棄光之下：日本如何利用光伏電力

甲府市下向山町的10MW“米倉山光伏電站”，坐落于甲府站約30分鐘車程的山間(圖1)。是山梨縣企業(yè)局作為與東京電力的共同業(yè)務(wù)，在縣有地上建設(shè)的。2012年1月開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以是日本最大規(guī)模而自豪，是百萬光伏電站時(shí)代的先驅(qū)。 圖1：甲府市下向山町的“米倉山光伏電站” 山梨縣企業(yè)局開展著運(yùn)營著輸出功率約為120MW的水力發(fā)電站并售電等電力業(yè)務(wù)。以固定價(jià)格收購制度(FIT)的實(shí)施為契機(jī)，又涉足了光伏發(fā)電業(yè)務(wù)，目前運(yùn)營著約11MW的光伏電站。“米倉山光伏電站”是最大的一座。山梨縣的日照時(shí)間之長，在日本全國也是數(shù)一數(shù)二的水平，適合開展光伏發(fā)電。 山梨縣企業(yè)局作為公營企業(yè)，在開展電力業(yè)務(wù)的同時(shí)，還把業(yè)務(wù)收益用到了當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展上。在米倉山光伏電站旁邊同期開設(shè)的“夢太陽能館山梨”就是其中之一(圖2)。該館主要用來介紹米倉山光伏電站和太陽能的相關(guān)知識，同時(shí)還發(fā)揮著推動(dòng)旨在實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電大量普及的新產(chǎn)業(yè)培育的作用。 圖2：在屋頂上設(shè)置20kW太陽能電池板的“夢太陽能館山梨” 導(dǎo)入三種蓄能系統(tǒng) 企業(yè)局期待的新產(chǎn)業(yè)是，為使變動(dòng)的可再生能源輸出得以為定利用的“蓄能技術(shù)”。“夢太陽能館山梨”除了可再生能源外，還通過實(shí)證性地導(dǎo)入多種蓄能設(shè)備，使館內(nèi)所需的電力(最大需求約為10kW)基本自給自足。面部是今后將這些先進(jìn)的蓄能系統(tǒng)用于縣內(nèi)的產(chǎn)業(yè)振興。 導(dǎo)入的發(fā)電設(shè)備有在屋頂上設(shè)置的光伏發(fā)電設(shè)備(輸出功率為20kW)、利用雨水的小型水力發(fā)電設(shè)備(1.5kW)，以及純氫型燃料電池系統(tǒng)(0.75kW)三種。 蓄能設(shè)備有雙電層電容器(3kWh)、鋰離子蓄電池(約30kWh)和制氫裝置(相當(dāng)于約30kWh)三種。制氫裝置制造的氫作為燃料電池的燃料，轉(zhuǎn)換為電力。 一進(jìn)入館內(nèi)首先是“太陽能區(qū)域”，主要介紹太陽能電池的原理和地球變暖問題的現(xiàn)狀等。接下來是“山梨能源區(qū)域”，主要是關(guān)于該館能源自給自足的介紹，隔著玻璃可以看到相關(guān)設(shè)備的實(shí)機(jī)，有尼吉康制造的鋰離子蓄電池和雙電層電容器、松下制造的純氫型燃料電池系統(tǒng)，以及神鋼環(huán)境舒立凈制造的水電解制氫裝置等(圖3)。 圖3：神鋼環(huán)境舒立凈制造的PEM型水電解制氫裝置 利用剩余電力制氫 利用三種蓄能技術(shù)，不依賴系統(tǒng)電力就可基本滿足全部電力需求在全世界也未見先例。雖然與連接了電網(wǎng)，但除了將蓄能后的剩余電力逆潮售電，及在夜間等充電和氫不足時(shí)受電外，電力基本全部自給自足。“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)施了大約3年，以光伏電力為主體的能源自給自足的機(jī)制已步入了正軌。首先，利用三種蓄能系統(tǒng)的特性，證實(shí)了可以按照需求順利運(yùn)行，這是最大的成果”，山梨縣企業(yè)局電氣課研究開發(fā)主任坂本正樹就三年來的成果回顧道。 該館夏日的晴天對光伏發(fā)電設(shè)備和三種蓄能設(shè)備(圖4)是這樣控制運(yùn)行的： (1)早上8點(diǎn)左右光伏設(shè)備開始發(fā)電后，全部用來為鋰離子蓄電池充電，館內(nèi)的1～2kW的待機(jī)電力則利用從東電購買的電力供應(yīng)。 (2)鋰離子電池的充電量達(dá)到約70%時(shí)停止購電，利用光伏電力來滿足館內(nèi)的需求，剩余電力繼續(xù)用來為鋰離子蓄電池充電。 (3)鋰離子蓄電池的充電量達(dá)到90%后開始電解水制氫。 (4)在電解水消耗不完光伏電力時(shí)，剩余電力向東電系統(tǒng)逆潮售電。 (5)傍晚至夜間，太陽能發(fā)電量減少，利用鋰離子蓄電池的放電和燃料電池的發(fā)電來滿足館內(nèi)的電力需求。 圖4：夏季晴天的運(yùn)用模式 如果白天陰天，光伏發(fā)電量較少，剩余電力就會(huì)減少，因此氫的制造量和向系統(tǒng)的售電量也會(huì)減少。大體來說就是，從光伏發(fā)電和水力發(fā)電量中，減去館內(nèi)的電力需求，利用剩余電力電解水(圖5)。制氫使用的電力主要是光伏電力的不穩(wěn)定部分。具體就是利用尼吉康開發(fā)的能源管理系統(tǒng)(EMS)對供求狀況進(jìn)行運(yùn)算處理，按秒給出電解水可使用的電流值指令。據(jù)稱，因水電解裝置是電氣負(fù)載設(shè)備，若無如此細(xì)致的控制，其就會(huì)搶占電流。 圖5：“夢太陽能館山梨”的能源管理系統(tǒng)(EMS)模式圖 按“短期”、“中期”、“長期”區(qū)分使用蓄能技術(shù) 之所以作這樣的控制，是因?yàn)樯嚼婵h企業(yè)局對蓄電設(shè)備有自己的思路。坂本主任稱，“要使變動(dòng)性可再生能源得以穩(wěn)定利用，需要以蓄能技術(shù)吸收短期、中期、長期三種可再生能源輸出變動(dòng)。不是以單一的蓄電設(shè)備滿足全部需求，而是區(qū)分使用多項(xiàng)技術(shù)比較理想”。 短期變動(dòng)是以數(shù)毫秒～數(shù)分鐘為單位的劇烈輸出變動(dòng)，“短期蓄電”要求極高的循環(huán)充放電特性和kW單價(jià)的降低。中期變動(dòng)的范圍為數(shù)分鐘～1天，“中期蓄電”要求高充放電特性及kW單價(jià)和kWh單價(jià)的均衡。另外，長期變動(dòng)的范圍為數(shù)十分鐘～1個(gè)月，“長期蓄電”要求深度充放電和kWh單價(jià)的最少化。 基于這些觀點(diǎn)，“夢太陽能館山梨”的短期蓄電利用雙電層電容器，中期蓄電利用鋰離子蓄電池，長期蓄電利用基于水電解裝置和純氫型燃料電池的儲(chǔ)氫系統(tǒng)(圖6)。就是說，光伏電力的輸出變動(dòng)以雙電層電容器→鋰離子蓄電池→水電解的順序吸收運(yùn)用，電容器和蓄電池充滿電時(shí)，則利用太陽能的變動(dòng)輸出直接制氫。 圖6：尼吉康制造的鋰離子蓄電池和雙電層電容器 其結(jié)果，“隨著日照量的變化，光伏電力輸出變動(dòng)大部分都可由水電解制氫吸收。水電解系統(tǒng)能否承受住這么嚴(yán)峻的使用條件原是一大重點(diǎn)問題，但已經(jīng)證實(shí)了可以順利運(yùn)用”(坂本主任)。水電解裝置采用神鋼環(huán)境舒立凈制造的“固體高分子(PEM)型”產(chǎn)品。制氫裝置除了PEM型外，還有在堿性電解液中電解的“堿性水電解”型。后者適合大規(guī)?；瑑r(jià)格較低，但效率也相對較低。PEM型采用以電極夾住固體高分子膜的“電解單元”，通過燃料電池的逆反應(yīng)從水中提取氫。雖然使用鉑催化劑等，價(jià)格較高，但效率和變動(dòng)追蹤性也比較高，適合小規(guī)模系統(tǒng)。 投入運(yùn)轉(zhuǎn)后，截至2015年5月的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為2900小時(shí)，氫發(fā)生量累計(jì)達(dá)到1900Ncm3。據(jù)稱對光伏電力變動(dòng)輸出的追蹤性優(yōu)良，達(dá)到以1秒為單位的水平。但整體系統(tǒng)2012年一直在解決初期故障，全面運(yùn)用是從2013年開始的。全面投入運(yùn)用后也因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥和泵的故障停止過。不過，關(guān)于電解單元自身的劣化，“已經(jīng)確認(rèn)了對光伏電力變動(dòng)電源有約2000小時(shí)的耐久性”(神鋼環(huán)境舒立凈)。 