本論 文で は 、太 陽 光発 電が 大量 に 導入 さ れた 電力 系統 の 需給 運 用を 考慮 した 太 陽光 発電 出力 予 測手 法 の提 案を 行っ た 。電 力 系統 の実 運用 に 適用 す るた め、
・ 電力 系統 の 運用 者 にと って 理解 し やす い 手法
・ 誰に でも 容 易に 入 手で きる 天気 予 報デ ー タを 活用 した 手 法
・ 実運 用に お いて 、 予測 が繁 雑と な らな い 手法 を目 的に 、 予測 手 法を 開発 した 。
まず は、 全 天日 射 量予 測手 法に つ いて 提 案し てい る。 提 案し た 手法 を以 下に 示 す。
・ 天 気 予 報 を 用 い た 、 シ ン プ ル か つ 使 い や す い2つ の 地 点 予 測 手 法
− 数 日 先 の 予 測 を 目 的 と し た 全 天 日 射 量 の 幅 の 予 測 手 法
− 翌 日 の 予 測 を 目 的 と し た 全 天 日 射 量 予 測 手 法
・ 入 力 デ ー タ 数 の 低 減 や モ デ ル の 統 合 に よ り 予 測 の 手 間 を 省 い た 広 域 に お け る 全 天 日 射 量 予 測 手 法
さ ら に 、 得 ら れ た 全 天 日 射 量 か ら 太 陽 光 発 電 出 力 を 直 接 推 定 す る 「 太 陽 光 発 電 出 力 の 簡 易 換 算 手 法 」 を 提 案 し た 。
本 論 文 で 提 案 を 行 っ た 太 陽 光 発 電 出 力 予 測 に 関 す る 手 法 は 、 具 体 的 に は 以 下 の と お り で あ る 。
第2章 で は 、 数 日 先 の 予 測 を 目 的 と し た 全 天 日 射 量 の 幅 の 予 測 手 法 を 提 案 し た 。 全 天 日 射 量 の 地 点 予 測 の う ち 数 日 先 の 予 測 を 目 的 と し た 全 天 日 射 量 の 幅 の 予 測 手 法 を 提 案 し た 。 全 天 日 射 量 の 予 測 の 幅 に つ い て は 、 過 去 の 全 天 日 射 量 の 実 績 値 よ り 算 出 し た 晴 天 指 数 の 記 述 統 計 に よ り 求 め て い る 。 ま ず 、 晴 天 指 数 を 天 気 別 に 分 類 し 、 さ ら に 天 気 別 晴 天 指 数 の 分 布 形 状 か ら 、 ベ ー タ 分 布 の 歪 度 と 尖 度 を 用 い て 時 期 別 に 分 類 し た も の を パ ー セ ン タ イ ル 法 に よ り 、 予 測 の 範 囲 （ 予 測 幅 ） を 得 て い る 。 こ れ に よ り 、 実 績 値 が 予 測 値 に 対 し 、 ど の 程 度 乖 離 す る 可 能 性 が あ る か を 考 慮 す る こ と が で き る 。 よ っ て 、 数 日 先 の 電 力 需 要 に 対 し 、 火 力 発 電 機 等 の 運 転 台 数 を 計 画 し 、 周 辺 機 器 の 準 備 や 運 転 体 制 を 整 え る こ と が 可 能 と な る 。
第3章 で は 、 全 天 日 射 量 の 地 点 予 測 の う ち 翌 日 の 予 測 を 目 的 と し た 全 天 日 射 量
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予 測 手 法 を 提 案 し た 。 手 法 に つ い て は 、2章 と 同 様 に 、 過 去 の 気 象 実 績 デ ー タ を 天 気 別 ・ 時 期 別 に 分 割 し 、 さ ら に 、 二 進 木 を 用 い て 分 割 す る こ と で 入 出 力 間 の 関 係 を 線 形 に 近 づ け た 。作 成 し た そ れ ぞ れ の デ ー タ セ ッ ト に 対 し 、因 子 分 析 に よ り 、 線 形 近 似 予 測 モ デ ル を 作 成 し て い る 。 な お 、 晴 天 指 数 で は 太 陽 高 度 に 起 因 す る 日 射 の 大 気 層 を 通 過 す る 距 離 の 影 響 を 除 去 で き な い た め 、 予 測 精 度 を 高 め る 目 的 で 補 正 日 射 到 達 率 を あ ら た に 提 案 し 、 晴 天 指 数 に 代 わ り 、 予 測 対 象 と し て 用 い て い る 。 こ れ に よ り 、 翌 日 の 電 力 需 要 に 対 し 、 火 力 機 等 の 起 動 指 令 の タ イ ミ ン グ を 調 整 す る こ と が 可 能 と な る 。
