弃光之下：日本如何利用光伏电力

甲府市下向山町的10MW“米仓山光伏电站”，坐落于甲府站约30分钟车程的山间(图1)。是山梨县企业局作为与东京电力的共同业务，在县有地上建设的。2012年1月开始运转时，以是日本最大规模而自豪，是百万光伏电站时代的先驱。 图1：甲府市下向山町的“米仓山光伏电站” 山梨县企业局开展着运营着输出功率约为120MW的水力发电站并售电等电力业务。以固定价格收购制度(FIT)的实施为契机，又涉足了光伏发电业务，目前运营着约11MW的光伏电站。“米仓山光伏电站”是最大的一座。山梨县的日照时间之长，在日本全国也是数一数二的水平，适合开展光伏发电。 山梨县企业局作为公营企业，在开展电力业务的同时，还把业务收益用到了当地产业的发展上。在米仓山光伏电站旁边同期开设的“梦太阳能馆山梨”就是其中之一(图2)。该馆主要用来介绍米仓山光伏电站和太阳能的相关知识，同时还发挥着推动旨在实现光伏发电大量普及的新产业培育的作用。 图2：在屋顶上设置20kW太阳能电池板的“梦太阳能馆山梨” 导入三种蓄能系统 企业局期待的新产业是，为使变动的可再生能源输出得以为定利用的“蓄能技术”。“梦太阳能馆山梨”除了可再生能源外，还通过实证性地导入多种蓄能设备，使馆内所需的电力(最大需求约为10kW)基本自给自足。面部是今后将这些先进的蓄能系统用于县内的产业振兴。 导入的发电设备有在屋顶上设置的光伏发电设备(输出功率为20kW)、利用雨水的小型水力发电设备(1.5kW)，以及纯氢型燃料电池系统(0.75kW)三种。 蓄能设备有双电层电容器(3kWh)、锂离子蓄电池(约30kWh)和制氢装置(相当于约30kWh)三种。制氢装置制造的氢作为燃料电池的燃料，转换为电力。 一进入馆内首先是“太阳能区域”，主要介绍太阳能电池的原理和地球变暖问题的现状等。接下来是“山梨能源区域”，主要是关于该馆能源自给自足的介绍，隔着玻璃可以看到相关设备的实机，有尼吉康制造的锂离子蓄电池和双电层电容器、松下制造的纯氢型燃料电池系统，以及神钢环境舒立净制造的水电解制氢装置等(图3)。 图3：神钢环境舒立净制造的PEM型水电解制氢装置 利用剩余电力制氢 利用三种蓄能技术，不依赖系统电力就可基本满足全部电力需求在全世界也未见先例。虽然与连接了电网，但除了将蓄能后的剩余电力逆潮售电，及在夜间等充电和氢不足时受电外，电力基本全部自给自足。“验证实验已经实施了大约3年，以光伏电力为主体的能源自给自足的机制已步入了正轨。首先，利用三种蓄能系统的特性，证实了可以按照需求顺利运行，这是最大的成果”，山梨县企业局电气课研究开发主任坂本正树就三年来的成果回顾道。 该馆夏日的晴天对光伏发电设备和三种蓄能设备(图4)是这样控制运行的： (1)早上8点左右光伏设备开始发电后，全部用来为锂离子蓄电池充电，馆内的1～2kW的待机电力则利用从东电购买的电力供应。 (2)锂离子电池的充电量达到约70%时停止购电，利用光伏电力来满足馆内的需求，剩余电力继续用来为锂离子蓄电池充电。 (3)锂离子蓄电池的充电量达到90%后开始电解水制氢。 (4)在电解水消耗不完光伏电力时，剩余电力向东电系统逆潮售电。 (5)傍晚至夜间，太阳能发电量减少，利用锂离子蓄电池的放电和燃料电池的发电来满足馆内的电力需求。 图4：夏季晴天的运用模式 如果白天阴天，光伏发电量较少，剩余电力就会减少，因此氢的制造量和向系统的售电量也会减少。大体来说就是，从光伏发电和水力发电量中，减去馆内的电力需求，利用剩余电力电解水(图5)。制氢使用的电力主要是光伏电力的不稳定部分。具体就是利用尼吉康开发的能源管理系统(EMS)对供求状况进行运算处理，按秒给出电解水可使用的电流值指令。据称，因水电解装置是电气负载设备，若无如此细致的控制，其就会抢占电流。 图5：“梦太阳能馆山梨”的能源管理系统(EMS)模式图 按“短期”、“中期”、“长期”区分使用蓄能技术 之所以作这样的控制，是因为山梨县企业局对蓄电设备有自己的思路。坂本主任称，“要使变动性可再生能源得以稳定利用，需要以蓄能技术吸收短期、中期、长期三种可再生能源输出变动。不是以单一的蓄电设备满足全部需求，而是区分使用多项技术比较理想”。 