直流による地産地消システムでの太陽光発電の最適運用技術

金沢工業大学 工学部 電気電子工学科教授 泉井 良夫
令和３年２月２５日

1背景
2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略
令和2年12月
本年10月、菅内閣総理大臣は2050年カーボンニュートラル、脱炭素社会の実現を目指すことを宣言しました。
これを踏まえ、経済産業省が中心となり、関係省庁と連携して「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」を策定し、本日（令和2年12月25日）の成長戦略会議で報告しました。
この戦略は、菅政権が掲げる「2050年カーボンニュートラル」への挑戦を、「経済と環境の好循環」につなげるための産業政策です。
https://www.meti.go.jp/press/2020/12/20201225012/20201225012-1.pdf
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CO2の部門別排出割合
その他
業務・家庭 11%
10%
運輸17%

電力由来
37%

産業
25%

https://www.meti.go.jp/press/2020/12/20201225012/20201225012-1.pdf
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電力部門の脱炭素化は大前提
項目

再エネ

内容
最大限導入。系統整備、蓄電池→洋上風力・蓄電池産業成長分野に

水素発電

供給量・需要量の拡大、コスト低減→水素産業を創出

火力＋CO2回収火力は最低限必要、使わざるを得ない→ｶｰﾎﾞﾝﾘｻｲｸﾙ・燃料ｱﾝﾓﾆｱ産業の創出

原子力

安全性向上、次世代炉→可能な限り依存性は低減しつつも、引き続き最大限活用→安全性に優れた次世代炉の開発

https://www.meti.go.jp/press/2020/12/20201225012/20201225012-1.pdf
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太陽光発電導入量

太陽光発電は、既に相当量導入済み

https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2018html/1-3-1.html
5太陽光発電（小規模）は地産地消活用へ

FIT法⚫ 固定価格買取

改正FIT法

FIP＆FIT法⚫ 入札制度⚫ 複数年度の調達価格⚫ メンテナンス義務化⚫ 競争電源（市場連動買取価格）⚫ 地域活用電源（災害時レジリエンス）

卒FIT電力https://www.meti.go.jp/shingikai/santeii/pdf/046_01_00.pdf

6コロナ禍と再エネの地産地消
変化
接触回避

人流／物流の変化

消費
側

分散型

職住不近接

サプライチェー
ン再構築
脱炭素化・グリーンリカ
バリーの契
機

影響

対処と今後の課題⚫ 需要が集中型から分散型にシフト（固定オフィス→家庭・シェアオフィス等）⚫ 人流の減少（通勤、出張、会議等）⚫ ECに伴う物流の増大⚫ 新たな日常・生活様式・企業活動を踏
まえた、「with COVID-19」のエネル
ギー需要高度化・全体最適化に向けた取り組みの検討⚫ プロセス自動化、生産の一部の国内回帰等⚫ エネルギー転換（電化、水素化など）の支援・推進⚫ 欧州を中心に、景気対策xグリーンの流れを強化する動き⚫ 消費の高効率化（AI, IoT、デジタル化）や、脱炭素化・エネルギー転換に資することが、市場シェア獲得における競争力に直結

経済対策によグリーンリカバリー

需要見通しへの不確実性向上

る景気刺激

再エネによる⚫ 資源・燃料の安定的な調達
地産地消

リスク回避による投資低迷

脱炭素化

供給側

⚫ 化石燃料価格の不透明さによる上流し弦投資の減少⚫ 脱炭素化・エネルギー転換に不可欠な高エネル
ギー密度電池等の材料となるレアメタルの更なる需要増加⚫ 安定供給に必要な電源／ネットワーク／インフ
ラ投資の低迷⚫ エネルギー・環境イノベーション投資が計画的に実行される更なる整備、デジタル化の促進⚫ サプライチェーン構築圧力が高まる中、その国の脱炭素化の進展が立地競争力に直結⚫ 脱炭素エネルギー供給の更なる導入⚫ 世界の分断化・ブロック化などの懸念もある中、国産エネルギー（準）国産エネルギーの重要性の高まり
レジリエンス 経済安全保障⚫ エネルギーレジリエンスの一層の強化

脱炭素化の加速

意識の向上の定着⚫ 災害のほか、感染が発生／拡大すると供給サイトの操業に悪影響を与える可能性

https://www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_subcommittee/031/pdf/031_004.pdf

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再生エネによるエネルギーの地産地消⚫ 直流で発電⚫ 蓄電池も直流⚫ 電気自動車も直流⚫ 直流は停電しにくい

