当日資料PDF

(特願２０１４−１５３３４８)
WO 2015/115385
「はやぶさ」電力制御技術を応用した
サーバーを要しない、家庭、オフィス向
けエネルギーマネージメントシステム
の提案
宇宙航空研究開発機構シニアフェロー
川口淳一郎
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提供する技術の要点(1)
• 提供する技術は、ジャンルとしては、デマンドコントローラ(デマコン)。すなわちピークカッ
ト制御手段。
• 現在のデマコンは、基本的に事業所向け。予め決められた優先度にしたがって、遮断・停止ま
たは、決められた所定の削減を行う機能に限定されている。したがって、使用者に不便・不快
を与えかねず、かつ非効率的。
• これは、1) 優先度を収集して、デマンド削減の指令を与えるためには、双方向の通信が必要
であり、システムが複雑化することや、2) 機器によってはインバーター化されていない場合が
あって、きめ細かい調整能力が得にくいことによる。
• 本技術は、ダイナミックに変動する個々の機器での優先度に対しても、サーバーを要せずに、
実時間で電力の割付けを可能にするもので、事業所のみならず、家庭にこの高機能なデマコン
を導入させるものである。
• メリットは、契約電力料金の低減化と、結果として快適性をあまり損なわずに、従量電力量・
料金の低廉化(エコ)となること。
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提供する技術の要点(2)
電気事業者
デマンドレスポンス
by アグリゲータ
ピークカット
by デマコン
大口契約者が主。
末端までは対応が難しい。
前日に建てる計画運用。
天候予測外れや、送配電トラブルに即応性がない。
実は、臨機応変なデマンドレスポンスの実現のは、
オフィスや家庭での、ピークカットができるかどうかに
かかっている。
しかるに、現状は、見える化までとどまり、事業所で
も、予め決められた削減動作しかできていない。
• 本技術は、ダイナミックに変動する個々の機器での優先度に対しても、サーバーを要せず
に、実時間で電力の割付けを可能にするもので、事業所のみならず、家庭にこの高機能
なデマコンを導入させるものである。
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提供する技術の要点(3) 家庭では:
「ありのままの」エアコン、LED でも、片方向通信で臨機応変の電力制御が可能です。
センシングモジュールと、メディ
Zigbee
アコンバータで、家電機器とタイ
配電盤
Zigbee
エアコンやLED では、既存の
LED 照明
H/W 変更なし。
既存I/F
ハードウェアをそのままに、赤外
メディア
コンバータ
エコキュート
線 I/F を利用するだけ。送信機
は、家電機器メーカーが作って販
Zigbee
(掃除機)
売する必要はない。
既存I/F
エアコン室内機
IHクッカー
アップするだけ。
H/W変更なし。
1台のエアコンから、モジュラー
に拡張して設置できる。
既存内外機間通信
ビルでも、テナント単位から拡
エアコン室外機
張してピークカット制御が整備で
H/W 変更なし。
きる。
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技術の背景(1)
「はやぶさ」では、限られた電力を有効利用する
装置が搭載されました。
それを発展させた、JAXA 発信の、その時点時点で
の電力消費量を反映して、動的に電力資源を割り
当てる、電力制御装置の新方式。
それは、サーバー・クライアント間通信を要しな
い、高速制御法です。
電力
Pmax
電車の電力量制御や、携帯電話などでの
情報処理にも応用できる。
時間
電力
Pmax
時間
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技術の背景(2)
支払い倍率を集計する場合 (幹事(サーバー)が集計する方式。)
(初期の支払いバランス=12000円)
支払い倍率(真)
A(部長)
B(課長)
C(係長)
D(ヒラ)
2
1.7
1.3
1
2+1.7+1.3+1=6
倍率の集計
第1ラウンド
バランス
12000/6x 2=4000
12000/6 x 1.7=3400
12000/6x1.3=2600
12000/6x1=2000
第2ラウンド
典型的な、サーバークライアント方式。
集計時間は、参加者数に応じて、長時間化する。
倍率の集計値が規格化できるなら、合計をとる必要はない。
ここにヒントがある。
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+/- 0
技術の背景(3)
本制御方式 : 制約条件付き最適化
(初期の支払いバランス=12000円)
A(部長)
優先度
(自己認識)
戻り優先度
2
B(課長)
C(係長)
3
4
D(ヒラ)
バランス
6
