WAKAO, Shinji

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Advanced Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.eb.waseda.ac.jp/wakao/

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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

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Research Institute 【 display / non-display 】

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

  • 2014
    -
    2023

    太陽光発電システム研究所   プロジェクト研究所所長

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Education 【 display / non-display 】

  • 1991.04
    -
    1993.03

    Waseda University   Graduate School, Division of Science and Engineering   Major in Electrical Engineering  

  • 1989.04
    -
    1991.03

    Waseda University   Graduate School, Division of Science and Engineering   Major in Electrical Engineering  

  • 1985.04
    -
    1989.03

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering   Department of Electrical Engineering  

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Degree 【 display / non-display 】

  • Waseda University   Doctor of Engineering

  • Waseda University   Master of Engineering

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Research Experience 【 display / non-display 】

  • 2006.04
    -
    Now

    Waseda University   Professor

  • 2016.09
    -
    2020.09

    Waseda University   School of Advanced Science and Engineering   Dean

  • 1998.04
    -
    2006.03

    Waseda University   Associate Professor

  • 1996.04
    -
    1998.03

    Waseda University   Assistant Professor

  • 1995.04
    -
    1996.03

    Waseda University   Visiting Lecturer

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 　
    　
    　

    The Japan Society for Computational Engineering and Science (JSCES)

  • 　
    　
    　

    Japan Solar Energy Society (JSES)

  • 　
    　
    　

    IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)

  • 　
    　
    　

    The Institute of Electrical Engineers of Japan (IEEJ)

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Power engineering

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • Electromagnetic Field Analysis, Numerical Analysis, Finite Element Method, Design Optimization, Electric Machine, Renewable Energy, Photovoltaic Power Generation System, Electric Train, Smart Grid

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Papers 【 display / non-display 】

  • Renovating a house to aim for net-zero energy, thermal comfort, energy self-consumption and behavioural adaptation: A method proposed for ENEMANE HOUSE 2017

    Reina Oki, Yugo Tsuneoka, Shingo Yamaguchi, Soma Sugano, Naoya Watanabe, Takashi Akimoto, Yasuhiro Hayashi, Shinji Wakao, Shin-ichi Tanabe

    ENERGY AND BUILDINGS   201   183 - 193  2019.10  [Refereed]

    　View Summary

    In Japan, low thermal insulation performance in existing houses is a considerable issue that may lead to health problems. Therefore, it is necessary to acquire technologies and knowledge regarding thermal insulation renovation. On the other hand, with the spread of photovoltaic panels, urban scale energy management and self-consumption have become important. The purpose of this study is to introduce a net-zero energy house which was designed, built, and analyzed by the team of Waseda University and Shibaura Institute of Technology in the ENEMANE HOUSE 2017 competition. The team proposed a renovation method which insert highly insulated walls into the existing structure, creating not only highly insulated areas but also non-insulated areas called "loggias." By opening and closing the windows of the loggia according to the season, it functions as a passive system and enables residents' behavioural adaptation to the environment. On the other hand, to aim for self-consumption and leveling of reverse power flow, a heat pump water heater and a storage battery were operated according to solar radiation prediction. Actual measurements confirmed the implementation and effect of this operational method. Moreover, the energy consumption was greatly reduced, while thermal comfort was maintained by thermal insulation and efficient equipment introduction. (C) 2019 The Authors. Published by Elsevier B.V.

    DOI

  • PROPOSAL OF RENOVATION TO ZERO ENERGY HOUSE (ZEH) FROM AN EXISTING INDUSTRIALIZED HOUSE

    NAKAGAWA Jun, IKEHARA Yasushi, WATANABE Naoya, KOBAYASHI Tatsuhiro, TANABE Shin-ichi, AKIMOTO Takashi, HAYASHI Yasuhiro, WAKAO Shinji, TSUNEOKA Yugo, YAMAGUCHI Shingo, OKI Reina, SUGANO Soma, NOMOTO Akihisa, MARUYAMA Yuka, ARAKI Nana, YAMASHINA Daiki

    AIJ Journal of Technology and Design   ( 59 ) 239 - 242  2019.02  [Refereed]

