日本利用超導(dǎo)飛輪平抑大型光伏電站輸出波動(dòng)

可再生能源逐漸普及，對(duì)電力系統(tǒng)的影響已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。例如，今年(2015年)夏季日本全國(guó)高溫天氣持續(xù)，但用電高峰時(shí)的電力供需平衡始終保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。雖然人們的節(jié)電意識(shí)有所提高對(duì)此有一定幫助，但光伏發(fā)電的確為盛夏的削峰做出了很大的貢獻(xiàn)。

隨著可再生能源的作用不斷增大，其缺點(diǎn)——輸出功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響已經(jīng)不能忽視。如果沒(méi)有廉價(jià)且高性能的蓄電系統(tǒng)，輸出功率波動(dòng)將成為瓶頸，制約可再生能源的普及。

日本鐵道綜合研究所(以下簡(jiǎn)稱“鐵道綜研”)在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)稱NEDO)的“安全低成本大規(guī)模蓄電系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目下，與KUBOTEK、古河電工、MIRAPRO等企業(yè)，以及日本山梨縣合作開發(fā)出了用于穩(wěn)定電力的超導(dǎo)飛輪。最近，該超導(dǎo)飛輪的實(shí)證試驗(yàn)用設(shè)施已經(jīng)建成，剪彩儀式于9月3日舉行。今后將連接到山梨縣建設(shè)的米倉(cāng)山實(shí)證試驗(yàn)用光伏電站的1MW光伏板上開展實(shí)證試驗(yàn)。

超導(dǎo)飛輪的直徑為2m、重4噸，采用CFRP(碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料)。輸出功率最大為300kW，容量為100kWh。這是20分鐘內(nèi)可釋放300kW電力的蓄電系統(tǒng)。在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的1MW的光伏電站，即使輸出功率大幅下降30%，也可以在20分鐘內(nèi)給予電力補(bǔ)償。

該系統(tǒng)不以儲(chǔ)存能源為目的，不打算用于將白天發(fā)的電儲(chǔ)存起來(lái)在夜間使用的用途，蓄電單價(jià)盡可能低的大型充電電池更適合這種用途。而飛輪系統(tǒng)的用途是平抑更短時(shí)間內(nèi)的由云層變化等引起的輸出功率波動(dòng)。

雖然使用充電電池也可以平抑短時(shí)間內(nèi)的輸出功率波動(dòng)，但鐵道綜研認(rèn)為使用飛輪這種機(jī)械式裝置更合適。原因是，伴隨化學(xué)反應(yīng)的充電電池如果反復(fù)輸入輸出(充放電)則容易劣化，而飛輪相當(dāng)穩(wěn)定。實(shí)際上，對(duì)于一天充放電幾百次的情況，假設(shè)飛輪的壽命為20年，可使用的充放電次數(shù)將超過(guò)100萬(wàn)次。

雖然蓄電系統(tǒng)的容量只有100kWh，但設(shè)置輔機(jī)類的廠房有網(wǎng)球場(chǎng)那么大。飛輪設(shè)在半地下構(gòu)造中，估計(jì)這是出于萬(wàn)一發(fā)生意外時(shí)的安全考慮。100kWh可由4輛純電動(dòng)汽車的鋰離子充電電池提供，因此電池式蓄電系統(tǒng)的初始成本可能更低。不過(guò)，電池式蓄電系統(tǒng)如果不進(jìn)一步增大容量，可能無(wú)法用于這一用途。今后將通過(guò)實(shí)證試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一利害得失。

成本高但可承受高頻率輸入輸出的大容量蓄電系統(tǒng)還有其他用途，鐵路用再生蓄電系統(tǒng)就是最佳用途之一。

另外，這款飛輪作為高溫超導(dǎo)的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例也有十分重大的意義。通過(guò)使用氦氣的冷凍機(jī)和傳導(dǎo)冷卻這一簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，局部形成50K的狀態(tài)，能以較少的冷卻損耗使用超導(dǎo)，這具有劃時(shí)代的意義。鐵道綜研還打算將這項(xiàng)冷卻技術(shù)應(yīng)用于磁懸浮列車的懸浮用線圈。