オフグリッドシステム設計基準書

1. 基本理念と理論背景

1.1 定義

• オフグリッドシステムとは、商用電源や上下水道に依存せず、自律的に生活・生産活動を維持するための統合システム。
• 設計の基盤は エネルギー循環・物質循環・情報循環 の三位一体。

1.2 理論的基盤

• エネルギーバランス理論
  • 消費エネルギー ≤ 発電 + 蓄電容量
  • 発電ポテンシャル = ∑(再エネ設備 × 発電効率 × 稼働率)
• 水資源循環理論
  • 消費量 = (雨水 + 地下水 + 循環水) − 損失
  • 循環効率 > 70% を目標
• 農業生態理論
  • 光合成効率（APAR）× 葉面積指数（LAI） = 最大生産力
  • 作物生長は「光・CO₂・水・養分」の最小因子に制約される（リービッヒの最小律）

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2. 電力システム設計基準

2.1 太陽光発電

• 計算式：
  発電量 (kWh/日) = パネル容量 × 日射量 (kWh/m²) × 効率 × PR（性能比, 0.75〜0.85）
• 設計基準：
  • 年間日射量データ（METI, NEDO, NASA-SSE等）に基づく
  • 季節変動に対応 → 冬期最低発電量を基準とする

2.2 蓄電池

• 設計式：
  必要容量 (kWh) = 平均消費量 × 日数 / DoD
• 基準値：
  • LiFePO₄推奨（寿命 >6000サイクル）
  • DoD（放電深度）80%で設計
  • 温度制御：10〜30℃（寿命に直結）

2.3 電力需要管理

• 負荷分類：
  • 必須負荷（冷蔵庫、照明、通信）
  • 可変負荷（エアコン、ポンプ、IH調理器）
  • シフト可能負荷（洗濯機、充電器、農業ポンプ）

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3. 水資源システム設計基準

3.1 雨水利用

• 年間収水量 (m³) = 屋根面積 × 年間降水量 × 回収効率(0.6〜0.8)
• 飲料水利用時は二段階濾過（セラミック + 活性炭）＋ 紫外線殺菌必須

3.2 井戸水

• 許容採水量 = 年間涵養量 × 0.5 以下（持続性確保）
• 水質基準：WHO飲料水基準、日本水道法準拠

3.3 循環水利用

• 灰水リサイクル（風呂・洗濯水 → トイレ用）
• 処理基準：BOD < 10 mg/L, SS < 5 mg/L

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4. 食料生産システム設計基準

4.1 畑（露地栽培）

• 土壌水分管理：体積含水率 20〜30%（作物別最適化）
• 土壌EC：< 2 dS/m（塩害防止）
• 有機資源循環：堆肥化率 > 70%

4.2 水耕栽培（閉鎖型）

• 光環境：
  • 葉菜類：PPFD 150–300 μmol/m²/s
  • 果菜類：PPFD 300–600 μmol/m²/s
• CO₂濃度：800–1200 ppm
• 養液基準：
  • EC 1.2–2.5 mS/cm
  • pH 5.5–6.5
  • 溶存酸素 > 6 mg/L

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5. 情報・制御基準

5.1 センサー群

• 電力：電流センサー・SOC計測・日射センサー
• 水：水位・流量・pH・EC・DOセンサー
• 農業：葉面温度・NDVIカメラ・土壌水分センサー

5.2 ダッシュボード基準

• 表示要素：現在値 + 予測値 + アラート
• データ保存：時系列ログ（最低1年分保存）
• 通信：LoRaWAN / Wi-Fi / Zigbee（冗長化推奨）

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6. セーフティガイドライン

• 電気：直流系統は絶縁監視必須、アーク検知システム推奨
• 水：貯水槽は遮光構造、防藻対策必須
• 農業：閉鎖環境はカビ・病害対策にUV-C照射 or オゾン殺菌
• 緊急時：
  • 停電時 → バックアップ発電（2〜3日分燃料）
  • 水不足時 → 生活水優先、農業水は縮小モード

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7. 応用・発展領域

• AI予測：電力需要・収穫時期・病害リスクを機械学習で予測
• エネルギー取引：マイクログリッド間のP2P電力売買
• 水素システム：余剰再エネ → 水電解 → H₂貯蔵 → 燃料電池利用
• 循環モデル：糞尿バイオガス化 → 発電 → 熱回収 → 灌漑肥料利用