Control System for Hybrid System of OTEC and Desalination Considering Dynamics

• Project/Area Number: 21K04110
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21040:Control and system engineering-related
• Research Institution: Saga University
• Principal Investigator: 松田 吉隆 佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 准教授 (00578429)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 後藤 聡 佐賀大学, 理工学部, 教授 (20225650) ; 杉 剛直 佐賀大学, 理工学部, 教授 (00274580) ; 安永 健 佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 助教 (50758076) ; 池上 康之 佐賀大学, 海洋エネルギー研究所, 教授 (80232172)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 海洋温度差発電 / 海水淡水化 / ハイブリッドシステム / 動特性 / 制御システム

Outline of Research at the Start

本研究では，海洋温度差発電（OTEC）とスプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化を組み合わせて構成される，発電と造水を同時かつ環境にやさしく実現するハイブリッドシステムについて，その動特性を解明しつつ，その制御問題に挑戦する．まず，ハイブリッドシステムに用いられる蒸発器用熱交換器の新たな動特性の表現方法を実験によって創出する．続いて，それを踏まえて，システム全体のモデルを構築する．そして，その動特性を考慮した制御システムの設計手法としてはどのようなものが適切かについて，数値シミュレーション・実機による実験の両面から明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

近年，再生可能エネルギーの有効利用促進が求められているが，その有効なエネルギー源のひとつに海洋温度差発電（OTEC）がある．一方，化石燃料を用いずに海水を蒸発させて淡水化するスプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化システムがある．本研究ではそれらを組み合わせて構成される，発電と造水を同時かつ環境にやさしく実現するハイブリッドシステムについて，その動特性を解明しつつ，その制御問題に挑戦する．令和4年度は，ハイブリッドシステム全体を制御するために必要となる，蒸発器以外の部分のモデル化について取り組んだ．そのモデルを用いて，温海水流量，冷海水流量または作動流体流量を操作量とするPI制御器を構成するための数値シミュレーションを実施し，発電量制御に利用可能な制御系が構築できることを確認した．また，最も基本的なOTECプラントのサイクルであるランキンサイクルを用いたOTECプラントの，温海水流量・冷海水流量・作動流体流量の複数流量を入力として持つ状態空間モデルの構築についても検討した．さらに，高効率化を目指して研究が進められている2段ランキンサイクルを用いたOTECプラントの状態空間モデルの構築について，作動流体流量を入力として持つ状態空間モデルを構築した．一方，スプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化システムの制御について，バルブの動特性を考慮した状態空間モデルの構築およびオブザーバを用いた水位制御の手法についても検討した．関連する研究として，OTECプラントおよびそれと複合的な使用を目指しているスプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化プラントは，その発電原理から海洋上や僻地が設置場所として考えられることから，その遠隔監視・操作を実現するための研究として，海水弁の遠隔操作システムの開発にも取り組んだ．以上の研究成果を，雑誌論文1編，学会発表8件（国際学会4件）によって発表した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和4年度は，ハイブリッドシステム全体を制御するために必要となる，蒸発器以外の部分のモデル化について取り組み，それを踏まえて，発電量制御に利用可能な制御系が構築できることを部分的に確認できたことから，おおむね順調に進展していると考えられる．

Strategy for Future Research Activity

令和4年度は，ハイブリッドシステム全体を制御するために必要となる，蒸発器以外の部分のモデル化について取り組み，それを踏まえて，発電量制御に利用可能な制御系が構築できることも部分的に確認できたことから，今後はハイブリッドシステムのための制御システムの設計手法としてはどのようなものが適切かについての検討をさらに進める．