短期变动是以数毫秒～数分钟为单位的剧烈输出变动，“短期蓄电”要求极高的循环充放电特性和kW单价的降低。中期变动的范围为数分钟～1天，“中期蓄电”要求高充放电特性及kW单价和kWh单价的均衡。另外，长期变动的范围为数十分钟～1个月，“长期蓄电”要求深度充放电和kWh单价的最少化。 基于这些观点，“梦太阳能馆山梨”的短期蓄电利用双电层电容器，中期蓄电利用锂离子蓄电池，长期蓄电利用基于水电解装置和纯氢型燃料电池的储氢系统(图6)。就是说，光伏电力的输出变动以双电层电容器→锂离子蓄电池→水电解的顺序吸收运用，电容器和蓄电池充满电时，则利用太阳能的变动输出直接制氢。 图6：尼吉康制造的锂离子蓄电池和双电层电容器 其结果，“随着日照量的变化，光伏电力输出变动大部分都可由水电解制氢吸收。水电解系统能否承受住这么严峻的使用条件原是一大重点问题，但已经证实了可以顺利运用”(坂本主任)。水电解装置采用神钢环境舒立净制造的“固体高分子(PEM)型”产品。制氢装置除了PEM型外，还有在碱性电解液中电解的“碱性水电解”型。后者适合大规模化，价格较低，但效率也相对较低。PEM型采用以电极夹住固体高分子膜的“电解单元”，通过燃料电池的逆反应从水中提取氢。虽然使用铂催化剂等，价格较高，但效率和变动追踪性也比较高，适合小规模系统。 投入运转后，截至2015年5月的总运转时间为2900小时，氢发生量累计达到1900Ncm3。据称对光伏电力变动输出的追踪性优良，达到以1秒为单位的水平。但整体系统2012年一直在解决初期故障，全面运用是从2013年开始的。全面投入运用后也因为调节阀和泵的故障停止过。不过，关于电解单元自身的劣化，“已经确认了对光伏电力变动电源有约2000小时的耐久性”(神钢环境舒立净)。 据称从2014年夏季开始更换成了高效率型电解单元，经过约1000小时后仍保持稳定。另外，还在探讨将追踪性提高至毫秒等级。 从“ENE-FARM”中去掉改质器 另外，纯氢型燃料电池系统是以市场上销售的燃料电池热电联产系统“ENEFARM”为原型开发的。ENE-FARM是对城市燃气在约700度的温度下进行处理(改质)提取氢，将提取的氢输送至燃料电池组(机身)发电的。改质所需的加温，除了城市燃气外，还燃烧燃料电池组未使用的排放氢。纯氢型去掉了燃料处理器(改质器)，在排气部新设了处理剩余氢的催化剂燃烧器。 在2012～14年的3年里，总发电时间达到3064小时，总发电量达到2108kWh。虽然是以一定输出功率的运转为基础，不过EMS还把氢压力等纳入条件中，发送启动指令。在实证试验中，下雨导致日照量远远不足的日子也利用储藏的氢，通过燃料电池每天供5kWh左右的电力等，实现了不依赖系统电力的稳定供电(图7)。 图7：馆外设置的氢燃料罐 松下表示，在发电时间超过3000小时的时候，燃料电池组的劣化程度与普通的“ENE-FARM”为同等水平。电池组的电压从实施实证试验之初开始一直保持着一定水平。另外，催化剂燃烧器的温度变化也在预想之内，没有出现明显的劣化。 据称松下目前正在开发新款纯氢型燃料电池系统，预定2016年度初期可替换现在的实证试验设备。新系统已确认发电效率在50%以上，启动时间在1分钟以内。氢的储能课题是效率性。将电力转换为氢的水电解效率方面，即使是PEM型也只有70%左右，利用燃料电池恢复为电力时，即使利用废热，也会损失约一半。比蓄电池的充放电效率的70～90%要差。 山梨县企业局的坂本主任称，“在迄今为止的实证试验中，已确认可以利用追踪太阳能输出变动的储氢系统，耐久性也有了眉目。接下来的目标是提高系统效率”。 接下来是超导轴承飞轮 另外，该企业局还在米仓山光伏电站旁边建设并运转了1MW的蓄电池系统等并网试验用光伏电站，预定2016年8月导入“新一代飞轮蓄电系统”(图8)。飞轮是将电力转换为旋转能存储的机制，优点是可以应对瞬间输出变动。 图8：新一代飞轮蓄电系统 不过，轴承为接触式时会产生损失，维护的负担也比较大。而“新一代飞轮蓄电系统”将采用日本铁道综合技术综合研究所开发的超导轴承。轴承为非接触式，因此有望克服原飞轮的课题。预定投入百万光伏电站的变动输出，验证其作为新蓄能系统的实用性。