線形電力調整機能付きスマートサーモスタット「ヘルパー」、「Wi-Fi電圧コントローラー」

オープンソースプロジェクト：線形電力調整機能付きスマートサーモスタット「ヘルパー」、「Wi-Fi電圧コントローラー」

概要：太陽光発電システムの系統電力をリアルタイムに監視し、出力電力を線形に制御できるデバイスを作成します。太陽光発電システムが系統へ出力（売電）する電力量を最小限に抑えることを目的とします。

はじめに

IAMMETER は、お客様の太陽光発電システムの効率を最適化する取り組みを続けてまいりました。売電価格と電気料金の差が拡大するにつれ、系統からの電力消費を最小限に抑え、太陽光発電システムの自家消費率を最大化したいというニーズが高まっています。

自家消費率を高める方法は、一般的に次の 2 つです。

バッテリー蓄電システムを導入する。（IAMMETER は、バッテリー蓄電システムの導入が費用対効果に見合うかどうかを評価するのに役立つ機能を提供していますレポート：実使用データに基づくバッテリー蓄電の効果予測）
負荷を合理的に制御する。理想的には、系統電力に基づいてリアルタイムに調整します。

この記事では主に 2 番目の方法を取り上げ、出力電力を線形に制御できるデバイスを作成します。このデバイスには以下の機能が搭載されています。

Wi-Fi 機能（ESP32 を使用）を備え、Wi-Fi 経由で出力電力を制御できます。
電圧調整モードにより最大出力電力を線形に制御します（電圧を制御するため、ボイラーの発熱体などの純抵抗負荷に適しています）。
単相 3.5kW までの抵抗負荷に対応し、サーモスタットと直列に使用できます。
手動モードに対応し、最大出力電力を手動で設定できます。また、自動モードでは、他のメーターやシステムの系統電力データに基づいて最大出力電力の設定値をリアルタイムに調整します。

システム構成図

電圧調整モジュール（最大 3.5kW の抵抗負荷に対応）

単相 220V システムで最大 3.5kW の抵抗負荷に対応できる標準的な電圧調整モジュールを採用しました。

このモジュールは、標準のアナログ信号入力（4-20mA、1-5V）と RS485 デジタル制御インターフェースも提供します。

電圧調整モジュールの内部に Wi-Fi モジュール（ESP32）を統合しました。

Wi-Fi モジュールを追加した後、電圧調整モジュール全体は次のようになります（Wi-Fi モジュールはプラスチックケースに収納済みです）。

実験

ソリューションをよりオープンにするため、当初は ESP Home ファームウェアを使用してテストしました。

簡単な設定を行うだけで、Home Assistant で最大出力電力を直接制御できます。電力の調整ステップは 10W です。

関連する ESP Home 設定ファイルは、後日 Github に公開する予定です。

電力出力を線形に制御

IAMMETER 製品との連携

この「Wi-Fi電圧コントローラー」を作成する主な目的の 1 つは、IAMMETER システムに線形に出力電力を制御できる負荷を提供することです。

この「Wi-Fi電圧コントローラー」は、統一された IAMMETER API インターフェースを介して、すべての IAMMETER スマートメーター（WEM3080, WEM3080T,WEM3046T,WEM3050T）と連携できます。modbus/tcp インターフェースを介してリアルタイムの系統電力データ（1s/s）を読み取り、太陽光発電システムの売電電力の利用を最大化するため、ヒーターに供給する最大出力電力をリアルタイムに調整します。

もちろん、この「Wi-Fi電圧コントローラー」は IAMMETER 製品専用というわけではありません。理論上は、Home Assistant に統合できるあらゆるハードウェアと組み合わせて使用できます。