Literature review: Open source solar power supply unit for plasma generator/ja

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プラズマ放電システムは、電圧調整器、プラズマ発生器、およびリアクトルで構成されています。一般的に、空気、酸素、窒素、その他の不活性ガスなどの様々な雰囲気下で、アーク放電、誘電体バリア放電、グロー放電の試験を行うために使用されます。

本プロジェクトの目的は、実験用プラズマ放電装置向けの電源装置を構築することです。この用途に特化した太陽光発電電源装置には、最大電力点追従（MPPT）機能と、この用途向けに特別に設計されたインバーターが組み込まれています。これらのコンポーネントは、コンパクトでコスト効率に優れたオープンソースの単一パッケージに統合されます。

プラズマ放電システムのセットアップ

製品構成

1. CTP 2000K プラズマ電源。

• 製品名：低温プラズマ実験用電源
• モデル: CTP 2000K
• 出力電圧(kV): 0-30
• 周波数（kHz）：5～20
• 電力(W): 0～500

2. TDGC2-1 接点式電圧レギュレータ（抵抗式）

• 定格入力電圧：220V
  
• 定格容量：1kVA
  
• 周波数：50Hz
  
• 出力電圧範囲：（0～250）V
  
• 定格出力電流：4A
  
• 重量：6.5kg
  

3. DBDリアクター。

プラズマ放電の応用

1. 高圧条件下でのプラズマ放電を用いた炭化水素からの水素製造^{[ 1 ]}

西田康氏らは、1.5気圧を超える高圧条件下向けに特別に設計された、プラズマ放電を利用した新しい水素製造システムを開発している。_{このシステムは移動車両への搭載を想定しており、現在メタンとプロパンを対象として研究を進めており、138Whrの入力エネルギーで残留メタンと比較して約60%の水素}収率を達成している。

2. 液体燃料エタノール中のマイクロ波放電プラズマによる大容量水素製造^{[ 2 ]}

Bing Sunらは、液体エタノール中のマイクロ波放電プラズマを用いた大容量水素製造について研究を行った。直接定在波結合型反応器を用いた彼らの研究では、最適な条件を探索し、水素流量72.48 g/h、濃度58.1%、エネルギー収率48.32 g/kWhを達成した。

3. メタノール溶液のグロー放電プラズマ電解による水素生成^{[ 3 ]}

Zong Cheng Yanらは、メタノール溶液のグロー放電プラズマ電解による水素生成について詳細に研究した。この研究では、メタノール分解においてH2とHCHOが優勢であることを示し、特に放電電圧700Vにおいて、陽極グロー放電プラズマ電解と比較して陰極グロー放電プラズマ電解の方が水素収率が高く、エネルギー消費量が大幅に低いことを明らかにした。

4. 湿潤状態での非熱表面プラズマ放電の排ガス処理への応用：NOx除去^{[ 4 ]}

J. Joliboisらは、湿潤条件下でのNOx除去のための非熱表面プラズマ放電の応用を調査し、低流量（1 L/分）および100 ppmのNO条件下での排ガス処理におけるその効率を研究した。

5. 生体医療用途向けDBDプラズマ源の特性評価^{[ 5 ]}

M. Kuchenbeckerらは、生体医療用途向けの誘電体バリア放電（DBD）プラズマ源の特性評価を行った。セラミック被覆電極を備えたこのDBDプラズマ源は、追加のガス流量なしで定常状態条件下で動作し、生体試料の治療への応用可能性について研究されている。

6. 抗菌活性における高周波水中プラズマ放電の応用^{[ 6 ]}

MW Ahmedらは、高周波水中プラズマ放電の抗菌活性を研究した。ネオン変圧器を用いて、水系におけるグラム陰性大腸菌の効果的な不活化を実現し、72時間のプラズマ処理後でも大腸菌の顕著な再発は見られなかった。

