技術紹介

太陽光発電における気象要素を組み込んだ統合制御システム
竹島孝一 *1

Takeshima Koichi

小林靖雄 *2

Kobayashi Yasuo

植田英治 *3

Ueda Eiji

真島隆司 *4

Majima Takashi

カーボンニュートラル、脱 CO2 社会の実現を目指すため、環境省よりの委託業務（「ナノハイブリッドキャパシタ」を用いた太陽光発電の利用率向上と自立化を支援するシステムの開発）として、太陽光発電（以降、PV）利用率を向上させることを目的とした PV 支援システムの開発、実証試験を 2018 年度から 2020年度にかけ産学官連携プロジェクトとして実施し、当社もそこに参画した。本稿では、当社が担当した PVにおける気象要素を組み込んだ統合制御システムの開発について紹介する。
キーワード：太陽光発電、PV システム、ナノハイブリッドキャパシタ、微弱電力、PV 支援システム、気象要素、統合制御システム、CO2 排出削減

当社は、PV システムおよびそれに付加する PV

1. はじめに支援システムの統合制御システムの開発を担当し一般的な PV システムでは、 パワーコンディた。統合制御システムは、システムの運転に必要ショナー（以降、PCS：Power Conditioning System）な情報類（運転情報・気象情報）を収録・解析、そで、PV パネルから発電した太陽光発電電力を交れらを活用して最適に制御するよう開発を実施し流に変換し電力系統に供給している。しかしながた。

ら、雨天、曇天時など日射量が少なく太陽光発電

2. PV 支援システム

電力が微弱電力状態のときに、PCS では交流電力に変換できない問題がある。

PV 支援システムは、2018 年度から開発を開始

本事業では、これまで変換できなかった微弱電し 2020 年度に完成、東京農工大学 140 周年記念会

力を、ナノハイブリッドキャパシタ（以降、NHC：館（以降、農工大 ZEC：Zero Emission Center）近辺

Nano-Hybrid Capacitor）に蓄積したのち、PCS で交の仮設建屋に設置し、農工大 ZEC の PV システム

流に変換し電力系統に供給可能な PV 支援システを利用して実証試験を実施した。写真 1 に農工大ムを図 1 の体制で開発し、従来の PV システムに付ZEC 近辺の航空写真を用いて仮設建屋の場所を示加することにより太陽光発電利用率を向上させた。

す。

*1：制御システム事業部 産業システム部 IoT ソリューショングループ*2：元制御システム事業部 防衛・宇宙システム部 課長 （現株式会社 IHI 物流産業システム
プロジェクト部 制御設計グループ）*3：制御システム事業部 産業システム部 部長*4：制御システム事業部 調査役

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41

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ロジスティクス BU

IIC REVIEW/2022/04. No.67

「ナノハイブリッドキャパシタ」を用いた太陽光発電の利用率向上と自立化を支援するシステムの開発

環境省
委託
技術開発代表者、システム開発共同実施者㈱IHI 検査計測

日本ケミコン㈱【役割分担】プロジェクト
まとめ、気象要素を組み込ん だ 統合 制御 シ ステ
ムの構築、 開発システ
ムの実証（コンサルティング）【役割分担】実証仕様（β 仕様）NHC セルの試作・性能評価、 実証仕様 （β 仕様）NHC モジュールユニッ
トの詳細設計・試作・評価、セル・モジュールのコスト精査
共同実施者㈲ケー・アンド・ダブル「太陽電池とキャパシタ」の組合せによる新システム
発案者、実証試験のデータのとりまとめ解析を担当

ナノハイブリッドキャパシタ等
エネルギー蓄電部品分野について長年の業務実績あり (終了後の蓄電素子部分の製品化・販売担当)、本プロジェクトの事業化の主要実施者

サンケン電気㈱現、GS ユアサインフラシステムズ㈱インバータ・コンバータ技術、電機システムハードウェアのとりまとめ、充電分野について長年の業務実績あり(終了後の電源部分製品化・販売を担当)、システム化の主要実施者【役割分担】直交変換技術等のエネルギーを電気に変換する技術の高効率化、開発システムの実証
共同実施者
東京農工大学

次世代キャパシタの研究開発/世界的研究拠点、更には、（実証フィールドの提供）多種多様なエネルギー源とオフィスや食堂のデマンドを持つエコビ
ルにて一次実証。

【役割分担】NHC セルの量産化の検討、 α 仕様 NHCモジュールの設計及び実証仕様（β 仕様）NHC セルの構想設計、実証仕様（β 仕様）NHC セルとしての要件の決定、開発システムの実証

図1

委託事業の実施体制図

2.1 システム構成
PV システムでは、PV アレイで発電した太陽光発電電力を PV 用 PCS で直流から交流に変換した農工大 ZEC後、電力系統に直接供給する。今回は、これに加え開発した PV 支援システムは、太陽光発電電力が微弱電力状態のときに微弱電力を電力系統で利用可能な電力量に達するまで NHC に蓄積したのち、キャパシタ用 PCS で直流から交流に変換し電力系統に供給する。PV システムおよび PV 支援システムのシステム構成図を図 2 に示す。また、PV仮設建屋