(当人の認識)
システム感度=0.8
(簡易式なので誤差があ
6
4.5
3
3
第1ラウンド
12000/2=
6000
12000/3=
4000
12000/4=
3000
12000/6=
2000
+3000
第2ラウンド
6000-3000/6=
5500
4000-3000/4.5=
3333
3000-3000/3=
2000
2000-3000/3=
1000
-167
(自己認識)
る場合)
戻りシステム感度=19/18
優先度を各個体で設定して変化しても、制御は高速で制約を満たす。
[幹事は集計作業を行う必要がない。つまり、参加者個々の優先度を知る必要がない。
また、各個人で行う作業は、他の参加者とは独立に、並列で行うため、処理時間は、参加
者数によらずに高速である。]
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技術の背景(4)
照会
照会
照会
照会
回答・収集
回答・収集
回答・収集
回答・収集
サーバー
機器-1
機器-2
機器-3
機器-4
機器-3
機器-4
(1a)
サーバー
機器-1
機器-2
機器-3
機器-4
(1b)
割当計算
配信
サーバー
機器-1
機器-2
配信
(2)
配信
配信
サーバー
機器-1
機器-2
機器-3
繰り返し
機器-4
実施
(3)
サーバー
典型的な、サーバー・クライアント型の制御方式
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機器-1
実施
実施
実施
機器-2
機器-3
機器-4 (4)
遅くて収集に追われるばかり。
技術の背景(5)
同報送信専用個体
個体-1
(アラート個体)
(各個体毎に独立して行う並列処理)
個体-2
個体-3
個体-4
同報送信と個体が行う独立分散の並列処理併用型の新制御方式
低速の通信手段でも、高速の制御が実現される。
個体毎の制御から、空間の制御へのパラダイムシフト。
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従来技術とその問題点(1)
• 提供する技術は、家庭やオフィスでの電力のピークカット制御方法。
ハードの導入を要しない方式。
• ピークカットは、遊休発電所などの過剰な電力インフラを削減し、安定なエネルギー供給
につながる。加えて、結果として、数%のエコにつながる。
• ピークは、実は、日没直後や日の出前の夕食、朝食準備時にこそ発生する。
• ソーラーは、従量電力の削減にはなるが、このピーク削減には効果が少ない。
• 極めて大型のバッテリーは、ピークカットにつながるが、耐久性に難があり、かつ高額投
資を要し、遊休発電所と同様に過剰な設備を富裕層に再配置するだけで、社会問題の解決
につながらない。それぞれが最大容量を確保することは、一層の過剰設備を抱えることに
なる。
• バッテリーでのピークカットは、機器が消費電力を調整できない場合のソルーション。調
整できると、バッテリーはかならずしも解ではない。
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従来技術とその問題点(2)
• いわゆるHEMS、 BEMS は、予め、集中監視・管理設備(サーバー)の
設置を前提としているが、それは、システム内の全個体からの情報収
集と規制指令の送達という、双方向通信を要するため。
• HEMS、BEMSは、初期のシステム構築が必要で、高額の投資が必要
なため、新築住宅や大規模なリフォーム時でなければ、導入が難しい。
既設住宅や、集合住宅では、とくに難しい。
• 加えて、現在のHEMS、BEMS では、「見える化」どまりで実態とし
てピークカット電力制御は実用化されていない。
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従来技術とその問題点(3)
Q) 全個体との双方向通信は必要でしょうか？
A) 答えは No です。
• たった1つの量(電力)を制御するのに、全個体との通信は必
要でしょうか。
• 1個体とサーバーが双方向通信するのに、0.1秒を要すると、
10万個の個体との通信には、10000秒を要します。
• 1つの量しか制御しないなら、1つの情報の通信で達成されう
ると考えるべきでしょう。
同報送信で済むなら、通信時間は、個体数によらずに、0.05秒
で足りることになります。
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新技術の特徴・従来技術との比較(1)
• 本技術は、サーバーを要せず、同報という片方向の通信と、各個体で
の独立並列処理だけで、システム全体のピークカットを実現する。
• 低速の通信手段であっても、高速の制御を実現できるうえ、個体数が
増えても、制御速度が低下しない特徴をもつ。
• Plug-in, Plug-out 性を備え、制御システムへの集合・離散も自由であ
る。