Research Products

• [Journal Article] Construction of a state-space model with multiple flow rate inputs for an OTEC plant using Rankine cycle (2022)
  • Author(s): Matsuda Yoshitaka、Suyama Daiki、Sugi Takenao、Goto Satoru、Morisaki Takafumi、Yasunaga Takeshi、Ikegami Yasuyuki
  • Journal Title: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration Volume: 15 Issue: 2 Pages: 89-98
  • DOI: 10.1080/18824889.2022.2080471
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] オブザーバを用いたスプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化システムの水位制御 (2022)
  • Author(s): 江原彩斗，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之
  • Organizer: 第41回計測自動制御学会九州支部学術講演会，令和4年12月3日～4日，西日本総合展示場（北九州市小倉北区）新館会議室，2022, 204A4, pp. 136-139
• [Presentation] ハイブリッドサイクルを用いた海洋温度差発電プラントの作動流体流量調節による発電量制御 (2022)
  • Author(s): 井筒遼，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之
  • Organizer: 第65回自動制御連合講演会，2022年11月12日～13日，宇都宮大学 陽東キャンパス，1B1-5, pp. 53-58
• [Presentation] Construction of a State Space Model for a Spray Flash Desalination System with Valve Dynamics (2022)
  • Author(s): Yoshitaka Matsuda, Ayato Ehara, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of SICE Annual Conference 2022, September 6-9, 2022, Kumamoto-Jo Hall, Kumamoto, JAPAN, pp. 448-453 (Hybrid Conference)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Construction of a State Space Model with Working Fluid Flow Rate Inputs for an OTEC Plant Using Double-stage Rankine Cycle (2022)
  • Author(s): Yoshitaka Matsuda, Daiki Suyama, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of SICE Annual Conference 2022, September 6-9, 2022, Kumamoto-Jo Hall, Kumamoto, JAPAN, pp. 442-447 (Hybrid Conference)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Power Generation Control of OTEC Plant Using Hybrid Cycle by Cold Seawater Flow Rate Regulation (2022)
  • Author(s): Yoshitaka Matsuda, Ryo Izutsu, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of SICE Annual Conference 2022, September 6-9, 2022, Kumamoto-Jo Hall, Kumamoto, JAPAN, pp. 71-74 (Hybrid Conference)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化プラントの海水弁の遠隔操作システムの開発 (2022)
  • Author(s): 松尾優佑，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之，江頭成人
  • Organizer: 2022年 電気学会 電子・情報・システム部門大会，広島大学 東千田キャンパス，2022年8月31日～9月3日，GS1-2，pp. 978-981
• [Presentation] ハイブリッドサイクルを用いた海洋温度差発電プラントの温海水流量調節による発電量制御 (2022)
  • Author(s): 井筒遼，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之
  • Organizer: 第66回システム制御情報学会研究発表講演会，2022年5月18日～20日，京都リサーチパーク，114-1，pp. 80-84
• [Presentation] A Pseudo-measurement Approach to State Estimation for Liquid Level Control of Separator in an OTEC Plant Using Uehara Cycle (2022)
  • Author(s): Kotaro Ushijima, Yoshitaka Matsuda, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of the 53rd ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications, Ritsumeikan University, Shiga, JAPAN, HYBRID symposium, October 30-31, 2021, pp. 129-134
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Pseudo-measurement Approach to State Estimation for Liquid Level Control of Separator in an OTEC Plant Using Uehara Cycle (2021)
  • Author(s): Kotaro Ushijima, Yoshitaka Matsuda, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of the 53rd ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications, Ritsumeikan University, Shiga, JAPAN, HYBRID symposium, October 30-31, 2021, pp. 129-134
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2段ランキンサイクルを用いた海洋温度差発電プラントの温冷海水流量を入力とした状態空間モデル (2021)
  • Author(s): 松田吉隆，陶山大暉，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之
  • Organizer: 第64回自動制御連合講演会，2021年11月13日～14日，オンライン開催，2021，2A3-6, pp. 1078-1084
• [Presentation] 久米島に設置されたスプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化プラントの遠隔監視システムの開発 (2021)
  • Author(s): 松尾優佑，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之，江頭成人
  • Organizer: 2021年度(第74回)電気・情報関係学会九州支部連合大会，オンライン開催，2021，08-1P-03，p. 178
• [Presentation] スプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化プラントの水位制御モデルを用いた遠隔操作システムの開発 (2021)
  • Author(s): 松尾優佑，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，森崎敬史，安永健，池上康之，江頭成人
  • Organizer: 2021年 電気学会 電子・情報・システム部門大会，オンライン開催，2021年9月15日～17日，GS3-6，pp. 966-969
• [Presentation] Construction of a State Space Model with Working Fluid Flow Rate Input for an OTEC Plant Using Rankine Cycle (2021)
  • Author(s): Yoshitaka Matsuda, Daiki Suyama, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of SICE Annual Conference 2021, September 8-11, 2021, Online Conference, pp. 176-179
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Construction of a Dynamic Model for an OTEC Plant Using Hybrid Cycle Based on a Simple Dynamic Model (2021)
  • Author(s): Yoshitaka Matsuda, Takenao Sugi, Satoru Goto, Takafumi Morisaki, Takeshi Yasunaga and Yasuyuki Ikegami
  • Organizer: Proceedings of SICE Annual Conference 2021, September 8-11, 2021, Online Conference, pp. 180-183
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2段ランキンサイクルを用いた海洋温度差発電プラントの冷海水流量を入力とした状態空間モデル (2021)
  • Author(s): 陶山大暉，松田吉隆，杉剛直，後藤聡，安永健，池上康之
  • Organizer: 第65回システム制御情報学会研究発表講演会，2021年5月26日～28日，オンライン開催，Gsf-03-5，pp. 1005-1010