自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

電力工学研究室の研究紹介
H24年度研究室ガイダンス（イスラエル，集中太陽光発電）○小原教授，仲村助教，菅原特任准教授

自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

次世代エネルギーネットワークの構築
次世代の電源ベストミックスは、「安定電源(従来型)と分散電源(マイクログリッド型)の共存」と予想されます！

（日経BP ECO Japanより）

電力工学研究室に期待される役割としては．．．
エネルギーの地産地消，導入地域に最適な分散電源に関する情報発信
H24年度研究室ガイダンス2

自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

電力工学研究室の特徴
キーワード◎研究室の対応

技術開発○ローカルエネルギー（分散電源）○地産地消エネルギー
自治体などと連携○スマートエネルギー、スマートコミュニティ
極地研，技術開発○エネルギーシステムの協調運用○エネルギーネットワーク研究①スマートな分散エネルギーのネットワーク化に関する研究②次世代の電気エネルギー変換(発電)技術の開発③エネルギーの地産地消による，多様なエネルギーシステムの導入計画④再生可能エネルギーの高度利用技術
H24年度研究室ガイダンス3

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

0-1. ローカルエネルギーの連系に関する研究

北見市の全てのエネルギーを再生可能エネルギーと新エネルギーで供給することができる？

（実験・解析）北海道

オホーツク海サロマ湖

北見市

潜在エネルギー（全域）
太陽光： 5.56×1012 MJ
燃やせるごみ： 2.36×108 MJ
バイオマス： 5.29×108 MJ
下水汚泥：1.96×105 MJ

留辺蘂自治区

1964年~ 知床国立公園（2005年~ 世界遺産）

潜在エネルギー（旧北見市エリア）
風力発電： 3.25×107 MJ
地中熱（ヒートポンプ用）： 3.74×109 MJ
下水熱：1.05×109 MJ
下水汚泥：1.96×105 MJ
常呂自治区

北見自治区

端野自治区

・平成18年3月に合併
・人口13万人のオホーツク圏の最大都市
・面積1427.56k㎡で香川県の77％（道内では１位，全国で４位の広さ）・東西に延びる道路の距離は約110km

1年間のエネルギー消費量
石油消費量： 7.95×109 MJ
電力消費量： 2.41×109 MJ
ガ ス： 4.58×108 MJ
H24年度研究室ガイダンス

北見市

灯油換算
石油消費量： 227,000 m3
電力消費量： 65,700 m3
ガ ス： 12,500 m3

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

北見ネイチャーグリッドの計画
北見市のエネルギー需要マップ

地産地消エネルギーの連携を調査（マイクログリッドの協調運用）

大きなエネルギー消費を伴う地域ローカルエネルギーのネットワーク化（地産地消）⇒その地域に最適なエネルギー網を計画する
H24年度研究室ガイダンス

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0-2. 太陽光発電（PV）を地方都市に導入する際の環境負荷およびコストの調査（実験・解析，出張あり）
地方都市でのPVの導入が進んでいない。

紋別市（北海道流氷科学センターとの共同研究）
H24年度研究室ガイダンス

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

自治体

太陽光発電の導入効果がわからない

自治体による太陽光発電への助成が決まらない

市民
クリーンエネルギーの導入を進めてほしい

メガソーラーの導入計画
H24年度研究室ガイダンス

太陽光発電の導入効果を調査する。
(流氷科学センターと北見工大による実験および解析)

ソーラーシステムの普及
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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

1-1．植物形態の受光特性の進化を模擬した太陽電池モジュールの開発（数値解析・実験）○コンピュータ内で植物の進化をシミュレートする。
○光学実験により，高エネルギー密度のモジュールを開発する。
H24年度研究室ガイダンス

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室◎研究目的
有機太陽電池などの３Dモジュールのデザインにより，設置場所に最適な多様性のある受光システムを研究する。

H24年度研究室ガイダンス

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

1-2.電気二重層キャパシタと太陽光発電による負荷平準化の研究（仲村・小原）（研究目的）
自然エネルギーによる電気エネルギーを有効に利用する
ため、電気を貯蔵し、その貯蔵エネルギーを活用して、電気の無駄を省き地球環境保護に役立てる。
（方法と期待される効果）