    　View Summary

    <p>Saving energy in the residential is required under the influence of global warming and electricity shortage caused by natural disaster in Japan. For the purpose of promoting zero energy house, "ENEMANE HOUSE 2017", a competition of Zero-Energy House was held. This paper shows the overview of the building and equipment planning, and also the evaluation of thermal environment and energy in the zero energy house which the consortium of Waseda University and Shibaura Institute of Technology proposed in the competition. This zero energy house demonstrates a method of renovation of housing using low-insulated outer wall of an existing industrialized house. The aim of the facility planning was not only the compatibility of energy-saving and comfort but also the increase in self-consumption of surplus power. </p>

    DOI CiNii

  • Distributed Energy Management for Comprehensive Utilization of Residential Photovoltaic Outputs

    Yu Fujimoto, Hiroshi Kikusato, Shinya Yoshizawa, Shunsuke Kawano, Akira Yoshida, Shinji Wakao, Noboru Murata, Yoshiharu Amano, Shin-ichi Tanabe, Yasuhiro Hayashi

    IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID   9 ( 2 ) 1216 - 1227  2018.03

    　View Summary

    The introduction of photovoltaic power systems is being significantly promoted. This paper proposes the implementation of a distributed energy management framework linking demand-side management systems and supply-side management system under the given time-of-use pricing program for efficient utilization of photovoltaic power outputs; each system implements a consistent management flow composed of forecasting, operation planning, and control steps. In our framework, demand-side systems distributed in the electric distribution network manage individual energy consumption to reduce the residential operating cost by utilizing the residential photovoltaic power system and controllable energy appliances so as not to inconvenience residents. On the other hand, the supply-side system utilizes photovoltaic power maximally while maintaining the quality of electric power. The effectiveness of the proposed framework is evaluated on the basis of an actual Japanese distribution network simulation model from both the supply-side and demand-side viewpoints.

    DOI

  • Improvement of torque characteristics for a synchronous reluctance motor using MMA-based topology optimization method

    Yoshifumi Okamoto, Reona Hoshino, Shinji Wakao, Tomonori Tsuburaya

    IEEE Transactions on Magnetics   54 ( 3 )  2018.03

    　View Summary

    Because a synchronous reluctance motor (SynRM) does not require permanent magnets, its industrial applications focus on lowering manufacturing costs. However, the SynRM has disadvantages. It experiences a lower average torque and oscillations derived from torque ripple compared to a permanent magnet-based motor. Therefore, the improvement of torque characteristics is investigated using topology optimization (TO) method which allows a greater variety of rotor structure than the shape optimization technique and does not require the concrete initial structure. Although the level set method is well known among TO methods, the smoothed-heaviside-function-based TO implemented by method of moving asymptotes is more suitable due to the feasibility of implementing the physical structure and the convergence speed. In this paper, the reasonable structure of rotor core in SynRM is investigated using TO method to improve the torque characteristic.

    DOI

  • Method for determining voltage control parameters of low-voltage regulator using forecast interval of photovoltaic output

    Masaya Kobayashi, Hiroshi Kikusato, Jun Yoshinaga, Yu Fujimoto, Nao Kumekawa, Shinji Wakao, Yasuhiro Hayashi, Noriyuki Motegi, Yusuke Yamashita

    2017 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe, ISGT-Europe 2017 - Proceedings   2018-   1 - 6  2018.01

    　View Summary

    A low-voltage regulator (LVR) is investigated as a countermeasure for voltage violation caused by the integration of photovoltaic (PV) systems in distribution systems. To achieve appropriate voltage control by the LVR, the appropriate control parameters need to be determined. We have proposed schemes to determine the appropriate control parameters using PV forecast profiles. In a previous work, the control parameters were determined on the basis of one-scenario PV forecast, which derives one forecast value in each time step. However, voltage violation could not be avoided by this method in a time step with a large forecast error. In this paper, we propose a method for determining the voltage control parameters of the LVR based on the forecast interval of the PV outputs to quantitatively consider the PV forecast error. The numerical simulation results show that the proposed method can reduce the amount of voltage deviation compared with the conventional method.