太陽光発電システム

直流マイクログリッドで地産地消を実現
8金沢工業大学（KIT）での実証実験②地方に特有の出力安定型再エネでベストミクス

創る
太陽光・
風力発電
配る・貯める蓄電池
熱活用

地熱発電・
地中熱

バイオマス
発電

④次世代モビリティ（電動車）とのSystem of Systems、ならびに直流給電③レジリエンス向上と、ブロックチェーン③レジリエンスと、エネルギー自由のAI活用による地産地消化時代の地産地消にあり方

使う・操る
①
熱と電気を
①電気と熱をエネルギー
有機的に連携
ハーベスト

エネルギー
シェア

小水力発電

EV活用
(V2X)
直流給電

エネルギー
自立

エネルギーマネージメント技術
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KIT実証実験／ロードマップ(2)ビルレベル（公民館等）のエネルギー縮図モデル(2) 規模を拡大

直流・大容量直流システム
・大容量バイオマス
・温度差（バイナリー）発電・直流負荷（照明、空調）・複数EV連携、再エネ水素

KIT Innovation
Hub

熱配管

(3)直流を連系(1)住宅レベルのエネルギー縮図モデル(1)-①直流システム(2)-②熱と電気の活用

・太陽光・蓄電池

・熱利用・バイオマス発電

104

103

直流

102101

熱配管(1)-②EV連携
・双方向パワコン(2)-③再生エネ増強
・小型風力発電、熱電発電(2)-③複数コテージ
・熱と電気のシェアモデル
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KIT実証実験／白山麓キャンパス
コテージ全景白山麓キャンパス全景
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KIT実証実験／コテージ内部

エアコン（電気負荷）

コテージ内部（２F寝室）

ファンコイル（熱負荷）
コテージ内部（２Fから１Fを見た場合）
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KIT実証実験／再エネ関連設備
電気(直流)

電気(直流)

電気(直流)

電気(直流)
可搬型
バッテリ

太陽光発電パネル

風力発電

電動自転車発電直流制御システム（パワコン 、蓄電池、監視制御装置）

電気(直流)
ＥＬ発光現象を利用した
太陽光パネル劣化診断

白山麓キャンパス
電気(直流)

電気(直流)

熱電気(直流)熱電発電
電気(直流)

双方向高速充電器

小水力発電(導入を計画)

バイオマス

スターリング
エンジン発電エネルギーシェア13

KIT実証実験／システム構成
DCLink#1

softgot
5.0kW

ＥＶ

太陽光パネル

1.7kW

DCLink#2
風力発電機
300W

商用系統

電動自転車
260Ｗ

AGC
6.0kW
コンバータ

直流母線
蓄電池
LIB
7.4kWh

DC/AC
一般家電（ＡＣ電源）

5.0ｋＷ

Biomass

制御装置

制御装置
蓄電池
Pb
10.3kWh

DC/AC

一般家電
（ＡＣ電源）

10.0ｋＷ

熱電発電
モジュール
NP

240Ｗ
温水暖房

温水暖房

スターリングエンジン
7.2ｋＷ

排熱

バイオマスボイラ
58ｋＷ（50Mcal/h)
温水配管

50L/min

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KIT実証実験／直流システムの特徴
交流システムタービン 発電機

蒸気
ボイラ

蒸気⚫ 需給バランスは発電機の回転数⚫ ちょっと狂うと停電になりやすい
供給↑ 需要↑ボイラ

50Hz ± 0.1Hz
51Hz
49Hz
（0.2%の精度）
50Hz

蒸気ボイラ

消費（需要）

発電（供給）

太陽光発電

直流システムパワエレ機器発電大 ➡️ V↑

消費大 ➡️ V↓

EV
定置型蓄電池⚫ 需給バランスは直流の電圧偏差⚫ 多少ではパワエレ機器は動作する

パワエレ機器

パワエレ機器380V直流給電線≥ 360V ≥ 300V
（上5%、下17%の精度）

パワエレ機器

パワエレ機器15

太陽光発電と地産地消⚫ 発電量が変動⚫ 不具合が判別しにくい

太陽光発電システム

地産地消の最適運用への障害

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太陽光発電の発電出力量（例）2019年3月

2019年4月

このデータから不具合が判別できるのか？
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太陽光発電の不具合（異常）例
異常（不具合）名称
1 クラック

要因（推定）
製造工程における初期不良や、輸送・設置工程で、衝撃が加わることによるセル割れの発生

2 ガラス割れ3 汚れ

主に、落石等外的要因

インターコネクト・横タブ4の断線

製造工程で発生する初期不良

鳥の糞や火山灰、工場粉塵等に起因するガラス表面の汚れ

インターコネクタ・横タブ 製造工程で発生する初期不良
5のハンダ不良
何らかの要因により、常時バイパスダイオードが6 ﾊﾞｲﾊﾟｽﾀﾞｲｵｰﾄﾞｼｮｰﾄ
起動して過熱状態となり、故障する
7 PID現象(Potential Induced Degradation)