太陽光発電などの自然エネルギーは、日射条件などに影響されて不安定なため、電力貯蔵装置として電気二重層キャパシタを用いて、安定した電気に変換する。
→自然エネルギーの利用拡大
キャパシタの貯蔵電気を、電力系統負荷のピークカットに利用し、また、負荷電力が少ない時間帯にキャパシタへ充電を行うことにより、系統負荷を増大させ、負荷平準化に寄与する。
→発電設備の利用率の向上（就職希望者を対象）

H24年度研究室ガイダンス

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室（実験装置の構成）

負荷電力
W

太陽光発電の電力

Ｈ
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W

平準化された
負荷電力

Ｈ
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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室（研究の課題）太陽光発電の出力予測
 キャパシタの残量を考慮したインバータの運転制御方法
 負荷平準化率を向上するためのシステムの運転方法
 キャパシタと太陽電池の最適容量の計画


H24年度研究室ガイダンス

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

2. 潮流発電とSOFC（固体酸化物形燃料電池）の協調制御による次世代分散電源網の開発（解析・実験）○潮流発電は太陽光発電，風力発電に次ぐ第3の電源として世界的に注目(スコットランドの例)。
○日本国内ではほぼ未開拓である。
潮流潮流発電機潮流発電機群（海底）

第一湖口

潮流潮流発電機

第一湖口

第二湖口

オホーツク海登栄床
133 住宅，人口561 人
第一湖口
サロマ湖

潮流発電機
漁業設備
第二湖口
栄浦
94 住宅，人口292 人

第二湖口

5 km

H24年度研究室ガイダンス

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H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室◎研究開発
・潮流は予測可能であるため，潮流発電は安定した自然エネルギーである。
・潮流発電，太陽光発電，燃料電池の協調制御を計画して，電力品質，環境負荷，エネルギーコストを明らかにする。
潮流発電システム（第一湖口）

海底に設置

潮流発電システム（第二湖口）

海底に設置

系統連系装置系統連系装置栄浦系統
94 住宅，人口292 人

外海
登栄床系統
133 住宅，人口561 人

第二湖口
第一湖口
5 km

サロマ湖
系統連系装置系統連系装置SOFC

SOFC

太陽光発電システム

H24年度研究室ガイダンス

天然ガスによる固体酸化物形燃料電池

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国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

100kVA Fuel Cell Stack No. 1

PWMBuck 1

PulsesFuel flow rate [lpm]RampRamp_FrSwFr_reg_in Fr_reg_out
Flow rate selector 1
ramp

gate
Vin + Vout +Vin DC-DC Buck Converter 1@MPP, DC400V>
Switch 1

Flow rate

Discrete PWM generator

Current+ FC ++- FC--SC_fc01
A ag
AAaA

BBbB

B bCCcCC c

400V /400V
Transformer

Flow rate regulator 1

Three-phaseharmonic filter

Tidal power generator 80sets

1 kW

gate
Vin + Vout +Vin DC-DC Boost
Converter

VsolarIsolar
V+V-+ -i

VboostIboost+-Vboost pulses

ABCPV powergenerator
100 kVA max

Load1118 kW maxPulsesgA

Discrete PWM
generator
AaA

B

BbB

B bCCcCC c

PV Panelv bt , ta A a Ab B b B
c C c C
CB01 SC_pv

STATCOM1400 V , 300 kVA+ v-PWMBoostLine1( 10 km)
SC_st01

AB
CA
B
C

Load2
30 kW

STATCOM2400 V , 300 kVA

VsolarIsolar

A a
B b
C ccabcba
A a
B b
C c

Load3
100 kW

AB
C

A a
B b
C c
CB04

Line2( 15 km)

Line3( 10 km)
SC_st02

200 kWA a
B b
C c
SC_tp01

CB06

CB05

A aB bC cCB03

Mechanical torqueB

SC_tp02v f 1,tAmplitude of theinternal voltages(constant)mA
BECTotal 400 kVA
Generators 1ABC