太陽光発電式プラズマ発生器

太陽光発電によるプラズマ生成システムの設計を詳細に記述した文献は非常に少ない。本節では、以下の文献のみを取り上げる。

7. 誘電体バリア放電用途向け太陽エネルギー駆動型小型マイクロ秒パルス電力発生器^{[ 7 ]}

Zhi Fangらは、DBDリアクターを駆動するための小型太陽光発電式プラズマ発生器システムを設計した。このパルス電源は、最大20kVの高電圧パルスを供給でき、パルス繰り返し周波数は1Hz～2kHz、最大出力電力は150Wである。

• パルス電力発生器は、最大出力電力150Wとなるように設計されており、さらに日照不足やマイクロ秒パルス電力発生器における電力損失を考慮して、100Wの余裕を持たせている。
• 弱い光条件下でのソーラーパネルの出力電力がDBDアプリケーションの要件を満たせない場合、ソーラーパネルを市販のバッテリーに交換することで、9～36Vの出力電圧を得ることができます。
• 入力電圧範囲は10～60Vで、ソーラーパネルとバッテリーの出力電圧範囲の両方に適合しています。PVコンバータの出力電圧範囲は3V～90Vで、トランスの巻線比は1:50です。
• しかしながら、このシステムはPV電力を最適化しないPWM型DC-DCコンバータを採用しており、高周波動作用のスイッチング回路にはZVS機構が欠けているため、電力損失が大きく効率が低い。

8. 低温プラズマ生成のための太陽電池駆動型調整可能高電圧パルス電源の設計^{[ 8 ]}

Mengqi Liらは、電圧を適切に昇圧するために多段昇圧コンバータを用いた太陽光発電式プラズマ発生器を設計した。彼らはマルクス発生器を用いて周波数（500Hz～5kHz）を調整し、その後、変圧器を用いて電圧を最大10kVまで昇圧してプラズマを発生させる。

• 第1段昇圧コンバータは、MPPTアルゴリズムを用いてバッテリーを充電する。
• 6段構成のマルクス発生器と、1:18の巻数比を持ち、二重線並列巻線方式を採用した変圧器が用いられている。
• 彼らは、N-APPJ、DBD、ピンプレートという3種類の放電方式を用いて、プラズマ発生器の試験を実施した。

9. 微生物除染用途向けの太陽光発電式携帯型プラズマ源。^{[ 9 ]}

Y Ni、MJ Lynchら、Mengqi Liらは、微生物除染用の携帯型プラズマ源を設計した。

• 重量わずか750gという驚くほど軽量なデバイスで、太陽光発電で充電されるバッテリーで駆動する。
• 微生物数の減少率は2～8 logの範囲であり、プラズマ生成条件に大きく影響された。
• SMPSユニットでは、昇圧コンバータを用いてLiPoバッテリーの公称電圧7.4Vを30Vに昇圧します。その後、MOSFETハーフブリッジによって30Vの直流信号が高周波方形波に変換され、小型高電圧トランスの駆動に適した波形となります。トランスの出力はSBD電極に直接接続されます。
• 完全に充電されたバッテリーを使用した場合、10Wのプラズマを約1時間連続して維持できることが観察され、これは85%程度の効率を示しており、この種のスイッチング電源としては典型的な値である。
• 低出力プラズマには適しているものの、この種の装置にとってスケールアップは課題となる。

10. 太陽光発電による分散型給水システム：産業廃水処理と飲料水供給の課題に対するよりクリーンなソリューション^{[ 10 ]}

アイニー・ハフィーズ、ズフィシャン・シャメールらは、太陽光発電プラズマシステムを用いた分散型廃水処理システムを設計した。

• 交流電源が反応器に供給され、大気圧下で活電極と接地電極の間にプラズマが生成される（Liu et al., 2017a）。空気の絶縁破壊は3.8 kV、電流周波数37 kHzで発生する。
• 安全な飲料水供給を実現するための潜在的な解決策は、太陽エネルギーを利用した高度酸化反応器を組み込んだ分散型飲料水システムにあるかもしれない。彼らのシステムでは、太陽光インバータシステムで駆動するプラズマ発生器が使用された。
• 彼らはそのプロセスの概略図を示したが、実験的な実施は行われなかった。

