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

平成26年度 卒業研究課題の説明

2014年4月10日 電力工学研究室・小原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

平成26年度 電力工学研究室卒業研究課題（１）スマートグリッドシミュレータによる分散電源網の開発①北海道グリーンアイランド構想に係る自律小規模エネルギーネットワークの研究②蓄電池を伴わないSOFC－再生可能エネルギーコンバインドサイクルの開発（２）ガスハイドレート発電システムの開発①小型コジェネとガスハイドレートバッテリによるクリーン寒冷地電源の開発②触媒高分散カーボン繊維によるガスハイドレート生成速度の高速化に関する研究（1名）（３）SOFCトリプルコンバインドサイクルの慣性系最適化による周波数安定制御（４）水電解・有機ハイドライドによる再生可能エネルギー用水素キャリアに関する研究
共同研究先：日立製作所、北海道、北見市、リコーITソリューションズ、国立極地研、PVGソリューションズ、旭川高専、釧路高専、一関高専、学内研究ユニット（他学科）、文部科学省プロジェクト分、科研費プロジェクトなど
2国立大学法人

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本研究室で開発した電力システムの開発ツール
両面太陽電池によるメガソーラー発電所の最適配置方法

両面受光太陽電池

３D地形図

風況解析による太陽電池の表面温度分布の調査

3国立大学法人

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4国立大学法人

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プロジェクト：ガスハイドレート発電を伴う寒冷地用分散エネルギーシステムの最適化研究に伴う設備要求設備の概要（機器構成・使用目的）
スマートグリッドシミュレータによる新電力システムの試験
模擬電源網

機器構成

スマートグリッド
制御コンピュータ
（学内で開発）ヒートポンプ新エネルギー模擬
電源（潮流発電）

住宅
制御系統

ハイドレート発電機

分散電源（燃料電池など）

再生可能エネルギー
模擬電源（太陽光発電）
新エネルギー模擬
電源（燃料電池）

蓄熱槽

自然エネルギー

自然エネルギーヒートポンプ

模擬負荷（熱負荷）

再生可能エネルギー
模擬電源（風力発電）

ガスハイドレート発電機（既存の試作機）

熱ハイドレート発電機
分散電源（燃料電池など）

地産地消エネルギーによる寒冷地スマートグリッドの例

未利用エネルギー回収装置（低温排熱など）

模擬熱供給網ヒートポンププログラム交流負荷装置（需要家の模擬負荷）

スマートグリッド模擬システム

使用目的

今回の要求設備の内容（破線のブロックは除く）◎エネルギー需要量の多い積雪寒冷地や、都市部とは状況の大きく異なる農漁村での再生可能エネルギー、新エネルギー、未利用エネルギーの複合利用の最適化法を明らかにして、クリーンな地産地消エネルギーの開発により地域活性化に貢献することを目的とする。

◎また、これまでに開発した、積雪寒冷地に導入可能なガスハイドレート発電システムを電力網に導入する際の、発電特性と電力品質（電圧、 周波数、波形）の特性を明らかにする。

5

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スマートグリッドシミュレータの整備（社会連携推進センター102実験室）

システムの全景

システム制御室模擬電源装置

模擬負荷装置
開発室
6

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昭和基地エネルギーシステムのスマート化に関する研究

現在の南極昭和基地の主力発電機

南極昭和基地の主要施設
クリーンで安定な小規模送電網
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南極昭和基地次世代エネルギーシステムの計画（国立極地研、国内共同研究）
D_5

風力発電システム

D_6
D_2

E_1

D_3

E/G

D_4

蓄熱槽 温水ネットワーク

A_4

D_1
E_0

D_0

A_1A_2
F_0
A_3
F_1
F_2
F_3

E_2

太陽光発電

F_4
G_1

排ガス・
A_0
ラジエータ排熱
B_0
B_1
B_2
B_3
B_4

G_0

ヒートポンプ
補助ボイラ

熱負荷
温水供給

熱供給システム（A）
送電線

C_1
H_2

H_1
I_1

温水供給
熱負荷

C_2

H_0

電気蓄熱ヒーター

C_3
C_0

K_0
K_1

ふく射、対流熱伝達
熱負荷

I_0

建物

熱供給システム（B）

J_0

I_3
I_2

再生可能エネルギー装置
太陽熱源

エンジン発電機熱供給システム（A）
熱供給システム（B）

17

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グリーンアイランド構想（再生可能エネルギーによる独立電源網）
天売島・焼尻島連系マイクログリッドの開発(北海道環境生活部環境局地球温暖化対策室 、羽幌町、日立製作所、
日本データサービスなどとの国内共同研究)事業スケジュール
Ｈ２５・構想作成委員会の立ち上げ
・国への事業計画の説明
Ｈ２６ 環境省、経済産業省の補助事業申請
・環境省、経産省などの実証事業
Ｈ２７－Ｈ２８・設備整備事業着手
9国立大学法人

