ソーラパネルでフィールドサーバを 長期安定運用するための基本設計 深津 時広 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構，〒305-8666 茨城県つくば市観音台 3-1-1 要旨 ソーラパネルでフィールドサーバを長期に安定運用するためには，消費電力に応じたソーラパネルのサイズを 試算する必要がある．まず消費電力を抑える工夫のひとつとして，強制通風管の計測前運転をどれくらい短くで きるかを求めた．また単に間欠駆動で消費電力を抑えるだけでなく，メイン CPU で各個別要素を必要な時のみ稼 働させる手法について述べた．ソーラパネルのサイズを試算するにあたり，計算式および実測データの両面から 評価したところ，概算で消費電力 1Wh の機器に対して 15W 前後のソーラパネルが必要という目安を算出した． これを基に，ソーラパネルを用いたフィールドサーバの長期運用試験を行った． キーワード フィールドサーバ，ソーラパネル，消費電力，アスマン式，省エネ制御 緒言 稼働システムを除き，1 時間に 1 回といった定期的なサ ンプリングで十分であるため，非計測時に電源を落とす ことで消費電力を抑えることができる． 近年，フィールドサーバ(深津・平藤 2003)をはじめと このとき，計測時間をできるだけ短くすることが望ま する野外計測システムの利用が盛んになっている．フィ れるが，気温や湿度などを精度よく測定する場合，強制 ールドサーバは ZigBee などの従来のセンサネットワー 通風によってセンサ値をある程度安定させる必要がある． クとは異なり，ネットワークカメラによる画像情報の取 そこでこの時間がどの程度必要か，実験を行った． 得や Wi-Fi/3G によるデータ通信，アスマン式強制通風計 測などを実現するため消費電力が大きい．そのため当初 は商用電源を利用した設置を基本としていたが，多くの 場所への設置が要望されるにつれ，ソーラパネルによる 運用が行われるようになった．このとき，十分な発電容 量のものを用意できるのであれば問題ないが，コストや 設置スペースなどの制約があるため，長期に安定運用す るためにはデータの収集間隔などを含め設置前に様々な 検討が必要となる．そこで本研究では，消費電力を支配 する間欠駆動時の電源 ON 時間や省エネ駆動のための個 別機器制御手法，発電・充電量を推定するためのソーラ・ バッテリの実測評価，これまでの運用事例データに基づ く標準的な設計指針，などについて述べる． 図 1. 強制通風による計測データの変化 図 1 に，1 時間機器を休止させた状態から強制通風を 開始したときの計測データを示す．データは 2012/7/4 の 間欠駆動時の強制通風時間 茨城県つくば市のものであり，フィールドサーバ II を用 いた．このときの外気温 28.3 度であり，指数関数で外気 消費電力を如何に抑えるかがソーラ駆動時において重 要であり，その基本的な手法のひとつが機器を間欠駆動 させることである．農業分野では，異常監視などの常時 温に漸近すると仮定した場合，近似曲線の時定数は 109 秒であるため，5%以下で計測値を漸近させるには，少な くとも時定数の 3 倍の 327 秒は稼働させる必要がある． 個別要素の電源制御手法 タイマ回路などを用いて機器全体を間欠駆動する場合， 時刻補正をしないと計測間隔がずれる，内部メモリが毎 回初期化される，などの不具合が生じる．そこでメイン CPU の電源を落とさず 1 時間に 1 回計測を行う場合，ど のような省エネ手法が考えられるか検討した． 標準的なオープンフィールドサーバでは，メイン CPU (Arduino)，メイン回路(含む Ethernet Shield)，通信モジュ ール(Wi-Fi/3G)，ファン，カメラの各消費電力は 12V に 対して，0.03，0.12，0.2，0.15，0.25A である．このとき， 計測前 5 分間ファンを稼働，計測後ファンを止めて通信 モジュール・カメラを 5 分間稼働し，データ取得・送信 を行いつつ NTP で時刻補正する手法を提案する．このよ うにすることで，安定してデータ取得を行いながら消費 図 3. 20W ソーラの 12V17Ah バッテリへの充電の様子 なお，対象のバッテリは 12V17Ah (20 時間率: 0.85A の 負荷で 20 時間後に 10.5V)であり，一般に 11.5V で負荷遮 断されるため，実際に利用できる容量は約 60% (満充電 時 13V，電圧変化は比例と仮定)の 122Wh となる． 電力を平均 1Wh まで抑えることができた(図 2)． 実証試験 平均消費電力 3.6Wh のフィールドサーバ 2 台を，40W および 50W のソーラパネルで宮城県古川市にて運用し たところ，2013/1/1～3/31 の 90 日間で，72 日および 78.5 日稼働できることが確認された(図 4)． 図 2. 個別要素を電源制御したときの消費電力の変化 ソーラパネル・バッテリの実測評価 必要な消費電力の概算が済んだら，設置場所でどれく らいの電力を発電できるかを検討する必要がある．発電 図４. フィールドサーバ長期運用試験(50W ソーラ時) 2 量は一般的に，その地域の日射量データ(MJ/m )，ソーラ パネルの容量(W)，取り付け角度補正，温度などのロス 率で試算できる．ソーラパネルは季節・緯度などに応じ 謝辞 て角度を付けることが望ましいが，設置条件の制約から 必ずしも最適な角度にはならない．またソーラパネルの 本報告は，農水省「食料生産地域再生のための先端技 容量も，実際はメーカによってばらつきがある．そこで 術展開事業・土地利用型営農技術の実証研究」 ， 文科省 「気 ソーラパネルの発電量を実測し，評価を行った． 候変動適応研究推進プログラム・地球環境変動下におけ 図 3 に 2 種類の公称 20W ソーラパネルを用いた充電実 る 農 業 生 産 最 適 化 支 援 シ ス テ ム の 構 築 」， 総 務 省 験の結果を示す．実験は 2012/11/22-25 に茨城県つくば市 「SCOPE・地域農産物ブランド化を支援する分光型クラ で行った．同じ容量でも，バッテリの充電量が 14%程度 ウドセンサネットワークの農圃場「現場」実証試験」に 異なることが確認された．またこのときの日射量は平均 よる研究成果に基づく． 2 2 で 2.1kW/m ･day(7.56MJ/m ･day)，定格容量が公称 20W のソーラは AM1.5，放射照度 1kW/m2，モジュール温度 25 度で 20W の出力であることから，ロス補正を 0.7 とす 引用文献 ると 1 日で約 30Wh の発電量となる．この試算の場合， 深津時広・平藤雅之（2003）圃場モニタリングのためのフィー 対象のバッテリは約 4 日で満充電となりほぼ一致する． ルドサーバの開発，農業情報研究，12(1):1-12．
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