    DOI

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Books and Other Publications 【 display / non-display 】

  • EE Text 電気エネルギー工学通論

    (株)オーム社  2003.12

  • 電磁界数値解析における最近の技術動向

    電気学会技術報告  2002.12

  • 新エネルギー大辞典

    (株)工業調査会  2002.02

  • 太陽エネルギー利用技術の実用化要件と技術開発の将来

    電気学会技術報告  2000.07

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Misc 【 display / non-display 】

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Awards 【 display / non-display 】

  • IEEJ Academic Promotion Award / IEEJ Distinguished Paper Award

    2008.05  

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • 太陽光発電集中連系配電ネットワークにおける日射予測を用いた蓄エネ制御支援手法開発

    挑戦的萌芽研究

    Project Year :

    2013
    -
    2016
     

  • Development of fundamental technology of next generation superconducting cyclotron for heavy particle cancer therapy

    Project Year :

    2011
    -
    2014
     

  • Development of integrated simulator for energy management assistance in electrical power distribution system with a large amount of photovoltaics

    Project Year :

    2011
    -
    2014
     

  • Fundamental studies on superconducting coil systemofheavy-ion accelerator for cancer therapy

    Project Year :

    2008
    -
    2011
     

  • Research on electromagnetic field computation for energy-saving design of electric machinery

    Project Year :

    2008
    -
    2011
     

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • マルチフィジックス実規模機器設計における高速トポロジー最適化システムの構築

    2018  

    　View Summary

    電磁エネルギー変換における大幅な高効率化を実現すべく、磁気回路のトポロジー最適化の高速化に向けた情報処理技術の適用検討を行った。具体的には、画像認識分野で著しい性能を発揮している畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を用いた分類器を開発し、磁性体分布を入力に、ターゲット領域の磁気エネルギーのレベルを出力とし、分類精度向上の検討を行った。CNNにおける学習データと内部パラメータが分類精度に与える影響等の考察に加え、学習データの正解ベクトルを確率的に分割する手法を提案し、分類精度の向上を達成した。今後は、様々な実規模磁気回路の最適化設計を対象に、開発分類器の効果的な適用法の検討を行う予定である。

  • 太陽光発電出力予測の信頼性評価導入による汎化性能を備えた配電系統シミュレータ開発

    2014  

    　View Summary

    近年、環境エネルギー問題を背景に、太陽光発電（PV）の電力系統への大量導入が推進されている。一方、PVシステムの出力は日射量に依存して大きく変動するため、PV余剰電力の逆潮流に伴う系統周波数変動問題など、電力系統における電力品質の劣化も懸念されている。このような問題への対策として、本研究ではJIT Modelingを用いた日射量予測信頼区間の推定方法を提案し、開発手法を用いることで太陽光発電出力予測を十分な精度で確率的に評価することが可能であることを明らかにした。本研究成果は、今後のPV大量導入を見据えた際に、より有効なエネルギーマネジメントの実現に資する有益な情報を提供しうると考えられる。

