太陽光発電システム上の積雪動態の解明と予測への展開

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01873
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 大竹 秀明 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (10727655)
• 研究分担者: GaridaSilvaFonsecaJunior Joao 東京大学, 生産技術研究所, 特任准教授 (00716582) ; 庭野 匡思 気象庁気象研究所, 気象予報研究部, 主任研究官 (10515026) ; 神山 徹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究チーム長 (40645876) ; 山口 順之 東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (50371224) ; 今井 正尭 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (70830389) ; 小野 耕介 気象庁気象研究所, 台風・災害気象研究部, 主任研究官 (70845677) ; 大関 崇 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (90425736)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 太陽光システム / メガソーラーサイト / 積雪動態 / 発電予測 / 短時間先予測 / １日先予測 / 燃料費最小化 / 発電機起動停止計画問題

研究実績の概要

太陽光発電システム（PV）の上の積雪動態の把握のため、モニタリングをワインの里池田ソーラー発電所（北海道池田町）で冬季3シーズンに渡って実施した。
【計測】RICOH THETA 360°カメラを使った広視野高頻度（1分）観測システムを改良し、また可視・赤外（10分）の各種画像を取得し、約30ケースの積雪イベントを検出した。積雪深とPV上の積雪の融解・落雪にはある程度パターンがあることが見いだされ、また多くの事例解析より発電所の各種計測値と落雪時刻の相関性からキーとなる計測データの特定が概ね出来た。積雪前後の衛星画像を使ったPV施設への積雪評価を行うAI画像処理技術の開発を行ったが、積雪判定には精度改善の余地が残された。
【分析】PV上の積雪が形成された場合に、積雪が落下しやすい状況なのかを気象庁大気―積雪結合システム（LFM-SMAP）を用いてシミュレートした結果、落雪事例の特徴として、①前6時間降雪量0.3mm以上、②積雪安定度NSI<15以下であることがわかった。NSIが高くとも、表層10cm体積含水率が1%を超えた場合に落雪が起きている事例もあり、落雪の形態が複数存在する可能性がある。
【予測・評価】積雪による前日のPV出力予測の誤差を緩和する手法の検討では、試行錯誤の結果、発電予測をした後に積雪の影響を図る専用モデルを組み合わせることが最も効果的であるとわかった。提案モデルは従来モデルよりRMSEは16％、MAEは22％減少した。また、メソスケールの気象予測の不確実性を考慮して決定論的予測を改善するために、アンサンブル予報結果に時間相関を考慮したクラスタリングから最適予測シナリオを構築する手法も開発した。発電機起動停止計画を解く電力需給シミュレーションでは蓄電池の大量導入よりもPV出力低下予測の精度向上による運用コストの削減効果が高いことが示唆された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Clustering Technique Suitable for Eulerian Framework to Generate Multiple Scenarios from Ensemble Forecasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Ono Kosuke
  • 雑誌名: Weather and Forecasting 巻: 38 ページ: 833～847
  • DOI: 10.1175/WAF-D-22-0137.1
  • 査読あり
• [学会発表] 極域気候モデルによってシミュレートされた1991年から現在にかけての南極氷床表面大気・雪氷物理状態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 庭野匡思, 橋本明弘, 津滝俊
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 招待講演
• [学会発表] Estimation of seasonal snow mass balance in Japan with a high-resolution snow cover simulation system by Japan Meteorological Agency (2023)
  • 著者名/発表者名: Niwano, M., M. Suya, K. Nagaya, S. Yamaguchi, S. Matoba, I. Harada, and N. Ohkawara
  • 学会等名: IUGG2023
  • 国際学会
• [学会発表] 北西グリーンランド氷床上 SIGMA-A サイトにおける雪氷・気象観測研究の新展開に向けて (2023)
  • 著者名/発表者名: 庭野匡思, 西村基志, 島田利元, 山崎哲秀, 大河原望, 砂子宗次朗, 青木輝夫, 橋本明弘, 谷川朋範, 的場澄人, 山口悟
  • 学会等名: 雪氷研究大会2023
• [学会発表] Recent updates of the polar regional climate model NHM-SMAP (2023)
  • 著者名/発表者名: Niwano, M
  • 学会等名: Polar CORDEX Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 時変平均回帰モデルを用いた積雪によるP V 出力予測誤差の電力需給運用への影響評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小室拓翔，山口順之，真鍋勇介，大竹秀明
  • 学会等名: 電気学会電力・エネルギー部門大会（2023年9月, 講演番号151）
• [学会発表] Evaluation of PV Output Prediction Errors Due to Snow Coverage on Unit Commitment Using a Time Varying Mean Reversion Model (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuto Komuro, Nobuyuki Yamaguchi, Yusuke Manabe, Hideaki Ohtake
  • 学会等名: IEEE PES ISGT Asia (Paper ID: 77 Dec., 2023)
  • 国際学会
• [図書] 気象研究ノート第247号「再生可能エネルギーの気象学」 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大竹 秀明・野原 大補・中島 孝 編集
  • 総ページ数: 208
  • 出版者: 公益社団法人日本気象学会
  • ISBN: 978-4-904129-30-2
• [備考] 産業技術総合研究所 福島再生可能エネルギー研究所 太陽光システムチーム
  • URL: https://www.aist.go.jp/fukushima/ja/unit/PVSAT.html
• [備考] 北海道における太陽光発電システム上の積雪モニタリング
  • URL: https://unit.aist.go.jp/rpd-envene/PV/ja/results/2022/poster/P41-Ohtake.pdf
• [備考] 東京理科大学 工学部 電気工学科 山口研究室
  • URL: https://www.yamaguchilab.info/