個人向け太陽光発電システム

11. 個人使用のためのポータブル自律型太陽光発電プラント^{[ 11 ]}
Javoxir Toshov らは、太陽電池をベースにしたポータブル太陽光発電プラントを設計した。

• ソーラーパネルは20ワットの電力を生成し、インバーターは最大300ワットまで対応可能で、出力電圧は220V、周波数は50Hzです。バッテリーの容量は14Ahで、テレビと室内照明を最大4時間、または室内照明のみを20時間稼働させることができます。
• 最大電力追跡アルゴリズムは実装されておらず、適切なバッテリー充電方法も採用されていません。

12. 家庭用オフグリッドハイブリッドオンライン太陽光発電調整ユニット^{[ 12 ]}
Mohit Chaudhari らは、バッテリーからグリッドに電力を供給し、MPPT 充電コントローラーを使用して太陽光発電を利用する UPS を設計しました。

• MPPT機能を備えた降圧コンバータが、48Vバッテリーバンクの充電に使用されている。
• DSPプロセッサとマイクロコントローラを組み合わせたハイブリッド型のDSPicコントローラが使用されています。
• IGBTベースのインバータが使用されています。また、PWMゲート信号を分離して増幅するハイブリッドIGBTドライバが使用されています。さらに、ドライバとコントローラ間の電気的絶縁のためにオプトカプラが使用されています。
• システムの効率は非常に高く、全負荷時でも85％以上です。

13. 太陽光発電インバータ^{[ 13 ]}
世界中で4 GW以上の設置電力を持つ太陽光発電インバータのグローバル市場リーダーであるSMA Solar Technology AGのRegine Mallwitzらは、グリッド接続インバータを3つの世代に分類し、そのパッケージと構成についてこの論文で議論しました。

• インバーター市場の急成長は主に系統連系型インバーターによるものであり、一方で離島への設置や個人使用向けの太陽光発電用インバーターの数ははるかに少ないことが分かった。
• 第1世代インバータの効率は約90%でしたが、第2世代インバータは約96～98%、そして最新の第3世代インバータはSiCベースの半導体デバイスの開発により99%の効率を実現しています。
• 単相系統への最大給電電力は5kWに制限されているため、ほとんどのインバータはこの電力範囲で設置されている。
  

14. 配電網に接続された太陽光発電システムに適用されるインバータの研究と設計^{[ 14 ]}
Nguyen Duc Minh らは、5kW グリッド接続型 PV スマートインバータの実験プロトタイプをシミュレーションおよび設計しました。

• 彼らは、DCからACへの変換前に最大電力を追跡するために、昇圧コンバータにP&O MPPTアルゴリズムを組み込んだ。
• 彼らはdqフレームを利用して三相スマートインバータの電流を制御し、共通接続点（PCC）における無効電力をゼロに調整している。
• 彼らは、3つの異なる負荷ケース後のインバータの効率が約89.15%であり、全高調波歪みTHD=4.14%（5%未満）であることを発見した。

15. 電圧源インバータ用モジュール制御プラットフォームの設計と検証^{[ 15 ]}
Hernan Lezcano らは、絶縁型および系統連系型システム用の IGBT ベースの商用 VSI コンバータの信号取得および制御ハードウェア設計のためのモジュール設計を発表しました。

• このシステムは、約10kWの負荷に対して三相電力を供給する能力を備えている。
• 彼らはシステムに対して、オープンループテスト、クローズドループテスト、および全高調波歪み解析の3種類のテストを実施しました。その結果、THDレベルは5.3%であることがわかりました。
• 彼らの設計ファイルとコードはすべてオープンソースであり、GNU GPL v3（NU General Public License）で公開されています。