Tidal power
generator,
20 sets

Mechanical power
supplied to the machinePm
Pm1, t

A a A
b B
C c C

Tidal power
generator,
80 sets
A a A
B b B
C c C

100kVA max

SC_tp01

A a
B b
C cCB02

ABCa Ab B
c C
100 kVA SC_fc01
a A
SOFC
b B
No.2
c C
100 kVA SC_fc02
a A
SOFC
b B
No.3
c C
100 kVA SC_fc03SOFC
No.1

400kVA max

PWMBoost

DC-AC Inverter
50Hz

400V /400V
Transformer

SC_pv
A aThree-phaseharmonic filter

Boost controller
PI+Lead

H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室◎研究開発
・潮流は予測可能であるため，潮流発電は安定した自然エネルギーである。
・潮流発電，太陽光発電，燃料電池の協調制御を計画して，電力品質，環境負荷，エネルギーコストを明らかにする。
Toetoko town

Sakaeura town
Tidal power generators

Tidal power generators
400 kVA (maximum)
5 kVA, 80 sets

Heat pump (1)Battery

100 kVA (maximum)
5 kVA, 20 sets

Heat storage tank (1)(DC link system) DC power

Power grid 400V, 50Hz
P

DC-AC converter
Transformer
Harmonicfilter
Heat pump (2)133 households,
561 persons andport facilities(Toetoko)PPump

94 households,
292 persons andport facilities(Sakaeura)

Exhaust heat Heat storage tank(2)Harmonic filter

SOFC(1)

DC-AC converter
Transformer
Harmonicfilter

DC-DC
converter
InverterHarmonic Transformer
filterHeat grid (Hot water supply)

Transformer
DC-DC Inverter
converter

SOFC(2)Harmonic filter
Transformer

DC-DC Inverter
converter
SOFC(3)

DC power (DC link system)

Harmonic filter
Transformer

DC-DC Inverter
converter

Photovoltaics
100 kVA (maximum)100 kVA (maximum) , 3sets

H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

3．南極昭和基地のエネルギーシステムの更新（国立極地研との共同研究，MATLAB/Simulinkシミュレーション）

H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室◎開発のねらい・老朽化した昭和基地のエネルギーシステムの更新を想定。
・南極観測船しらせの燃料積載量は限界に来ており，エネルギーの地産地消を目指す。
太陽光発電
DC/DC

Load
Load

G/T I/T

Load

Load

I/T

Load

電力グリッドヒートポンプ

太陽光発電

温水グリッド

I/T

バッテリ

太陽光発電
Load

Load

Load

I/T
G/T I/T

H24年度研究室ガイダンス

DC/DC

DC/DC

Load

G/T I/T

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室集中電源（300kW）
発電効率 [%]

集中電源と分散電源
240kWの負荷を想定すると．．．

最大効率点

40

部分負荷運転3020100050020

100

150 200 250
発電量 [kW]300

406080
負荷率 [%]

100

分散電源 （100kWX3）

30201000

20020 40 60 80 100
負荷率 [%]

40 60 80 100
発電量 [kW]

1号機

4040
発電効率 [%]

40

発電効率 [%]

発電効率 [%]

最大効率点
30201000

20020 40 60 80 100
負荷率 [%]
2号機

40 60 80 100
発電量 [kW]30
部分負荷運転20100020

40 60 80 100
発電量 [kW]020 40 60 80 100
負荷率 [%]
3号機

分散電源の台数制御は，負荷変動および自然エネルギーに柔軟に対応できる？
H24年度研究室ガイダンス

3/4自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

分散方式の負荷率
負荷率

電源の分散化と負荷率の違い

100%
100%
100%

（分散式，100kWエンジン発電機3台）
ピーク供給

3号機

100kW

ミドル供給

2号機

100kW

1号機

100kW

ベース供給

負荷変動の幅が大きく，集中電源では効率の低い部分負荷運転が多発する。

負荷率

集中方式の負荷率100%（集中式，300kWエンジン発電機）

300kW
1台

供給電力の割合

電 力 [kW]