第4章 で は 、 入 力 デ ー タ 数 の 低 減 や モ デ ル の 統 合 に よ り 予 測 の 手 間 を 省 い た 広 域 に お け る 全 天 日 射 量 予 測 手 法 を 提 案 し た 。 電 力 の 供 給 エ リ ア を 複 数 の グ ル ー プ で 表 し 、 グ ル ー プ の 代 表 地 点 の 全 天 日 射 量 を 予 測 す る こ と に よ り 、 広 域 の 全 天 日 射 量 を 求 め る こ と で 予 測 の 手 間 を 省 い て い る 。 入 力 デ ー タ に つ い て は 、 日 照 時 間 デ ー タ の 相 関 分 析 や 平 均 絶 対 偏 差 分 析 に よ り 、 天 気 が 類 似 の 地 点 同 士 を グ ル ー ピ ン グ す る こ と で 低 減 し て い る 。 ま た 予 測 モ デ ル に つ い て も 、 全 天 日 射 量 と 他 の 気 象 項 目 と の 関 係 が 類 似 の モ デ ル を 統 合 し 、 予 測 精 度 を 損 な う こ と な く モ デ ル 数 の 低 減 を 図 っ て い る 。
な お 、 九 州 地 方 に お い て は 、 各 県 庁 所 在 地 を 代 表 地 点 と す る6～7つ の グ ル ー プ に て 電 力 の 供 給 エ リ ア を 表 し 、2つ の 予 測 モ デ ル に て 全 天 日 射 量 を 予 測 す る こ と を 可 能 と し て い る 。 こ れ に よ り 、 太 陽 光 発 電 設 備 の 設 置 地 点 毎 に 出 力 を 予 測 す る こ と な く 、 電 力 の 供 給 エ リ ア 全 体 に 亘 る 太 陽 光 発 電 の 出 力 予 測 が 可 能 と な り 、 電 力 系 統 運 用 者 の 負 担 の 軽 減 が 可 能 と な る 。
第5章 で は 、 全 天 日 射 量 か ら 太 陽 光 発 電 出 力 を 直 接 推 定 す る 太 陽 光 発 電 出 力 の 簡 易 換 算 手 法 を 提 案 し た 。 全 天 日 射 強 度 と 既 設 の 太 陽 光 発 電 設 備 の 出 力 実 績 デ ー タ の 相 関 分 析 か ら 、 全 天 日 射 量 を 太 陽 光 発 電 設 備 出 力 へ の 換 算 の 定 式 化 な ら び に 換 算 係 数 を 求 め て い る 。 こ れ に よ り 、 太 陽 光 発 電 設 備 の 設 置 状 況 （ 設 置 方 位 ・ 設 置 傾 斜 角 ）、 太 陽 電 池 パ ネ ル や パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ ー の 特 性 を 考 慮 す る こ と な く 、 得 ら れ た 全 天 日 射 量 か ら 太 陽 光 発 電 の 出 力 に 換 算 す る こ と が 可 能 と な る 。
本 論 文 で は 、 全 天 日 射 量 お よ び 日 射 量 幅 の 地 点 予 測 、 地 点 予 測 か ら 広 域 予 測 へ
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の 展 開 、 全 天 日 射 量 か ら 太 陽 光 発 電 の 出 力 へ の 換 算 に つ い て 、 そ れ ぞ れ 手 法 の 提 案 を 行 い 、 電 力 系 統 の 実 運 用 に 適 用 で き る 太 陽 光 発 電 出 力 予 測 手 法 と し た 。 こ れ に よ り 、 太 陽 光 発 電 が 大 量 に導 入 さ れ た 将 来 の 電 力系 統 に お い て も 、 電 力の 需 給 バラ ンス を保 ち 、電 力 の安 定供 給の 維 持が 可 能と なる 。
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付 録
本論 文中 に 使用 し た太 陽光 発電 に 関す る 用語
全天 日射 散乱 によ っ て天 空 のす べて の方 向 から 入 射す る日 射、 雲 から 反 射 した 日射 お よび 直 達日 射を 合わ せ たも の[28]。
一般 には 、 全天 日 射計 を水 平面 に 設置 し て測 定す る。
水平 面日 射 水平 面に お ける 全 天日 射の こと 。 傾斜 面日 射 傾斜 面が 受 ける 日 射の こと 。
太陽 電池 パ ネル の 設置 傾斜 角に 合 わせ て 測定 する こと が ある 。 大気 外
全天 日射 量
地球 の大 気 圏外 で 受け 取る 太陽 か らの 輻 射エ ネル ギー （ 太陽 定 数：1.367kW/m2） のう ち水 平面 に 対す る 鉛直 方向 から 受 ける 成 分 のこ と。