  • 電磁界数値解析による機器最適化設計技術の高度化

    2004  

    　View Summary

    機器の開発期間やコストを削減するためには、計算機を用いた最適化設計法の適用が極めて有効であると考えられるが、その普及率はいまだに期待の域には達していない。その主な理由の一つとして、実用的観点から判断したときの最適解の品質にまだ多くの問題点が残されていることが挙げられる。例えば、現場が抱えている複雑な非線形問題に対して反復計算を基本とする最適化設計法を適用した場合､計算精度を実用十分なレベルに保持しようとすれば、工学的に許容できる計算時間の範囲内で最適解を得ることが困難となる場合が多い。さらに、計算によって得られた情報を基に設計者が最終的な設計パラメータを決定する際、従来の最適化設計法では単一の最適解が示されるのみで、各設計変数が評価関数値に及ぼす影響なども不明確である場合が多く、設計者にとって十分な情報が得られているかは疑問の余地が残る。このような背景のもと、先に述べた難点に対する一つの解決策として、本研究では電気機器の最適化設計問題を対象に応答曲面近似法（RSM: Response Surface Methodology）の導入・実用化を試みた。RSMを導入する最大の利点の一つは、最適化計算の高速化である。RSMを導入すれば、最適化の反復計算過程で必要となる評価関数値を、設計変数の多項式表現による近似式（応答曲面）から算出することが可能となる。したがって､最適化計算の反復過程に費やす計算時間を大幅に削減することが可能である。さらに、評価関数が設計変数を用いた応答曲面近似式で表現されるので、設計空間における評価関数値の応答傾向を容易に把握することができ、設計者にとって有用な情報を多く得ることができる。一般に電気機器の最適化設計の特性として、設計変数の個数が多く、またそれぞれの設計空間（設計変数の変域）が広大であることが多い。また、特に回転機の場合、磁性材料の強い非線形現象を伴う。これらの結果、高精度な応答曲面近似式を導出することは極めて困難なものとなる。したがって、RSMを導入して最適化計算の高速化を図るにあたり、いかに低い計算コストで高精度な応答曲面近似式を算出するかが最も重要な点となる。従来、少ない回数の有限要素解析で高精度な近似式を算出する目的で、直交表を用いる実験計画法（DOE）を導入する報告があるが、多くの場合、設計変数が少なく、また低次の多項式で十分に評価関数を近似できるような簡単な問題に限られている。しかし、先に述べた特徴を有する回転機最適化設計では、近似式に高次の多項式を導入する必要がある。さらに、直交表を用いてDOEを行う際に、多変数、多水準において交互作用を考慮する必要があり、直交表への割り付けに多くの手間を要する。この難点を打開するために、本研究では計算機支援のDOEを開発した。また、より高精度な応答曲面近似式を算出する目的で、まず全体の設計空間で応答曲面の概形を得ておき、その情報をもとに最適解候補点周囲の領域に設計空間を段階的に狭めて、近似精度を向上させていく手法を提案した。提案手法の妥当性・有効性を確認するために、電気機器の最適化設計の一例として次世代鉄道車両駆動用電動機として注目されているアウターロータ型永久磁石同期電動機を取り上げ、低い計算コストで十分な精度の応答曲面近似式が作成可能であることを確認すると同時に、RSMを導入しない場合と比較して、十分な最適化計算の高速化を達成しつつ、同等以上の最適解が得られることを実証した。さらに、回転機の多目的最適化問題に対しても提案手法を展開し、実機レベルの最適化設計に本手法が十分有効であることを示した。

  • 広域災害時に対する太陽光無停電電源システムの実用化

    2002   岩本　伸一, 石山　敦士

    　View Summary

    　高効率な太陽光発電（PV）システムの開発にあたっては、太陽電池や蓄電池などの構成要素の容量配分や、蓄電池充放電制御における充電開始蓄電池電圧などの様々なシステムパラメータを適切に決定しなければならない。しかし、その決定に必要なデータの収集には、長期間にわたる実験を要するため、すべてのパラメータの変動がシステムに与える影響をあらゆるパターンについて定量的に評価し、最適なパラメータを決定するのは困難である。そこで、効率よくシステム評価する手段として数値シミュレーションの導入が有効であると考えられる。数値シミュレーションは過去に蓄積された気象データを利用してパラメータの様々な組合せのもとで極めて短時間にシステム動作の解析ができ、その解析精度が高ければ高いほど太陽光発電システムの設計開発が高度化できる。このような背景のもと、本研究では、蓄電池を備えた太陽光発電システムの挙動を模擬する数値シミュレータの高精度化に関して重点的に検討を行った。特に、蓄電池充放電特性の新たなモデル式を導入することにより、高精度化の達成を試みた。ここで、蓄電池充放電特性に着目した理由として、太陽光発電システムにおいては蓄電池電圧がPVアレイの切り離しや系統連系などのシステム動作制御の基準となる重要な物理量であり、ひいては、蓄電池充放電特性のモデル化が数値シミュレータの精度を左右することが挙げられる。また従来から蓄電池充放電特性のモデル化は困難であることがよく知られている。本研究では蓄電池充放電特性の新しいモデル式として、充電電流値、および複数の係数を用いて対数関数により記述するモデル式を提案した。このモデル式により、様々な充電電流値の変化に応じた蓄電池電圧の変動を精度よく表現することが可能となった。また、蓄電池は残存容量がある値を超えると蓄電池電圧が急激に上昇することが知られており、この蓄電池電圧上昇率の変化点も係数を用いて記述されている。さらに、これらのモデル式内係数をいかにして決定するかが重要になるが、本研究では遺伝的アルゴリズムにより蓄電池電圧の計算誤差率が極力小さくなるように決定する手法を開発し、数値シミュレータの高精度化を実現した。その際、モデル式内係数の時間的変動が蓄電池の劣化状態を把握する指標となり得ることも、新たに見出した。また、検証用の例題として、広域災害時に対する太陽光無停電電源システムを取り上げ、提案手法の妥当性と有効性も確認した。　以上の成果は、従来の太陽光発電システムの設計方法とは異なる新たな有効なアプローチを提案したものであり、他の様々な種類の太陽光発電システムの設計においても、十分に有効なものと考えられる。