太陽電池セルとそれを支える金属フレームなどの間で漏れ電流が発生（出典）大内雅之：「太陽電池モジュールの検査方法と不具合事例」、pp.346-349、電気設備学会、2017年6月 18

太陽光発電の異常（不具合）例⚫ 検査ストリング：43,973本（発電所105箇所）⚫ 出力低下検出：615本（発電所54箇所）▼インコネ・横タブ断線
ﾊﾞｲﾊﾟｽﾀﾞｲｵｰﾄﾞｼｮｰﾄ
▼汚れ
▼クラック
▼インコネ・横タブはんだ不良▼その他▼ PID現象▼ガラス割れ（出典）大内雅之：「太陽電池モジュールの検査方法と不具合事例」、pp.346-349、電気設備学会、2017年6月 19

太陽光発電の検査・診断方法（代表例）
EL（Electro Luminescence）検査：⚫ 太陽電池セルは電流を流すと発光する⚫ 発電とは逆方向に、直流電圧を印加して電流を流す⚫ 不具合箇所は発光しない。近赤外カメラで撮影し特定現場でのEL検査風景

クラックが発生したモジュール（出典）大内雅之：「太陽電池モジュールの検査方法と不具合事例」、pp.346-349、電気設備学会、2017年6月 20

従来技術（従来EL法）の課題点⚫太陽光発電システムはAC系統に接続⚫このため、直流を逆流させるためには、✓検査業者を予約✓一旦、システムを停止✓直流電源を太陽光発電システムに接続（手作業）✓検査・診断を実施✓検査機器を取り外して（手作業）、システム復旧

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新技術の特徴⚫太陽光発電システムはDC系統に接続⚫このため、瞬時に直流を逆流できる✓ほぼ常時、オンデマンドで検査・診断が可能⚫太陽光発電予測システムと連携✓発電量の予想と実績＝＞不具合を推定✓不具合発電低下分＝＞より正確な発電量予測⚫人工知能で検査・診断をより正確に✓少ない不具合データで自己学習
22新技術の概要（機能ブロック）本技術
太陽電池パネル診断部

EL診断結果

太陽電池発電量予測部

PV発電量結果

パネル故障可能性診断部

直流電力

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新技術の概要（システム構成）
パネルの監視パネル故障可能性診断部

故障可能性
診断結果

赤外線カメラ

パネル故障可能性診断

太陽電池パネル

直流電力

発光

蓄電池 or 電気自動車
発電量
実績値

撮影

発電量予測値

電池の最適運用
診断画像

太陽電池
パネル診断
モデル
太陽電池パネル診断部

パネル設備
診断結果
気象情報
（積雪を加味）

太陽電池
発電量予測
モデル
太陽電池発電量予測部

現在（明日）の気象情報
24想定される用途⚫卒FIT関連システム（DC、AC）✓太陽光発電システムの自家供給システム⚫地産地消エネルギー供給システム✓マイクログリッド システム（DC、AC）✓オフグリッド電力供給システム（DC、AC）⚫DC電力供給システム✓DCビル、DCハウスなど

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実用化に向けた課題⚫現在は、机上検討レベル⚫今後、実証実験を検討✓金沢工業大学、白山麓キャンパス、エネルギーマネージメント実証実験システムを想定⚫精度検証が必要✓検査・診断、さらには最適運用制御など

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企業への期待⚫本技術の適用を検討頂きたい✓卒FIT太陽光発電システム、オフグリッドシステム、マイクログリッドシステム、特にDCシステムを実装、あるいは検討中の企業様⚫本技術の実証検証を共同研究頂きたい✓金沢工業大学、白山麓キャンパス、エネルギーマネージメントシステム実証実験システムを想定

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：太陽光発電システム、太陽光発電管理方法、及日プログラム• 出願番号 ：特願2020-2000046• 出願人：金沢工業大学• 発明者：泉井良夫、夏梅大輔、田畑浩数、西田義人、松井康浩
28産学連携の経歴⚫ 本件は、これまでに産学連携は実施していない⚫ JST事業としても実施していない29

お問い合わせ先
金沢工業大学
産学連携局 産学連携東京分室
ＴＥＬ ０３ － ５７７７ － １９６４
ＦＡＸ ０３ － ５７７７ － １９６５
e-mail iuctky＠mlist.kanazawa-it.ac.jp30

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