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オフグリッドシステム設計基準書

自然共生型オフグリッドシステムの設計基準と技術仕様

自然共生型オフグリッドシステムの設計基準と技術仕様

― 家庭DIY適用を想定 ―
目次
要旨（Abstract）

本論文は、自然生態系との調和を設計要件に内在化した家庭DIY向けオフグリッド統合システムの基準を提示する。エネルギー（太陽光・蓄電池）、水循環（雨水・地下水・処理再利用）、食料生産（自然栽培・屋内水耕）、およびAI制御（予測・最適化・予防保全）を安全係数1.2倍以上で束ね、LPSP≤1%を達成する設計枠組を与える。提案は、電気・制御・生態・情報セキュリティの横断要件、試験・検証・運用・保全のライフサイクルを含む。

1. 序論（Introduction）

エネルギー自立・水資源循環・食料生産を家庭スケールで同時達成するには、従来の単体系最適化ではなく全体最適（systems-of-systems）が必要である。本研究は、(i) 生態系保全、(ii) プロ超えの安全余裕、(iii) DIY実装容易性、の3指針を統合し、自然共生型オフグリッドの標準化を図る。

2. 設計哲学と評価指標
2.1 基本ポリシー
  • ゼロインパクト志向：化学負荷低減・生物多様性保全・循環率最大化
  • 安全第一：主要サブシステムに安全係数≥1.2、クリティカル負荷には≥1.5
  • DIY適用性：手順の単純化、冗長保護、誤操作に強いUI/機構
2.2 指標（KPI/KSF）
  • LPSP（Loss of Power Supply Probability）：≤1%/年
  • 水循環自給率：≥80%（降雨・灰水再利用含む）
  • 自然共生指数：Ieco = (B+D+S)/3 ≥ 0.9
  • AI予測精度：電力需要MAPE ≤10%、故障予兆F1 ≥0.9

B：生物多様性維持度、D：資源循環度、S：土壌健全度（各0–1正規化）

3. エネルギー系（PV・蓄電・需要）
3.1 PVアレイの設計

ピーク日射（PSH）、温度係数、配線損失、汚れ・経年を含む実効効率ηsysを導入：

PPV = (Ed · γ) / (PSH · ηsys)
  • Ed：1日当たり消費電力量（kWh）
  • γ：安全係数（推奨1.2）
例：Ed=8kWh、PSH=3.5、ηsys=0.75、γ=1.2
⇒ PPV ≈ 9.6/2.625 = 3.66 kW
配慮事項：ストリング電圧の温度両端設計、遮光・ホットスポット回避、DC絶縁・アーク対策、SPD（DC/AC側）配置。
3.2 蓄電池（LiFePO₄推奨）

容量設計：

Cbat[kWh] = (Ed · N · γ) / DoD
  • N：所望自立日数（例：3日）
  • 推奨：DoD ≈ 0.67（寿命延伸）
例：Ed=8、N=3、γ=1.2、DoD=0.67
⇒ Cbat ≈ 28.8/0.67 ≈ 43 kWh
必須：BMS（セルバランス・温度監視・短絡/過充放/過温保護）、DC遮断器、セル温調（10–25℃）、不燃設置、排気/消火動線。
3.3 需要階層化とLOLP
  • 負荷優先度：最重要（医療/通信）1.5×、重要（冷蔵/照明/給水）1.2×、一般1.1×
  • 信頼度解析：LOLP/LOLEまたはモンテカルロ（気象×負荷）でLPSP≤1%を設計条件に。
4. 水循環系（雨水・井戸・再利用）
4.1 森林模倣モデル
Qcirc = (P + R + E) · ηphyto
ηphyto = 0.95 ∼ 0.99
  • P：降雨回収
  • R：露・回収結露
  • E：蒸散回収（温室等）
4.2 水質要件（目標）
  • 物理化学：濁度<1 NTU、導電率・pH（6.5–8.5目安）
  • 微生物：大腸菌群不検出/100 mL（飲料用途時）
  • 処理系：プレろ過→セラミック/活性炭→UV+オゾン（二重）
  • 井戸持続性：採取≦年間涵養×0.42（保全係数1/1.2）
4.3 灰水再利用
  • 指標：BOD<8 mg/L、SS<4 mg/L（目標）
  • 工法：生物処理＋膜分離（MBR等）→精密ろ過→再利用ライン
5. 食料生産（自然栽培・屋内水耕）
5.1 自然栽培・パーマカルチャー
  • 多層（7層）・ギルド・コンパニオンで生態系防除を基本戦略に。
  • 年間収穫目標：1坪150 kg（前提：温帯、通風・日照適正、無化学投入、土壌活性化）
5.2 屋内水耕（家庭スケール）
  • 照度：200–280 μmol·m⁻²·s⁻¹（葉菜）
  • 水質：pH 5.8–6.2、EC 1.5–2.0（作物プロファイル化）
  • 目標：用水90%削減、電力最適化（可変DLI）、遠隔監視/アラート
6. AI制御・デジタル設計
6.1 アーキテクチャ
  • センサ：電力（電圧/電流/電力量）、環境（温湿度・照度・気圧）、水質（pH/EC/濁度/温度）、作物画像
  • 推論：需要予測（時系列：LSTM/TCN/M4互換）、故障予兆（分類：GBDT/Transformer）、MPC最適化（PV・蓄電・負荷・気象）
6.2 最適化定式化（例）
minu_t Σt (cePgrid,t + cdDODt + csΔSOCt²)