  • 光ネットワーク終端機器に対する太陽光無停電電源システムの実用化に関する研究

    2000   小貫　天, 田　宇鎮

    　View Summary

    　情報化時代に向けて情報通信網は光ファイバケーブルに置き換えられつつあるが、この際、通信網の随所に配置されるケーブル終端用光通信機器や通信端末装置等への電源供給系の信頼性が近年特に重要視されている。銅ケーブルの場合には電話局の高信頼な電源装置からケーブルを介して給電できるが、光ファイバではこれが不可能となり、商用配電系統からの給電に頼らざるを得ないからである。特に、阪神淡路大震災等の広域災害が発生した場合、商用系統が停電すると広い範囲にわたって通信機能が麻痺してしまう恐れがある。本研究課題では、この様な状況に対処し得る光通信機器用バックアップ電源システムの開発を目指している。特に、実用化に向けて、太陽光発電電力を最大限に利用するとともに蓄電池容量を最小化し、所望の動作条件下でシステムを極力コンパクト・経済的なものにすることに重点を置いた。　本研究では、まず、系統連系型と独立型の中間に位置し動作が非常に複雑である準自立型の開発システムに対し、システム内の各種パラメータの最適化作業の効率化と高精度化を目指し、太陽光発電システムの動作予測のための高精度計算機シミュレータの開発をおこなった。開発したシミュレータは、従来の太陽光発電システム解析法と異なり，あらゆる気象条件下でのシステム動作予測を高速計算機を用いて数分刻みの短い時間間隔で高精度におこなうことを可能とし，システム全体を視野に入れた各種パラメータの最適化設計を効果的におこなうことが可能となった。このシミュレータ開発の過程においては、パルス放電を用いた蓄電池残存容量の推定法や周波数応答特性に基づく蓄電池のモデル化手法等の蓄電池に関わる新たな特性解析手法の開発もおこなっている。次に、蓄電池充電状態を精度よく検出しシステム内の電力フローを論理回路を介して制御することで，絶えず災害発生後の所定期間の電力供給が保証できる様に蓄電池充電量を確保しながら，平時には日射量の利用率を最大に保ち，かつ商用系からの補充を最小限に抑えた経済的なインテリジェントシステムを実現可能とするマイコン内蔵型電力フロー制御電子回路の開発に取り組み、システム内の新たな電力フロー制御アルゴリズムを開発すると同時に、シミュレーションおよび実験の両面から、その妥当性と有効性を明らかにした。　以上の成果は、従来の太陽光発電システムの設計方法とは異なる新たな有効なアプローチを提案したものであり，今後、より大規模な太陽光発電システムの設計に対しても、十分に適用・展開が可能なものと考えられる。

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Overseas Activities 【 display / non-display 】

  • 電気機器設計への応用へ向けた高速高精度電磁界数値解析技術に関する研究

    2014.09
    -
    2015.03

    イギリス   サウサンプトン大学

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Syllabus 【 display / non-display 】

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Teaching Experience 【 display / non-display 】

  • 電気機器

    早稲田大学  

  • 数値解析

    早稲田大学  

  • 電磁気学

    早稲田大学  

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Committee Memberships 【 display / non-display 】

  • 2012.11
    -
    Now

    経済産業省 産業構造審議会 保安分科会  電力安全小委員会 委員

  • 2011.10
    -
    Now

    一般社団法人日本太陽エネルギー 学会  理事

  • 2014.09
    -
    2015.02

    内閣府  大規模地震時の電気火災の発生抑制に関する検討会 委員

  • 2006.10
    　
    　

    内閣府 総合科学技術会議 評価専門調査会  「太陽エネルギーシステムフィー ルドテスト事業」評価検討会 委員

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