• モジュラーに拡張性がある。初期のシステム構築が非常に軽微。オ
フィス内でも、徐々に拡張できる。
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新技術の特徴・従来技術との比較(2)
• 従来は、前日に電力使用計画を建てて対応してきたデマンドレスポ
ンス(アグリゲーション)に代わって、リアルタイムに電力需給状況
を反映したフィードバックを可能にし、画期的な電力供給を可能と
する。
• 設備の初期構築が不要で、逐次増設が可能で、既設の住宅、集合住
宅にも後づけで導入することができる。引越しも可能。
• 廉価なシステムであり、数%の電力量の削減をもたらし、数年で投
資を回収することができる。
• 提供する技術は、余剰なインフラを省き、電力の安定供給を可能に
し、併せてエコにも貢献する。
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新技術の特徴・従来技術との比較(3)
【従来型】集中監視・管理型
【本方式】同報と並列処理型
Merit:
通信する全ての機器の見える化ができる。
逆に、見える化しかできていない。
Demerit:
全ての機器の見える化はできない。Zigbee 機器、メ
応はできない。
(2) システム設定の構築が必要で、モジュラー
きる。
(2) システム設定の構築が不要で、モジュラー拡張性
ディアコンバーター毎には見える化ができる。
Demerit:
(1) Plug-in, Plug-out 性がない。掃除機などへ対
Merit:
(1) Plug-in, Plug-out 性がある。掃除機などへ対応はで
拡張性が低い。初期構築が必須。
(3) アダプター消費電力が大きい。駆動電源を
(3) アダプター消費電力が小さい。駆動電源を要しな
要する。
(4) 機器をハード接続するための変更が必要。
くてよいものもある。
(4) IR 機器には、ハード変更は不要。
(5) LED など廉価機器への接続が難しい。
(5) LED など廉価機器への接続可能。
(6) 応答速度が遅い。
(6) 高速応答を実現できる。
が高い。1台のエアコンからでも。
(7) 装置が簡易なので、smart breaker も複合できる。
仮に、両者のアダプターが、価格的に同じになったとして。
＊) 現時点では、大きな価格差があり、JAXA 方式の展開型の形態-3 が、圧倒的に廉価。
スマホ、タブレット等への表示機能は双方に確立できる。
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新技術の特徴・従来技術との比較(4)
典型的な構成を実現するコスト例
エアコンx3、LEDx3、エコキュート、IH クッカー、分電盤、コンセントx4 で構成する場合。
エアコンなど、対応機器導入経費は除く。
【従来型】集中監視・管理型
【本方式】同報と並列処理型
HEMS サーバー (20000円)
メディアコンバーター 2階建て (15000円x2)
分電盤 (100000円)
分電盤設置のセンシングモジュール (5000円)
エコネットアダプター(20000円x5)
エコキュート向けレシーバーモジュール(5000円)
LED は対応できない。
IH クッカー向けレシーバーモジュール(5000円)
コンセントdのブレーカーは対応できない。
エアコン、LED 機器
+電気工事代金、ネットワーク配線 (？ 200000
組込みソフトで対応機種では経費要しない。
エアコンにレシーバーモジュール装備時(5000円x3)
円)
コンセント単位のブレーカー(5000円x4)
42万円。他にパワコン経費も必要。
+電気工事代金、ネットワーク配線 (不要)
事実上、見える化しかできない。
この目的のために導入することは考えられない。
6.5-8 万円。パワコンは不要。
8
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新技術の特徴・従来技術との比較(5)
エアコン2台、ピーク60A の住宅での、年間電力消費例(東京 2010-2011) 対応なし時。
60A
日の出前後、日没後にピー
クを迎える。
冬場は、最低温度が生じ、
照明と朝食準備に重なる。
年間ではピーク60A、
90kWh/日が最大。
冬場に発生する。
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新技術の特徴・従来技術との比較(6)
エアコン2台、ピーク60A の住宅での、年間電力消費例(東京 2010-2011)
ソーラー6kW, バッテリー 6kWh 装備で、40A 制限時。
40A 制限に
も関わらず
ほぼピークカットできているが、年間で1日は対応できず、停電してしまう。
毎年、1-2日は異常日が存在する。
これを回避するには、10kWh のバッテリーが必要(ソーラー 6kW時)。
かなり過剰設備が必要。
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新技術の特徴・従来技術との比較(7)
