| Project/Area Number |
23K03821
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | University of the Ryukyus |
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Principal Investigator |
千住 智信 琉球大学, 工学部, 教授 (40206660)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | ゼロエネルギーハウス / 再生可能エネルギー / カーボンニュートラル / ダックカーブ / 電力系統 / 最適運用方法 / 最適容量 / ロバスト最適化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、住宅に設置する太陽電池の配置方法の最適化手法に関する研究を行う。１年間において得られる電力量を最大化する配置方式を検討する。次に電力系統の大型火力発電機の起動停止計画問題を取り扱い、多数の住宅と連携して電力系統の運用制約を適切に回避すると共に電力系統の運用コストを最小化する制御手法を検討する。発電電力量の予測誤差に関する対処方法としてロバスト最適化手法の適用を検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
パリ協定の発効により、我が国の第６次エネルギー基本計画では、2050年度にカーボンニュートラルを目指すことが目標として掲げられている。しかし、地球温暖化ガスの削減は、遅々として進んでいない状況であり、今後革新的な技術が開発されなければ、我が国における温室効果ガスの排出量削減はかなり厳しい状況である。地球温暖化の進行を抑制するためには、脱炭素化社会を構築することが重要であり、近年CO2排出量が増加している運輸部門や家庭部門で利用されているエネルギー消費量を削減することが求められている。
家庭部門のエネルギー消費量削減のためにZEHの導入が政府主体で推進されている。高効率機器の利用や壁や窓の高断熱化材質の採用により消費エネルギーを削減できることが認識されており、今後建設される住宅の多数はZEHとして導入されると推察される。加えて再生可能エネルギー由来の電力供給により、更なる地球温暖化ガス削減が可能であるため、安価となった太陽光発電設備をZEHへ導入されると見込まれる。
太陽光発電設備価格は飛躍的に減少しており、近年では、25万円／kW以下で家庭へ導入されている。地球温暖化ガスの削減を進めるためには再生可能エネルギーの積極的利用を推進すべきであるが、近年では太陽光発電設備の導入が進展している島嶼地域や太陽光エネルギー賦存量が豊富な地域では、太陽光発電設備の大幅な増加により電力系統へ様々な弊害（例えば系統周波数変動や配電電圧変動）が生じている。そのため、小規模な太陽光発電設備を導入するZEHにおいても電力系統への太陽光発電設備の連系が困難な地域もある。脱炭素化社会を構築するためには、更なる太陽光発電設備を住宅へ導入することが求められる。
本研究においては上記の目的を達成するために、ゼロエネルギーハウスへ設置する再生可能エネルギーと蓄電池の最適容量と最適運転方法について検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ゼロエネルギーハウスの再生可能エネルギーである太陽電池容量と蓄電池容量を先ずは決定するために定式化を行った。設備容量を最適化するために、多目的最適化手法を導入した。すなわち、設備容量を増加する事により多くの発電電力が太陽電池により得られるため、ゼロエネルギーハウスが外部から購入するエネルギーは少なくなる。しかし、初期導入コストが増加することから過大な容量（太陽光発電設備、蓄電池）を導入する事は経済的に不利となる。そこで、評価関数として導入する設備コストと年間の電気料金を共に最小化する多目的最適化問題として定式化した。この最適化問題を解くための方法としては混合整数線形計画問題（MILP）を採用した。近年では、MILPの商業ソフトウエアが各社から提供されていることから、プログラム開発時間を短縮するために、本最適化手法を利用した。
多目的最適化手法を適用した結果、予想されたようにパレート解が得られた。太陽電池パネル数と蓄電池容量を増加することにより、外部からの買電料金が低減されるが、設備コストが増加する事が明らかとなった。
次に電気料金を低減するために、蓄電池の最適充放電運転とヒートポンプのオンオフを制御した。最近は夜間における電気料金も高額となることから、昼間に太陽電池パネルから発電された電力を利用する事で買電電力量の低減され、結果的に電気料金の削減に大きく貢献する。ただし、翌日の天気を正確に予測することは困難であることから、実際の運用は当日の天気を正確に予測することが必要とされる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の方向は、前年度の研究の状況から次のような事が検討される必要がある。
①予測誤差を考慮したロバスト最適化手法の導入検討 太陽電池の発電は日射量に応じて大きく変動する。そのため、正確に日射量を予測して翌日の最適運用に活用する事が必要である。しかし、実際に正確な日射量の予測には限界があることから、日射量の予測値に予測誤差が発生した場合でもゼロエネルギーハウスの消費電力を大きく増加させないようなロバスト最適化手法の適用が重要となる。
②モデル予測制御の導入検討 日射量の予測は直近のデータを用いることにより予測値の精度が向上する。このため、頻繁に日射量の予測を行い、その予測値に応じて最適な運用方法を提示するモデル予測手法の適用が有用であると予想されることから、今後はこの手法の適用を検討する。
③ダックカーブ現象を緩和するための運用方法の検討 電力系統のダックカーブ現象を緩和するために、ゼロエネルギー住宅の電力需要は夜間は消費電力を低減し、昼間の消費電力を大きくすることが必要である。ただし、ダックカーブは昼間における太陽光発電の状況に応じて大きく変動することから、翌日の日射量の予測が重要となる。
④リアルタイムプライスによる需要家インセンティブの導入 ③の検討事項において需要家の行動を日射量に応じて変化させるためには、電気料金等のインセンティブを利用することが重要であると考える。すなわち、翌日が晴天であれば、夜間の電力使用量を抑制し、昼間においてヒートポンプを動作させ、蓄電池へ電力を充電させる。このことにより太陽電池から発電された電力を需要家で利用することが可能であるため、電気料金を上昇させる事無く電力系統の見かけ上の電力需要を増加させることが可能である。従って、気象条件に応じてリアルタイムプライシングを決定することは重要である。
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