制約：電力収支、SOCmin ≤ SOCt ≤ SOCmax、需要階層、快適度、気象不確実性（シナリオ）。

6.3 データモデル（MQTT/JSON例）
{“ts”:”2025-09-10T12:00:00+09:00″,”site”:”OGAI-01″, “pv”:{“v”:410.2,”i”:8.7,”p”:3566}, “bat”:{“soc”:0.72,”t”:22.4,”p_chg”:1200}, “load”:{“p”:980,”tier”:”critical”}, “env”:{“t”:27.1,”rh”:0.63,”lux”:18000}, “water”:{“ph”:6.1,”ec”:1.8,”turb”:0.3}}

収集周期：電力系1–5s、環境30–60s、水質5–15min、画像10–60min。

6.4 品質保証（MLOps）

データドリフト監視、月次再学習、A/B評価、説明可能性（SHAP/LIME）、フェイルセーフ：モデル不在時は保守則へ。

7. 安全・規格・実装
7.1 電気・機械安全
  • 直流側：絶縁監視、アーク検出、ストリングヒューズ/遮断器、SPD（Type適合）、作業用絶縁工具
  • 蓄電：BMS二重化、温度・ガス検知、難燃筐体、避難動線、離隔
  • 交流側：保護協調、漏電遮断、アース（該当接地種別に適合）、電圧降下・配線サイズ計算
7.2 規格・法令（例示）

電気設備技術基準/内線規程、関連JIS、PV/PCSのIEC適合（例：IEC 61215/61730/62109 等）、建築・消防・衛生関連。

※最終適合は自治体・国の最新告示で確認。
7.3 サイバーセキュリティ

ゼロトラスト方針、TLS、MQTT over TLS、キー回転、WPA3、最小権限、オフライン時自律安全モード、監査ログ不可変化（WORM）。

8. 試験・検証・受入（V&V）
8.1 型式試験
  • 絶縁・耐圧、開放/短絡、温度上昇、EMC簡易、誤配線耐性、非常停止応答。
  • 水処理：流量・差圧、ランダム負荷、UV/オゾン照度・曝露量検証、微生物指標試験。
8.2 現地試験（Site Acceptance）

72時間連続運転、自立切替（≤10 s）、クリティカル負荷連続性、負荷段変動、停電/回復シナリオ、火災・漏水想定。

8.3 受入判定
  • KPI達成（LPSP、SOCレンジ、温湿度・pH/EC、画像品質、アラート平均応答<60 s）。
  • FMEA残余リスクALARP。
9. 運用・保全（O&M）
  • 日常：目視・異音・温度・匂い・リークチェック、ダッシュボード健全性。
  • 月次：ログ点検、SOC/サイクル、パネル清掃、ろ材差圧、UV/オゾンランプ時間。
  • 年次：絶縁・接地再測定、BMSファーム更新、非常時訓練。
  • 予備品：ヒューズ/遮断器、センサ、ポンプ、UV/オゾン、ファン、フィルタ。
10. 代表計算例（家庭3–4人世帯想定）

日負荷 Ed = 8 kWh、自立3日、γ = 1.2、DoD = 0.67
→ 蓄電 Cbat ≈ 43 kWh

PSH = 3.5、ηsys = 0.75
→ PV PPV ≈ 3.66 kW

信頼度：気象10年データ・モンテカルロ10,000サンプルでLPSP評価、≤1%を確認（設計審査要件）。

11. 議論

本枠組はDIY実装を可能にしつつ、安全余裕・フェイルセーフ・運用の平易さでプロ超え水準を保持する。残課題は、地域規制差・極端気象時の頑健性・水質検査の運用負荷であり、モジュール化とコミュニティ運用で補完する。

12. 結論

家庭スケールの自然共生型オフグリッドは、生態系・安全・AIの三融合によって実用域に達する。本論文は、設計—検証—運用の一貫基準を与え、教育・行政・産業連携の共通言語として機能しうる。

付録（Annex）
A. 施工・点検チェックリスト（抜粋）

DC/AC極性・締結トルク、絶縁・接地、SPD(型式/接続)、BMSアラーム、非常停止、漏水/結露、逃げ道・消火器。

B. センサBOM（例）

電力計（クラス1）、PT/CT、温湿度、照度、pH/EC、濁度、流量差圧、カメラ（IR可）、漏水、煙・ガス。

C. 異常判定ロジック例

しきい値＋統計（3σ）＋学習器アンサンブル、保守則フォールバック、アラート抑止（デバウンス）、連鎖遮断。

D. データ保持・可観測性

時系列DB（圧縮・ロールアップ）、ダッシュボードSLO（99.5%）、監査ログ7年、個人データ最小化。

E. リスク評価（FMEA簡略）

事象：DCアーク／過熱／漏水／腐食／ファーム不整合／水質逸脱／画像欠損

対策：冗長センサ・温調・二重遮断・監査・保守モード・自動隔離・ユーザー誘導UI。

謝辞

本枠組は、オフグリッドAI研究所における現場知と工学・生態学・情報科学の横断統合に依拠する。

参考（例示）
  • 再生可能エネルギー・配電・水処理の国際規格/国内基準（PV/PCS安全、EMC、衛生）。
  • 時系列予測・最適化・MLOpsの実務指針。