電力負荷
ディーゼルエンジン発電機
太陽光発電
t0
H24年度研究室ガイダンス

t1 t2 t3 t4

風力発電
t5
t6 t7 t8
時 刻 [分]エンジン発電機による出力調整
変動を伴う
自然エネル
ギー

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

4. ガスハイドレートの特異な性質を利用した
積雪寒冷地用クリーン分散エネルギーの開発（数値解析・実験）■ハイドレートの解離・生成速度と高効率生成技術
低温排熱で駆動する高効率な発電技術（ガスハイドレートエンジン発電機）の基
本特性

各種ガスハイドレートの相図
10
メタン80

氷の融点

606
二酸化炭素

404202エタン
0-20-100プロパン

温度（℃）

01020

図1 各種ガスハイドレートの解離生成特性

目標

H24年度研究室ガイダンス

圧力（気圧）

圧力（MPa）8○図1に示すガスハイドレートのガス解離条件
およびクラスレート生成条件と，ガス膨張速度およびガスハイドレート生成速度を明確化。

ガスハイドレートの膨張・生成速度を上げるために，ガスとハイドレートの接触確率を改善する等の技術対策を確立する。
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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

自然エネルギーや低温排熱によるクリーン発電システムを開発する

ハイドレートの生成

寒冷地の冷熱を電気エネルギーに変換

夜間の大気などの冷熱
送電

ハイドレートのガス解離
自然エネルギーや排熱などの温熱

H24年度研究室ガイダンス

発電
ガスハイドレート発電システム

送電

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室◎昼夜の温度差などの，自然エネルギーや未利用エネルギーを電力に変換する◎化石燃料や原子力にできるだけ依存しない電力網を開発する

図 ガス（CO2）ハイドレート発電システムの構成
H24年度研究室ガイダンス

3/4

自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

CO2ハイドレートの生成・解離試験装置

試験熱交換器CO2弁

To2,uPo

Ti,inPressure [MPa]

熱媒体

CO2

耐圧5MP，-20～+80℃
加熱(15C)
冷却(ｰ15C)

外管加熱(15C)
内管To2,sT
3.0 冷却(ｰ15C)
o2,b生成T（収縮）
T

To1,uo3,uTo1,so3,s2.5TTi,out

解離生成
純水
（膨張）
試験スペース（収縮）

To3,bo1,b

T: 温度センサ
P: 圧力センサ

試験システム

調圧弁
質量流量計

調圧弁

2.0解離（膨張）N203060

ヒーター

90120 150 T 180
CO2Time [Minute]Pumpi,in

高圧
ボンベ

高圧ボンベ

冷温水循環装置Po

210

Ti,out

試験熱交換器

数百ワット級の試験システムを試作して、発電特性の試験を実施します。
H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室～電力システムの課題解決案を企業に発信する～（研究概要）
送電線への着氷雪を防止する各種対策法に関して、雨氷環境下で実験的に効果を調べる。また、各種の着氷雪法の検討から、対策法の開発とその効果を実験的に調べる。
使用中の状態での不都合現象の解決方法を考案して、対策法を実験的に検証する。
（電力会社・エネルギー関連会社への就職希望者を対象）
H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

着氷実験の様子

H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

H24年度研究室ガイダンス

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自然と調和するテクノロジーの発展を求めて

国立大学法人 北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

発 研学○分散電源や自然エネルギーをやりたい人○電力システム，エネルギー環境問題に興味のある人○大学院希望者歓迎（研究課題をまとめてほしい）○研究テーマの詳細については，配属後に面談をして決めます（大学院希望者はできるだけ配慮します）。
先輩達の就職先：
電力，プラント（電力，空調），電気設備，電子部品，造船，公務員，メーカーの動力・電装・計装など（全般的にエネルギー関連の企業が多い）
本年度の研究室の構成：
教員4名，博士課程3名，研究員1名（予定），修士課程9名，学部10名 （計27名）
H24年度研究室ガイダンス