エアコン2台、ピーク60A の住宅での、年間電力消費例(東京 2010-2011)
ソーラー、バッテリー、パワコンもなし。本ピークカット制御で 40A 制限かけた場合。
エアコンと照明の臨機応変な削減に
より、調整下限値まで、ピークを抑
えている。
応じきれなくても停電は発生しない。
40A 制限を概ね満たす。
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新技術の特徴・従来技術との比較(8)
エアコン2台、ピーク60A の住宅での、年間電力消費例(東京 2010-2011)
ソーラー、バッテリー、パワコンもなし。本ピークカット制御で 50A 制限かけた場合。
年間で、2-3日、目標の暖房温度目標(20degC)を、2-3degC 下回
る影響が出るが、年間総電力料金は、4% 削減できる。
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新技術の特徴・従来技術との比較(9)
年間電力料金
方式
(ソーラー、バッテリー
10年償還)
ピーク電力
うち売電収入
(100V換算)
無制御/無設備
41.8 万円
61 A
0 万円
ソーラー 6kW
42.8 万円
58 A
10 万円
ソーラー 6kW
バッテリー 6kWh 40A 制
年間で1日だけ、規制を踏
48.3 万円
55 A
10 万円み抜き、枯渇する。
限
ピークカット 50A
ピークカット 40A
ピークカット 50A
バッテリー 2kWh
ピークカット 40A
ソーラー 6kW、バッテリ
ー 6kWh
ピークカット 30A
ソーラー 6kW、バッテリ
ー 6kWh
ピークカット 40A
ソーラー 6kW、バッテリ
ー 4kWh
備考
40.2 万円
38.3 万円
53 A
ソーラー、バッテリー、
パワコンなし。
45 A
ソーラー、バッテリー、
パワコンなし。
ソーラーなし。
41.8 万円
51 A
45.0 万円
40 A
10 万円
43.8 万円
37.5 A
10 万円
43.6 万円
43.0 A
10 万円
＊ソーラー、バッテリー導入ケースで、パワコン導入経費の償却分は含まれていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較(10)
ソーラー能力 (kW)
停電しないために必要な
ソーラー、バッテリー
バッテリー容量 (40A規制)
設置経費 (＊)
6 kW
10 kWh
315 万円
10 kW
8 kWh
430 万円
12 kW
6 kWh
480 万円
14 kW
4.5 kWh
535 万円
16 kW
4 kWh
590 万円
ピークカット制御
0 kWh
0 万円
42 kWh
N/A
無限大
(＊ゼロエネルギー住宅)
＊ソーラー (35万円/kW)、バッテリー(10万円/kWh)、10年償却。
パワコン導入経費の償却分は含まれていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較(11)
個々の住宅での採算性
社会的貢献以外の個々の住宅におけるメリット。
① ピークカットではあるが、節水効果で、生活の利便性を落とさずとも、数%の従量電
力料金の低減化につながる。
1月に、数百円の料金節約。
② 契約電力の規模縮小。
1月に、数百円の料金節約。ただし、あまりお勧めではない。
およそ、数年で、元がとれる。
＊事業所でも同様の効果が発揮できる。
＊集合住宅では:
受電・再送電設備の縮小につななるほか、ピーク電力を抑えて契料金の低廉化ができる。
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想定される用途(1)
(1) 住宅、ビルでの、ピークカット制御
電気事業者側、ビル管理者、ディベロッパーから管理できる、flexible 契約
者が生まれます。＊
本方式は、既存の server-client 型通信環境とも共存できます。
初期投資が際だって小さく、集合住宅などでも、個別にモジュラーに、
社会活動として参加していくことができます。
高齢者、単身者世帯でも、後付けで、ピークカット電力制御に参加
できます。
(2) 変電所管内での、電車の運行に関わるピークカット制御。
Plug-in Plug-out を伴う、分散電源個体の制御にあたり、本方式が
適しています。
＊エアコンなどへの組込みソフトの変更が必要だが、技術的には全く問題なく、コスト上昇
も事実上はない。現時点でも、調達要求ができる状態と言ってよい。
＊同報送信は、ビルの既存の集中制御卓上にも同居、共存できる。
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想定される用途(2)
(3) 配電路上での電気事業者、家庭のソーラーなど分散電源事業者間で行う
電力制御。
売買電制御、総電流規制(ピークカット)、逆潮流管理を、電気事業者側