晴天 指数 地表 で観 測 する 全 天日 射量 を大 気 外全 天 日射 量で 除し た もの 。 日照 時間 直達 日光 が 地表 を 照射 した 時間 で あり 、 直達 日射 量 が 0.12kW/m2
以上 の時 間 のこ と[28]。
可照 時間 太陽 の中 心 が、 東 の地 平線 また は 水平 線 に現 れて から 西 の地 平 線 また は水 平 線に 没 する まで の時 間 の長 さ のこ と。 緯度 と 季節 に よ って 決ま り 、地 形 によ る補 正は し ない[28]。
直達 日射 大気 中で 散 乱、 反 射さ れる こと な く太 陽 面か ら直 接地 上 に到 達 す る日 射の こ と[28]。
散乱 日射 大気 中で 、 空気 分 子や 雲な どに よ り散 乱 され た日 射の こ と[28]。
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参考文献
[1] 経済 産業 省 資源 エ ネル ギー 庁 HP：「「 長期 エ ネル ギー 需 給の 見 通し 」のと りま と め」、
2008年 5 月 、http://www.enecho.meti.go.jp/
[2] 環境 省 HP：「 第 21 回 地球 温暖 化 対策 推 進本 部の 開催 結 果と 低 炭素 社会 づく り 行動 計画 の閣 議 決定 に つい て」、2008 年7 月 、http://www.env.go.jp/
[3] 首相 官 邸 HP：「「経 済 危機 対策 」に 関す る政 府・与 党会 議 、経済 対 策閣 僚会 議 合同 会議 」、2009年 4 月 、http://www.kantei.go.jp/
[4] 経 済 産 業 省 HP：「 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 設 備 の 導 入 状 況 を 公 表 し ま す 」、2013 年 5 月、http://www.meti.go.jp/
[5] 電気 事業 講 座編 集 委員 会：「 電気 事業 講 座 第 7 巻 電力 系 統」、 エネ ルギ ー フォ ー ラム 、2007年
[6] 経 済 産 業 省 資源 エ ネ ル ギ ー 庁 HP：「 低 炭 素 電 力 供 給 シ ステ ム に 関 す る 研 究 会 新エ ネル ギー 大 量導 入 に伴 う系 統安 定 化対 策 ・コ スト 負担 検 討小 委 員会 （第 1 回 配布 資料 ）」、2008年 9 月 、http://www.enecho.meti.go.jp/
[7] 経 済 産 業 省 資源 エ ネ ル ギ ー 庁 HP：「 低 炭 素 電 力 供 給 シ ステ ム に 関 す る 研 究 会 報告 書」、2009年 7月 、http://www.enecho.meti.go.jp/
[8] 曽我 、赤 坂、二宮:「 全 天日 射量 か ら斜 面 日射 量を 推定 す る各 種 モデ ルの 比較 」、日 本建 築学 会 計画 系 論文 集 第 519号 P. 31-38、1999 年
[9] A. Mellit, M. Benghanem, and M. Bendekhis, "Artificial Neural Network Model for Prediction Solar Radiation Data: Application for Sizing Stand-alone Photovoltaic Power System," IEEE Power Engineering Society General Meeting, Vol. 1, pp. 40-44, June 2005.
[10] 村田 、山口 、大 谷：「 広 域的 に多 数 導入 さ れた 太陽 光発 電 に関 す る出 力幅 の推 定 法」、
電気 学会 論 文 誌 B -127 巻 5 号 P. 645-652、2007年
- 94 -
[11] 工藤 、竹内 、野崎 、遠 藤、角 田：「 エネ ル ギ ーネ ット ワ ーク に おけ る太 陽光 発 電予 測技 術 」、 電気 学 会論 文 誌 B -127巻 7 号 P. 847-853、2007 年
[12] T. Krishnaiah, S. Srinivasa Rao, K. Madhumurthy, and K. S. Reddy, "Neural Network Approach for Modelling Global Solar Radiation," Journal of Applied Sciences Research, Vol. 3, No. 10, pp. 1105-1111, 2007.