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垂直軸型風力発電機群

ソーラーモジュール群

グリーンアイランド・スマートグリッドの例
10国立大学法人

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蓄電池を伴わないSOFCコンバインドサイクルの分散配置に関する研究（１）
各地域での電力需要特性
地域性を考慮した分散電源の最適化とは？

3.0

Electric power supply [GW]

IGFC (System B)

14

Area A

2.5

Area F

2.0

1.5

1.0

Area F
Area E

0.5

SOFC tri-generation cycle(System A)

Area B
Area C, D, G

19210.0061211201824

Time [o’clock]84182722101793331 24
13

1

SOFC tri-generation cycle(System A)
3225
26
15

IGFC (System B)

Area E

1629

各地域での自然エネルギー

6

Area GArea C720

Area C

10

SOFC tri-generation cycle(System A)

30

5Area A

Area B
35
223
IGFC (System B)

SOFC tri-generation cycle(System A)

1 Sapporo
2 Hakodate
3 Otaru
4 Asahigawa
5 Muroran
6 Kushiro
7 Obihiro
8 Kitami
9 Yubari
10 Iwqamizawa
11 Abashiri
12 Rumoi

1314
15
16
1718
19
20
21
22
23
24

Tomakomai
Wakkanai
Bibai
Ashibetsu
EbetsuAkabiraMombetsu
Shibetsu
NayoroMikasa
NemuroChitose2526272829303132333435

Takigawa
Sunagawa
Utashinai
Fukagawa
FuranoNoboribetsu
Eniwa
Date
Kitahiroshima
Ishikari
HokutoSolar radiation

15Area E
Area GWind speed

Area A
Area F

105

Area B
Area D

Mean windspeed [m/s]

343

28

Global solar radiation [MJ/m2]

12

Area D

500036912Month11国立大学法人

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蓄電池を伴わないSOFCコンバインドサイクルの分散配置に関する研究（つづき）
SOFCコンバインドサイクル

自然エネルギーとの連系制御
Bus line

Power generation system withSOFC combined cycle (PGSS)Power grid

Three phase powerSOFC+gas turbine+steam turbine i

Natural gas or coal gasification
Interconnection
deviceInput A

Steamturbine

Heat supply andHeat storage

Wind turbines
Induction machine
StatorGenerator

Reductiongear

Direct current

AC････････

CoalInterconnection
deviceThree-phasealternating current･････････

Interconnection
deviceThree-phase alternatingcurrent
InverterConnects with atransmission line

Interconnection
deviceTransformers

Interconnection
device

Rotor
Transformers

Cooling water

Heatexchanger

Exhaust gas

Heat recovery
steam generator

1V-2Inverter

DC-DC Buck converter
Vin +Vin -Vout ++AC

Three-phaseharmonic filter

Interconnection
deviceSolarradiation

Hydraulic power generators

Interconnection
device･････････････････････････

SOFCコンバインドサイクルによるマイクログリッドで北海道の全都市に設置する、･･････････

Snubbercircuit

DC･･････

Exhaust gas

V+････････

Air

Mega-solar power plant (MSP)

Hydraulic power
supplied to the generator

Generator････････

Gas
turbineGrid converter･････････

P Pump
Output BCompressor

ACRotor converter

Anode andcathodeTo Input A From Output B(vapor)(water)

DCCondenser

Combustor

SOFC

AC･･･････････････････････････

FuelgasTransformers

Power load

北海道全域での再生可能エネルギーによる電力供給割合をおよそ半分にする。

Heat supply andHeat storage

Heat

Load2

Load1

Load of heat pump Electric power loadsystem ofsets

12国立大学法人

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小型コジェネとガスハイドレートバッテリによるクリーン寒冷地電源の開発
小型コジェネの排熱、地中熱による自律システム