據(jù)稱從2014年夏季開始更換成了高效率型電解單元，經(jīng)過約1000小時(shí)后仍保持穩(wěn)定。另外，還在探討將追蹤性提高至毫秒等級。 從“ENE-FARM”中去掉改質(zhì)器 另外，純氫型燃料電池系統(tǒng)是以市場上銷售的燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)“ENEFARM”為原型開發(fā)的。ENE-FARM是對城市燃?xì)庠诩s700度的溫度下進(jìn)行處理(改質(zhì))提取氫，將提取的氫輸送至燃料電池組(機(jī)身)發(fā)電的。改質(zhì)所需的加溫，除了城市燃?xì)馔?，還燃燒燃料電池組未使用的排放氫。純氫型去掉了燃料處理器(改質(zhì)器)，在排氣部新設(shè)了處理剩余氫的催化劑燃燒器。 在2012～14年的3年里，總發(fā)電時(shí)間達(dá)到3064小時(shí)，總發(fā)電量達(dá)到2108kWh。雖然是以一定輸出功率的運(yùn)轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，不過EMS還把氫壓力等納入條件中，發(fā)送啟動(dòng)指令。在實(shí)證試驗(yàn)中，下雨導(dǎo)致日照量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的日子也利用儲(chǔ)藏的氫，通過燃料電池每天供5kWh左右的電力等，實(shí)現(xiàn)了不依賴系統(tǒng)電力的穩(wěn)定供電(圖7)。 圖7：館外設(shè)置的氫燃料罐 松下表示，在發(fā)電時(shí)間超過3000小時(shí)的時(shí)候，燃料電池組的劣化程度與普通的“ENE-FARM”為同等水平。電池組的電壓從實(shí)施實(shí)證試驗(yàn)之初開始一直保持著一定水平。另外，催化劑燃燒器的溫度變化也在預(yù)想之內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯的劣化。 據(jù)稱松下目前正在開發(fā)新款純氫型燃料電池系統(tǒng)，預(yù)定2016年度初期可替換現(xiàn)在的實(shí)證試驗(yàn)設(shè)備。新系統(tǒng)已確認(rèn)發(fā)電效率在50%以上，啟動(dòng)時(shí)間在1分鐘以內(nèi)。氫的儲(chǔ)能課題是效率性。將電力轉(zhuǎn)換為氫的水電解效率方面，即使是PEM型也只有70%左右，利用燃料電池恢復(fù)為電力時(shí)，即使利用廢熱，也會(huì)損失約一半。比蓄電池的充放電效率的70～90%要差。 山梨縣企業(yè)局的坂本主任稱，“在迄今為止的實(shí)證試驗(yàn)中，已確認(rèn)可以利用追蹤太陽能輸出變動(dòng)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，耐久性也有了眉目。接下來的目標(biāo)是提高系統(tǒng)效率”。 接下來是超導(dǎo)軸承飛輪 另外，該企業(yè)局還在米倉山光伏電站旁邊建設(shè)并運(yùn)轉(zhuǎn)了1MW的蓄電池系統(tǒng)等并網(wǎng)試驗(yàn)用光伏電站，預(yù)定2016年8月導(dǎo)入“新一代飛輪蓄電系統(tǒng)”(圖8)。飛輪是將電力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能存儲(chǔ)的機(jī)制，優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)對瞬間輸出變動(dòng)。 圖8：新一代飛輪蓄電系統(tǒng) 不過，軸承為接觸式時(shí)會(huì)產(chǎn)生損失，維護(hù)的負(fù)擔(dān)也比較大。而“新一代飛輪蓄電系統(tǒng)”將采用日本鐵道綜合技術(shù)綜合研究所開發(fā)的超導(dǎo)軸承。軸承為非接觸式，因此有望克服原飛輪的課題。預(yù)定投入百萬光伏電站的變動(dòng)輸出，驗(yàn)證其作為新蓄能系統(tǒng)的實(shí)用性。