作物収量と発電量のバランスに配慮した次世代型営農半透過太陽光発電システムの開発

Research Project

Project/Area Number	22K05908
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 41040:Agricultural environmental engineering and agricultural information engineering-related
Research Institution	Shimane University
Principal Investigator	谷野章島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 教授 (70292670)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	李治島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 助教 (90848392)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	再生可能エネルギー / 栽培 / 太陽光発電
Outline of Research at the Start	本研究は、営農型太陽光発電（温室型，圃場型）において、太陽電池の下で栽培する作物にどのように日射が届くのかという最も基本的な機序を明らかにし、さらに次世代の半透過太陽電池技術をどのように活用できるかを研究して、この新しい栽培発電共存技術の今後の発展の科学的礎になることを目指している。本研究が成功すれば、栽培管理者が、状況や目的によって、作物生産と発電のバランスを制御できるようになる。例えば、成長期には発電を10%、栽培閑期には発電を100%などの設定が可能となる。
Outline of Annual Research Achievements	栽培管理の立場から知りたい情報は、営農型太陽光発電システムの下の植物個体が一日あるいは栽培期間を通じて、どれほどの日射を、どのように受けるかということである。すでに社会実装された初期の営農型発電では、上空から見下ろす座標系で、夏至や南中などの特定の日時に、圃場の影面積を求めるという、単純化されすぎて栽培上実用的でないモデルが使われた。本研究では、この現状を打開して，作物収量と発電エネルギーのバランスを改善するために、太陽電池パネルの下の植物の視点から見上げる日射を計算するプログラムを開発した。そのプログラムによって、島根大学の温室をモデルとして、年間を通じて温室内に影を生じさせないような温室屋根面上の太陽電池設置位置を明らかにした。その上で、その太陽電池パネルで発電可能な年間の電気エネルギーを見積もった。この成果を研究の途中経過として生物環境工学会で発表した。シミュレーションによる見積もりを実証するために、南北棟ガラス温室で等価な実験系を作成して実験データも得た。この成果を農業施設学会で発表した。さらに、間隙透過型太陽電池の下の植物の受光理論を開発した。これにより、作物と太陽電池への日射エネルギー分配比を計算することを可能とした。現時点で入手済みの間隙透過型太陽電池は高価で、50cm x 20cmと小型であるため、作物成体全体を日射から遮光できるような規模ではない。このため、太陽電池、光源、実生植物からなる小型実験系を恒温チャンバー内に試作した。真夏の日射の一日の変化を動的に模擬することを可能とするプログラマブルハロゲンランプシステムを開発し、間隙透過型太陽電池を光源と植物の間に挿入した状態でキュウリ実生を7日間にわたって栽培し、半透過太陽電池による遮光が植物の成長と発達に及ぼす影響を実験している最中である。3つの遮光レベル制御条件でそれぞれ5反復の実験データを収集できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 谷野と李でほぼ予定通り分担して研究を進めることができている。すでに社会実装された初期の営農型発電の単純化されすぎた遮光モデルを改善するために、本研究では、太陽電池パネルの下の植物の視点から見上げる日射を計算するアルゴリズムを考案し（谷野）プログラムを開発した（李）。そのプログラムによって、島根大学附属農場の中規模温室をモデルとして、年間を通じて温室内に影を生じさせないような温室屋根面上の太陽電池設置位置を明らかにした（李）。この成果を研究の途中経過として生物環境工学会で発表した（発表者李、共著者谷野）。シミュレーションによる見積もりを実証するために、島根大学キャンパスの南北棟ガラス温室に等価な実験系を構築して実験データを得た。この成果を農業施設学会で発表した（発表者李、共著者谷野）。さらに、間隙透過型太陽電池の下の植物の受光理論を考案した（谷野）。これにより、作物と太陽電池への日射エネルギー分配比を計算することを可能とした。現時点で入手可能な間隙透過型太陽電池は高価で小型であるため、作物成体全体を日射から遮光できるような規模ではない。このため、太陽電池、光源、実生植物体からなる小型実験系を恒温チャンバー内に試作した（谷野）。真夏の日射の一日の変化を動的に模擬することを可能とするプログラマブルハロゲンランプシステムを開発した。ピーク時には1 kW m-2を放射した。間隙透過型太陽電池をこの光源と植物の間に挿入した状態でキュウリ実生を栽培し、半透過太陽電池による遮光レベルが植物の成長と発達に及ぼす影響を実験している最中である（谷野）。3つの遮光レベル制御条件でそれぞれ5反復の実験データを収集できた（谷野）。以上の進捗状況はおおむね順調である。
Strategy for Future Research Activity	日射計算プログラムを作成できたので、営農型太陽光発電の様々なタイプにおける作物上の影のシミュレーションを継続する。前年度に構築した南北棟ガラス温室の実験系で、屋外、屋内日射量と太陽光発電量の長期にわたる実験データを収集する。栽培上意味のある実負荷の運転も試し、運転に伴う消費電力量の長期にわたる実験データも収集する。作物の収量と太陽電池の発電量を太陽電池の上空占有率、配置形状、透過率をパラメータとし、日射量との関係で本システムの導入の意義を経済性も含め多面的に考察する。例えば、収量と発電量のバランスを保ちながら、経済的に成立しうるシステム導入の限界を検討する。以上の部分は、主に李が担当する。並行して、植物の応答実験を継続する。前年度までに遮光条件ごとに5反復の実験データを得ることができた。途中経過で明らかになってきたことは、キュウリのような強日射に耐性のある作物の実生では、40％程度の間隙透過型遮光率は真夏の日照条件でも過遮光である可能性が高く、徒長してしまうことと、強日射の時間帯のみを適度に遮光すると、実生の生育に抑制的影響はほとんど現れないということである。反復回数を積み上げて、このような傾向が統計的に確実と結論できるまでデータの確度と再現性を高める。以上の部分は、主に谷野が担当する。研究の背景、研究の方法、得られた結果、考察を慎重に整理し、説得力と重要性を詳細に取りまとめて信頼性の強固な原稿を作成し、今年度中に学術界での流布性と評価が高い専門誌に投稿することを目指す。