から主導的に行うことができます。
戸建住宅で構成する電力制御、売買電制御システムが容易に構築でき
ます。
(4) 通信事業者が、契約者からパケット生成を集中して受ける場合の制御も
同様です。
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想定される用途(3)
アグリゲータとしての「smart 住宅」チェーン、充電ステーション事業ができる。
インター
ネット
インター
ネット
住宅
インター
ネット
変電所
G
住宅
インター
ネット
下位層での、高速な
ピークカットが、
変電所
G
住宅
インター
ネット
Alert Center
smart 住宅をチェーン
化し、アグリゲータ
化します。
変電所
G
住宅
インター
ネット
変電所
＊個々のsmart 住宅では、ローカルに、高速ピー
クカットを実施します。
住宅
!26
想定される用途(4)
○ 制御-2 個体毎への優先度修飾の効果と、電力規制回復への対応。
高齢者、こどもモードの味付けに対応し
て、サーバーなしでも、電力割付が行わ
れる。
味付けは、いつでも自由に変更できる。
優先度の味付けの効果
電力のもどり制御特性が発揮できる。
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製品化準備状況(1)
Zigbee
リビング
寝室
配電盤
Zigbee
スマート
LED 照明
タップ
H/W 変更なし。
ブレーカー
#1
スマート
スマート
タップ
タップ
ブレーカー
ブレーカー
#2
#3
既存I/F
既存I/F
エコキュート
メディア
メディア
コンバータ
コンバータ
LED 照明
Zigbee
(掃除機)
H/W 変更なし。
既存I/F
既存I/F
IHクッカー
エアコン室内機
エアコン室内機
H/W変更なし。
H/W変更なし。
既存内外機間通信
既存内外機間通信
エアコン室外機
エアコン室外機
H/W 変更なし。
H/W 変更なし。
最初の一歩は、エアコンやLED では、既存のハードウェアをそのままに、赤外線 I/F を利用するだけ。送
信機は、家電機器メーカーさんが作って販売する必要はありません。
17
!28
製品化準備状況(2)
センシングモジュール(右)、メディアコンバー
コンセント/機器単位のブレーカー
ター(中)、アダプターブレーカー(左) の例
Smart Outlet Breaker
+
18
!29
製品化準備状況(3)
Smart Adapter Breaker : サーバーがなくても賢いブレーカーが作れます。
!30
実用化に向けた課題
• 実用化に向けての技術的な問題はない。
• すでに、同報装置や、スマートブレーカーなどの製品化に着手している。
• 制御対象の家電についても、組込みソフトウェアの改修だけで、参加を可能
としており、家電メーカーへ紹介、協議を行っている。
• 実用化、普及に向けて、社会実験(モニターキャンペーン)の実施が必要と考
えており、実施方法を検討中である。
＊エアコンなどへの組込みソフトの変更が必要だが、技術的には全く問題なく、コスト上昇
も事実上はない。現時点でも、調達要求ができる状態と言ってよい。
＊同報送信は、ビルの既存の集中制御卓上にも同居、共存できる。
!31
企業への期待
• 新たに通信手段を装備させた家電機器を製品化することは期待はす
るが、当座は要しない。
• 既存の、エアコンやLED 照明などの赤外線リモコンの受信機能を
装備した家電機器への、組込みソフトウェアの改修によって、参加
を期待する。
• 同報装置やスマートブレーカーについても、連携を促したい。
• まずは、社会実験(モニターキャンペーン) に参加を求めたい。
＊ JAXA, JAXA ベンチャーは、方式・処理アルゴリズムのランセンシン
グ、あるいは、同報機器、後付け型(*)並列処理機器の供給を行って連携
することができる。
(* 既存のエアコンに後付けできるモジュールもすでに試作済み。)
!32
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：
電力制御システム、方法、
及び、情報伝達能力制御
システム、方法
• 出願番号
：特願2014-153348
優先日の関係で、
WO 2015/115385 は、公開済み。
• 出願人
：宇宙航空研究開発機構
• 発明者
：川口淳一郎
!33
産学連携の経歴
• 2015年 1月家電機器への応用のため赤外線による
通信情報を公開
• 2015年 5月 JAXA ベンチャー PCONIX社設立。
• 2015年 11月
JAXA-JR鉄道総研-東急間で
鉄道への応用に向けて共同研究開始。
• 2016年 7月
PCT 海外移行期限。
!34
お問い合わせ先
宇宙航空研究開発機構
新事業促進部新事業課
e-mail [email protected]
!35

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