[13] 滝 谷 ：「「 太 陽 光 発 電 出 力 予 測 技 術 開 発 実 証 事 業 」 太 陽 光 発 電 出 力 予 測 ・ 推 定 技 術 の開 発 」、 平 成 25 年電 気学 会全 国 大会 、1-H5-9、2013年
[14] 日 本 気 象 株 式 会 社 HP ：「 独 自 数 値 予 報 モ デ ル シ ス テ ム SACRA 」、
http://www.n-kishou.com/
[15] 與那 、千住 、舟 橋 、関 根：「 ニュ ー ラル ネッ トワ ーク を 用い た 太陽 光発 電設 備 の 24 時間 先発 電 電力 予 測」、電 気学 会 論文 誌 B- 128 巻 1 号 P. 33-39、2008年
[16] 電気 事業 連 合 会 HP：「 会長 定例 記 者会 見 資料 」、2012年 4 月 、http://www.fepc.or.jp/
[17] 長沢 ：「日 の出 ・ 日の 入り の計 算 」、 地 人書 館、1993年 [18] 気象 庁：「 地上 気 象観 測統 計値 」、気 象 業務 支援 セン タ ー
[19] 気象 庁：「 気象 庁 年報 （2005年 ）」 ほか 、 気 象業 務支 援 セン タ ー
[20] F. Nomiyama, J. Asai, T. Murakami, H. Takano and J. Murata, “A Study on Global Solar
Radiation Forecasting Models Using Meteorological Data and their Application to Wide Area Forecast,” 2012 IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON 2012), November 2012.
[21] 蓑谷 ：「統 計分 布 ハン ドブ ック 」、朝 倉 書店 、2007 年
[22] 野見 山 、淺 井 、村 上、高野 、村田：「気 象 実 績デ ータ に 基づ く 全天 日射 量予 測 に関
する 一考 察 」、平 成 23 年電 気学 会 電力 技 術・電力 系統 技 術合 同 研究 会、PE-11-086, PSE—11-103、2011年
[23] 野見 山 、淺 井 、村 上、高野 、村田：「ベ ー タ 分布 の特 性 を用 い た時 期別 の全 天 日射
量予 測モ デ ルに 関 する 一検 討 」、 平 成 24 年電 気学 会全 国 大会 、6-025、2012年
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[24] 元田 、津 本 、山 口 、沼 尾：「 デー タマ イ ニン グの 基礎 」、オ ー ム社 、2006 年
[25] 淺井 、村 上 、野 見 山、 村田 ：「二 進木 を 用い た全 天日 射 量の 3 時 間先 予測 」、平 成 23 年電 気学 会 電力 ・ エネ ルギ ー 部門 大 会、105、2011年
[26] 市川 ：「シ リー ズ<行 動 計量 の科 学> 7 因子 分 析」、 朝倉 書店 、2010年 [27] 気象 庁 HP：「気 象 統計 情報 」、http://www.jma.go.jp/
[28] 気象 庁：「 気象 観 測の 手引 き 」、1998年 9 月
[29] D. G. Erbs，S. A. Klein，J. A. Duffie ”ESTIMATION OF THE DIFFUSE RADIATION
FRACTION FOR HOURLY,DAILY AND MONTHLY-AVERAGE GLOBAL RADIATION,” Solar Energy Vol. 28 No. 4 P. 293-302, 1982
[30] R. Perez，P. Ineichen，R. Seals，J. Michalsky，R. Stewart ”MODELING DAYLIGHT
AVAILABILITY AND IRRADIANCE COMPONENTS FROM DIRECT AND GLOBAL IRRADIANCE,”Solar Energy Vol. 44 No. 5 P. 271-289, 1990
[31] 野見 山 、高 野 、村 田：「電 力 系統 運用 を 考慮 した 全天 日 射強 度 から 太陽 光発 電 出力 への 簡易 換 算方 法 に関 する 一検 討 」、 平成 25 年電気 学会 電 力・ エ ネル ギー 部 門大 会（ 採択 済 ）