ガスハイドレートの生成・解離特性10

Ice melting point[MPa]
圧Pressure
力 [MPa]86Carbonic
anhydride

4Methane
2EthanePropane0-20-100
Temperature [1020]

温 度 [℃]

小容量エンジンコジェネレーションとガスハイドレートバッテリによる、寒冷地住宅用複合エネルギーシステムを開発する。

「冷熱から電力を生み出す」⇒化石燃料の消費を大幅に低減する。
13

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冷熱（冬期の外気）と低温排熱や地中熱で駆動する
ガスハイドレートバッテリ（発電機）の構成
ハイドレート解離過程（放電/発電）

ハイドレート生成過程（蓄電）

CO2

CO2

Warm heatmediumWarm heatmediumHeat medium

Electricpower

CO2 hydrate with warm water

Generator

Generator

Low pressure
CO2 2gaspressureCO
Mediumgas

Stop valve

Medium pressure CO 2 gas

Cold heatmedium
OpenActuator

Actuator
Outside Air(low temperature)

CO2

CO2

High pressure
CO2 gasCold heatmediumOpen

Warm heatmediumStop valve
Heat medium

CO2 hydrate with cold water(a) Operation of power generation by dissociation of CO2 hydrate

Cold heat medium

CO2 hydrate with cold water(b) Operation of CO2 hydrate formation

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解離膨張ガスの電力変換装置の開発

1号発電機 DC 5W（2012.10）

3号発電機 AC 490W（2014.2）
2号発電機 AC 20W（2013.2）
15

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触媒高分散カーボン繊維によるガスハイドレート生成速度の高速化
触媒の調整と熱処理触媒によるガスハイドレート生成の高速化
4Pressure [MPa]

3.5
32.5
21.5
1

溶解0.5

入熱(30℃)

外部冷却(-5℃)

000.5

11.5

22.534カーボン繊維への触媒の塗布

Time [Hour]

生成速度が増加触媒を用いた場合

3.5

Pressure [MPa]

3.5

32.5
21.51

溶解入熱(30℃)

外部冷却(-5℃)

0.5
000.5

11.5

22.5

33.54

ガスハイドレート高速生成技術

Time [Hour]

16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

独立分散電源の実現

変動成分と抑制技術
Fringefluctuation

Cyclic fluctuation
The amount of fluctuation [MW]SOFCトリプルコンバインドサイクルの慣性系最適化による周波数安定制御

Self self-regulation by load,
inertia force of power source

Governorfree

Sustained fluctuation

Load
Economic dispatching control,
frequency
power feed adjustment
control

Mega-solar and wind farm with inverter
With mega-solar power plant
With wind farm
power plant
Without renewable energy power
Mega-solar and wind farm without inverter
0.01

Steam turbine system

0.11

Cyclic fluctuation
Fringe fluctuation
Sustained fluctuation

10100

1,000

10,000100,000

1,000,000

Time [s]変動成分と抑制技術

SOFC triple combined cycle

AC power
outputFuel cell system

Electric and heat power demand
Fuel cell systemPowerconditioner

SOFC(1)

SOFC(2)
SOFC(3)

Gas turbine system
Natural gas

Hot water
supplyPump

Back-upboiler andheat storagetank

Heat and fuel ofanode exhaust gas

Heatdemandside

Return water
From exhaustgas boiler
Heat system
AC power
outputHeat ofTo exhaust gas boiler
cathodeSteam turbine systemexhaust air Combustor

AC power
output

Gas turbine
systemCompressor

Steam turbine

Generator

Inertia

Generator

Gasturbine

Mega-solar power plant
Wind farm

Air

Inertia Exhaust heat (toback-up boiler)

Compressed air
Exhaust gas of gas turbine
From anode exhaust gas

Condenser

SteamExhaust gasboiler

Pump

Water

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北見工業大学 電気電子工学科 電力工学研究室

水電解・有機ハイドライドによる再生可能エネルギー用水素キャリアシステムに関する研究
トルエンを用いたケミカル有機ハイドライド

ホームページより

水素スタンド用高圧縮貯蔵、有機ハイドライドによる高効率輸送、パイプラインによる低コスト輸送
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NAS電池の動作ブロック有機ハイドライドによる水素貯蔵と燃料電池による発電システム

有機ハイドライド生成器（日立製作所）
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