写真 1システムおよび PV 支援システムを構成する機器

（1）

実証施設

を表 1 に示す。
—42—

PV システム

PV 支援システム

図2
表1No.
1
234構成機器
PV アレイ
NHC
PV 用 PCS
キャパシタ用 PCS

PV システムおよび PV 支援システム構成図

PV システムおよび PV 支援システム構成機器一覧
概要
複数の PV パネルを並べて結線したもの。
従来のキャパシタよりも高容量、高出力なキャパシタ。日本ケミコン担当。
PV 電力を交流に変換する装置。サンケン電気担当。
NHC からの放電電力を交流に変換する装置。サンケン電気担当。

開発した制御アルゴリズムは、4 種類の運転

3. 統合制御システムモードを有し、気象情報・運転情報により適切な3.1 システム構成

運転モードを選択、統合制御システム各所の MC統合制御システムでは、制御に必要な情報を収を ON・OFF して電力供給の状態を変化させるこ集するための電力計や気象計、および電力供給のとにより系統を制御する。以下に 4 種類の運転状態を変化させるためのコンタクタ（以降、MC：モードと各運転モードの切り替え条件を示す。

electromagnetic contactor）を配置し、系統を制御し（1）PV 用 PCS 運転モードた。統合制御システムのシステム構成を図 3 に、PV 用 PCS 運転モードは、PV 出力電力が微弱電構成する機器を表 2 に示す。

力状態でないときに、PV 出力電力を PV 用 PCS で直流から交流に変換し電力系統に直接供給するた

3.2 制御アルゴリズムめのモードとなる。PV 用 PCS 運転モードでの電太陽光発電利用率の向上のためには、NHC に回力の流れを図 4 に示す。

収できずに損失する微弱電力量の低減が課題とな（2）NHC 充電運転モード

る。この課題の解決を目的とし気象情報を用いた

NHC 充電運転モードは、PV 出力電力が微弱電制御アルゴリズムを開発した。

力状態のときに NHC に充電するためのモードで—43—

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図3表2No.
123456構成機器
電力計（6 台）MC（3 台）気象計（1 台）日射計（2 台）温度計（5 台）
制御用 PC（1）

統合制御システム構成図

統合制御システム構成機器一覧
概要
PV 電力等、各部の電力を収集する測定器。
電磁石の動作によって電路を開閉する開閉器。
周辺の気象情報を収集する測定器。
PV パネルへの日射量を測定する測定器。
PC アレイ、NHC の温度を測定する測定器。
制御ソフトウェアを動作させる PC。

図4（2）PV 用 PCS 運転モード—44—

ある。NHC 充電運転モードでの電力の流れを図 5が完了かつ微弱電力状態でないときに、NHC に蓄に示す。

えた電力を放電しキャパシタ用 PCS で直流から交（3）NHC 放電・キャパシタ用 PCS 運転モード

流に変換しつつ PV 出力電力を直接、電力系統にNHC 放電・キャパシタ用 PCS 運転モードは、供給するためのモードである。NHC 放電・PV 用

NHC 充 電 が 完 了 か つ 微 弱 電 力 状 態 の と き に、PCS 運転モードでの電力の流れを図 7 に示す。

NHC に蓄えた電力を放電、PV 出力電力とあわせ（5）運転モードの切り替えてキャパシタ用 PCS で直流から交流に変換し電力4 種類の運転モードは、図 8 で示す条件で切り系統に供給するためのモードである。NHC 放電・替える。十分な日射量がある場合は PV 出力電力

キャパシタ用 PCS 運転モードでの電力の流れをを直接、電力系統に供給する（PV 用 PCS 運転モー

図 6 に示す。

ド）。日射量が減少し微弱発電状態となったとき（4）NHC 放電・PV 用 PCS 運転モード

は、NHC への充電（NHC 充電運転モード）、NHCから電力系統への放電（NHC 放電運転モード）を

NHC 放電・PV 用 PCS 運転モードは、NHC 充電

図5

図6（2）

NHC 充電運転モード（2）

NHC 放電・キャパシタ用 PCS 運転モード—45—

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図7（2）

NHC 放電・PV 用 PCS 運転モード

図8（2）運転モードの切り替え繰り返す。また、NHC 放電中に PV 出力電力が微でに 20 秒程度の時間遅延がある。この遅延時間は

弱発電状態でなくなったときには、NHC 放電と並運転モードの切り替え時の PV 用 PCS 起動の度に行し PV 出力電力を直接、電力系統に供給する発生し PV 出力電力の損失の原因となる。また、（NHC 放電・PV 用 PCS 運転モード）。また、微弱曇天時など PV 出力電力（≒日射量）が微弱電力閾

