと消費電力とアクティブモードへの復帰時間を表3.8「動作モードと消費電力、復帰時間の関係(「スリープ間欠動作」)」に示します。

10分おきに観測対象を測定し、1 日に 1 度 LTE 経由でサーバーに測定値をまとめて送信する

間欠動作消費電力量(Wh) = 待機時間(h) x シャットダウン消費電力(W) + アクティブ時間(h) x アクティブ消費電力(W)

間欠動作消費電力量(Wh) = (580 s x 91 mW + 20 s x 1541 mW) x / 60 s/min / 60 min/h = 23.2 mWh

データ送信消費電力量(Wh) = (30 s / 60 s/min / 60 min/h) x 1541 mW = 12.8 mWh

1 日の消費電力量(Wh) = 間欠動作消費電力量(W) x 24(h) / 間欠動作間隔(h) + データ送信消費電力量(Wh)

1 日の消費電力量 (Wh) = 23.2 mWh x 24 h / (10 min / 60 min/h) + 12.8 mWh = 3353.6 mWh

1日の消費電力量(Wh) = 3353.6 mWh

Armadillo-IoT ゲートウェイ A6 以外にも電力を消費するユニットがあります。
これらのユニットは運用中絶えず電力を消費するため、消費電力の少ないものを選定しましょう。

今回使用したユニットの各消費電力を表3.10「ユニットの消費電力」に示します。

各消費電力を合算して電力量を算出します。計算式は以下のとおりで、

消費電力量(W) = 太陽電池コントローラ消費電力(W) + 5 V 電圧レギュレータ消費電力(W) + 環境センサ消費電力(W)

計算結果は以下のとおりです。

消費電力量(W) = 12 mW + 12 mW + 2.4 mW = 26.4 mW

消費電力量から、1日の消費電力量を求めます。計算式は以下のとおりで、

1日の消費電力量(Wh) = 消費電力量(W) x 24 時間

計算結果は以下のとおりです。

1日の消費電力量(Wh) = 26.4 mW x 24 h = 633.6 mWh

消費電力量の試算結果は以下になります。

1日の消費電力量(Wh) = 633.6 mWh

Armadillo-IoT ゲートウェイ A6の消費電力量にその他ユニットの消費電力量を加算して最終的な電力量を確認します。

1日の消費電力量(Wh) = ゲートウェイ消費電力量(Wh) + その他ユニットの消費電力量(Wh)

試算結果を表3.11「消費電力試算結果」にまとめます。

無日照動作日数から必要とする蓄電池の容量を求めます。

必要とする蓄電池の容量(Wh) = 1 日の消費電力量(Wh) x 無日照動作日数(日)

仕様では無日照動作日数は 10 日ですので、 10 日分の蓄電量が必要となります。

必要とする蓄電池の容量(Wh) = 876.8 mWh x 10 日 = 8768 mWh

必要とする蓄電池の容量(Wh) = 3987.2 mWh x 10 日 = 39872 mWh

蓄電池のスペックシートで容量は (Wh) ではなく (Ah) で記載されていますので変換します。
DC12Vの蓄電池を使いますので、必要とする蓄電池の容量 (Ah) は以下のとおりです。

8.768 Wh / 12 V = 0.730 Ah
12 V 1 Ah 以上の蓄電池が必要

39.872 Wh / 12 V = 3.323 Ah
12 V 4 Ah 以上の蓄電池が必要

今回は参考例として、株式会社 電菱の JC シリーズから表3.12「蓄電池の例」に示す蓄電池を選定しました。

	蓄電池の寿命を延ばすためには日々の放電で全放電しないように容量を多めに見積もる必要があります。 具体的には無日照日数を 10 日以上とすることを推奨します。

1 日あたりに必要な電力を求めます。
太陽電池が賄うべき電力は以下の 2 つです。

装置全体の使用電力はすでに「消費電力の見積もり」で算出済みですので、ここでは蓄電池への充電について考えます。

蓄電池の容量見積もりで選定した蓄電池の容量は 5 Ah でした。 Ah を Wh に換算する計算式は以下のとおりで、

蓄電池の容量(Wh) = 蓄電池の容量(Ah) x 蓄電池の電圧(V)

計算結果は 60 Wh となります。

蓄電池の容量(Wh) = 5 Ah x 12 V = 60 Wh

1 日当たりの日照時間を 6 時間、満充電までの日数を 3 日とします。
その場合、容量ゼロから 3 日間で満充電にする為には、18 時間必要です。

満充電までの時間(h) = 1 日当たりの日照時間(h) x 満充電までの日数(日)

満充電までの時間(h) = 6 h x 3 日 = 18 h

18 時間で 60Wh の容量を満充電にするために必要な太陽電池の出力電力は、

満充電にするために必要な太陽電池の出力電力(W) = 蓄電池容量(Wh) / 充電時間(h)

以下のとおり 3.3 W となります。

満充電にするために必要な太陽電池の出力電力(W) = 60 Wh / 18 h = 3.3 W

3 日で 60 Wh の容量を満充電にするために必要な 1 日の発電量は、

1 日あたりに必要な発電量(充電分)(Wh) = 蓄電池の容量(Wh) / 充電日数(日)

以下のとおり 20 Wh となります。

1 日あたりに必要な発電量(充電分)(Wh) = 60 Wh / 3 日 = 20 Wh

	ここで満充電までの期間を 3 日としていますが、実際には天気の変動がある為 1 週間程度で満充電になる想定です。

以上より、 1 日に必要な発電量を各動作モード別に算出します。

1 日あたりに必要な発電量(消費電力分)(Wh) = 9 Wh
1 日あたりに必要な発電量(充電分+消費電力分)(Wh) = 20 Wh + 9 Wh = 29 Wh

1 日あたりに必要な発電量(消費電力分)(Wh) = 40 Wh
1 日あたりに必要な発電量(充電分+消費電力分)(Wh) = 20 Wh + 40 Wh = 60 Wh

1日の必要な発電量から、太陽電池の出力電力を求めます。

太陽電池に影響するパラメータとしては、以下の 2 つです。

1 日辺りの年平均日射量は札幌市で 3.81 (kWh/㎡/日) です。

損失係数は以下のとおりとします。

損失係数 = 年平均セルの温度上昇による損失 x パワーコンディショナによる損失 x 配線、受光面の汚れなどの損失 = 0.27(約27%)

	1 日当たりの年平均日射量は NEDO の MONSOLA11 より、 損失係数は NEDO 太陽光発電導入ガイドブックの参考値を使用しました。 NEDO 日射に関するデータベース

太陽電池の出力電力の計算式は以下のとおりです。

太陽電池の出力電力(W) = 1日あたりに必要な発電量(充電分+消費電力分)(Wh) / (設置面の1日あたりの年平均日射量（kWh/㎡/日）x (1 - 損失係数)

最終的に太陽電池の必要出力電力は、以下の試算結果となります。

太陽電池の出力電力(W) = 29 Wh / (3.81 kWh/㎡/日 x (1 - 0.27)) = 10 W

太陽電池の出力電力(W) = 60 Wh / (3.81 kWh/㎡/日 x (1 - 0.27)) = 21 W