しきい電力状態とは、PV 出力電力が「微弱電力閾値」以値近辺で変動しているときに、微弱電力状態・非下の場合と規定した。

微弱電力状態が頻繁に切り替り、結果、運転モードの切り替えの頻度が高くなる（図 9）。

3.3 気象情報を用いた微弱電力閾値切替アルゴ

統合制御システムでは、気象情報を用いて微弱	  リズム

電力閾値を自動で変動させることにより、運転

PV 用 PCS は PV 出力電力を受電し始めてから起モードの切り替えの頻度を減らし、PV 出力電力動し、変換された電力が電力系統に出力されるま—の損失を低減させている。
46—

出力電力（W）

図 9 曇天時の PV 出力電力の例
頻繁に(1) 微弱電力閾値切替アルゴリズム
切り替わる
微弱電力閾値切替アルゴリズムは、日射量予測値から PV 出力電力の変動の頻度を予想し、それに応じた微弱電力閾値を設定することにより、PV 出力電力の損失の低減を図っている。日射量予測値に応じた微弱電力閾値は月毎（季節毎）に予め決めておき、気象庁の日射量予測データ提供サービスなどから取得した日射量予測値に対応する微弱電力閾値を設定する。微弱電力閾値切替アルゴリズムで用いる閾値の関係（高：C、中：B、低：A）を図 10 に示す。また、微弱電力閾値切替アルゴリズムの処理フローを高
図 11 に示す。
中低（時刻）

図9

図 10（1）

曇天時の PV 出力電力の例（2）

日射量予測値と微弱電力閾値設定値の関係

微弱電力閾値切替アルゴリズムは、日射量予測値から PV 出力電力の変動の頻度を予想し、それに応じた微弱電力閾値を設定することにより、PV 出力電力の損失の低減を図っている。日射量予測値に応じた微弱電力閾値は月ごと（季節ごと）にあらかじめ決めておき、気象庁の日射量予測データ提供サービスなどから取得した日射量予測値に対応する微弱電力閾値を設定する。微弱電力閾値切替アルゴリズムで用いる閾値の関係（高：閾値 C、中：閾値 B、低：閾値 A）を図 10 に示す。
また、微弱電力閾値切替アルゴリズムの処理フ（2）図 11 微弱電力閾値切替アルゴリズム処理フロー

ローを図 11 に示す。
—47—

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4. おわりに

参考文献

環境省からの当社への委託業務（「ナノハイブ（1） 株式会社 IHI 検査計測、国立大学法人東京農リッドキャパシタ」を用いた太陽光発電の利用率工大学、日本ケミコン株式会社、サンケン電向上と自立化を支援するシステムの開発）は 2020

気株式会社（現、GS ユアサインフラシステム

年度に完了した。

ズ株式会社）：平成 31 年度 CO2 排出削減対策

当社としては、本事業に参画したことにより環強化誘導型技術開発・実証事業（「ナノハイブ

境省のカーボンニュートラルへの取り組みに貢献リッドキャパシタ」を用いた太陽光発電の利することができた。また、2021 年度以降は、環境用率向上と自立化を支援するシステムの開省および共同実施者により事業化を目指し、試作発）委託業務成果報告書、2020（2） 株式会社 IHI 検査計測、国立大学法人東京農した PV 支援システムを用いて実証試験を実施し工大学、日本ケミコン株式会社、サンケン電ている。
CO2 排出量の削減は重要な社会的課題であり、当気株式会社（現、GS ユアサインフラシステム

社は今後も CO2 削減技術の開発に取り組んでいく。

ズ株式会社）：令和 2 年度 CO2 排出削減対策
強化誘導型技術開発・実証事業（「ナノハイブ

謝辞

リッドキャパシタ」を用いた太陽光発電の利

本稿は、環境省委託業務「CO2 排出削減対策強用率向上と自立化を支援するシステムの開化誘導型技術開発・実証事業」の一環であり、本発）委託業務成果報告書、2021稿の掲載について、快諾していただいた環境省
殿、国立大学法人東京農工大学殿、日本ケミコン
株式会社殿、サンケン電気株式会社殿（現、GS ユアサインフラシステムズ株式会社殿）、有限会社
ケー・アンド・ダブル殿に心から感謝いたします。

制御システム事業部
産業システム部
IoT ソリューショングループ

元制御システム事業部防衛・宇宙システム部 課長（現株式会社 IHI 物流産業システム
ロジスティクス BU プロジェク
ト部 制御設計グループ）

竹島 孝一

小林 靖雄

TEL. 042-523-8313
FAX. 042-523-8320

TEL. 042-523-8319
FAX. 042-523-8320

制御システム事業部
産業システム部部長

制御システム事業部
調査役

真島 隆司

植田 英治

TEL. 042-523-8315
FAX. 042-523-8320

TEL. 042-523-8313
FAX. 042-523-8320—48—