風力發(fā)電和光伏發(fā)電等可再生能源的最大課題是發(fā)電量不穩(wěn)定。不過，許多國家打算以可再生能源發(fā)電來提供所需全部能源量的20～30％。今后，如果這種能源大量接入電網(wǎng)，直接利用現(xiàn)有電網(wǎng)，可能會導致停電或者電力質(zhì)量降低。

        為此，東京工業(yè)大學綜合研究院解決方案研究機構(gòu)特聘教授黑川浩助的研發(fā)小組和新日本石油公司正在進行研究和實證實驗，探討不會給現(xiàn)有電網(wǎng)造成影響的“自律度提高型光伏發(fā)電系統(tǒng)”。

        日本的電網(wǎng)很少停電，由電氣設備工作不正常及故障所引發(fā)的頻率波動也較小，其可靠性在全球?qū)儆谧罡咚?。不過，目前日本的電網(wǎng)正面臨很有可能對其可靠性造成威脅的情況。這就是可再生能源的大量采用。日本政府在這方面制定的目標是，到2020年，使光伏發(fā)電采用量達到28吉瓦，相當于2005年的約20倍，到2030年提高到53吉瓦，達到2005年的40倍左右。

以“社區(qū)”為單位進行裝置共享

        風力發(fā)電和光伏發(fā)電的最大課題，在于發(fā)電量不穩(wěn)定。這是因為其發(fā)電量會因天氣條件的變化而受到很大影響。因此，當這些電力接入電網(wǎng)之后，住宅通過電網(wǎng)賣掉剩余電力的情況會頻繁發(fā)生，從而給電網(wǎng)電壓及頻率的穩(wěn)定性帶來影響。

        為了解決這個問題，東京工業(yè)大學綜合研究院解決方案研究機構(gòu)特聘教授黑川浩助的研發(fā)小組和新日本石油正在積極推進研究和實證實驗，探討不會對現(xiàn)有電網(wǎng)產(chǎn)生影響的光伏發(fā)電系統(tǒng)“自律度提高型光伏發(fā)電系統(tǒng)”。

        該系統(tǒng)設想用于幾乎所有住宅及辦公樓都采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)的地區(qū)。首先將在地區(qū)內(nèi)自動進行電力融通。之后如果地區(qū)電力依然短缺，便從電網(wǎng)購買電力，若有剩余再輸送入電網(wǎng)進行銷售。與各個住宅直接接入電網(wǎng)相比，該方式更易于保持穩(wěn)定性。

        日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）從2004年度到2005年度一直從事該系統(tǒng)的研究。為了確認其成果，2008年度東京工業(yè)大學和新日本石油受日本國土交通省委托進行實證實驗。目前已經(jīng)在位于東京目黑區(qū)的東京工業(yè)大學蔵前會館屋頂上設置了太陽能電池板，作為實驗場所。

東京工業(yè)大學蔵前會館屋頂上設置的太陽能電池板

 
      現(xiàn)在，設置有光伏電池板的住宅大多是每棟設置1臺蓄電池和電源調(diào)節(jié)器。電源調(diào)節(jié)器是將光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成用于普通家庭的交流電的裝置。

        而自律度提高型光伏發(fā)電系統(tǒng)是在稱為“社區(qū)”的整個地區(qū)共享一臺蓄電池和電源調(diào)節(jié)器。將把利用各個住宅及樓宇的太陽能電池板產(chǎn)生的電力儲存于此，然后進行再分配。

通過頻率了解充電狀況

東京工業(yè)大學解決方案研究機構(gòu)特聘助教伊藤雅一

        并且，新系統(tǒng)使用名為電力路由器的裝置，連接多個社區(qū)。這是因為，互相融通電力的范圍越大，越易于吸收發(fā)電量變動等帶來的影響。

        新系統(tǒng)的關鍵，在于這個電力路由器技術。

        電力路由器通過連接著的電源調(diào)節(jié)器，根據(jù)交流電的頻率了解各個社區(qū)蓄電池的充電狀況。然后對其進行比較并自動進行調(diào)節(jié)，使電力從較多處流向較少處。

        黑川浩助特聘教授研發(fā)小組的特聘助教伊藤雅一自信地表示：“該系統(tǒng)最大的特點在于僅利用頻率即可控制電力融通。這是通過我們開發(fā)的電力路由器控制系統(tǒng)才得以實現(xiàn)的功能。”

        日本需要這種功能，有其特定因素。

        美國打算對已經(jīng)相當老化且質(zhì)量顯著降低的電網(wǎng)進行全面更新，構(gòu)建可應對大量采用可再生能源的新一代電網(wǎng)——智能電網(wǎng)。

        然而，日本已經(jīng)鋪設了具備通信功能、電壓及頻率穩(wěn)定性較高的電網(wǎng)。因此，擁有電網(wǎng)的電力公司等不贊成將不穩(wěn)定的可再生能源大量接入該電網(wǎng)。因此便想出了這個自律度提高型光伏發(fā)電系統(tǒng)。


蒙古“10萬座太陽能蒙古包計劃”

        黑川浩助特聘教授等組成的研發(fā)小組進一步對系統(tǒng)進行了改良。使電源調(diào)節(jié)器具備電力路由器的功能，可在不使用電網(wǎng)的情況下融通電力。該系統(tǒng)應用于發(fā)展中國家等應該也非常有效。這是因為，即使在沒有鋪設電網(wǎng)的地區(qū)，也能在相鄰的居民之間融通利用太陽能電池板所發(fā)的電力。

        比如應用于蒙古政府從1999年開始推進的“10萬座太陽能蒙古包計劃”。該計劃的主要內(nèi)容是，在10萬座蒙古民族移動式住宅蒙古包中，設置太陽能電池板和用于汽車的電池，使居民能夠利用照明器具、收音機及電視。據(jù)稱這5年內(nèi)已經(jīng)在3萬頂蒙古包中進行了設置。

在蒙古，在作為移動住居的蒙古包中設置太陽能電池板和用于汽車的電池。利用這些電力，可使用照明器具、收音機及電視。（點擊放大）

        伊藤特聘助教說：“如果將此處使用的汽車電池與我們開發(fā)的電源調(diào)節(jié)器相連，便可在蒙古包之間相互融通電力。我們想在下次去蒙古時提出建議方案，并進行相關實驗。”

在沙漠進行農(nóng)作物栽培

        伊藤特聘助教開始研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的契機可以追溯到2000年。當他還是東京農(nóng)工大學大四學生時，就對當時任東京農(nóng)工大學特聘教授的黑川浩助在蒙古沙漠中設置太陽能電池板進行發(fā)電的研究產(chǎn)生了很大的興趣。之后在碩士課程、博士課程學習期間，他與黑川教授一同致力于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究。曾去過蒙古三次。

在蒙古沙漠中設置太陽能電池板進行發(fā)電的研究。這是2003年時的照片。

        并且，伊藤特聘助教還與黑川教授一起，使用人造衛(wèi)星調(diào)查把光伏發(fā)電系統(tǒng)設置于地球何處發(fā)電效率最高。設置太陽能電池板的場所最好是植物難以生存的沙漠地帶。

        不過，也不是任何沙漠都適合。如果是沙丘的話，由于沙子會被風吹散或者移動，因此很難設置太陽能電池板。同樣是沙漠，地面較硬的礫漠最為適合。他們腳踏實地繼續(xù)進行著這樣的調(diào)查，現(xiàn)已制作完成設置光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳場所的世界地圖。

        目前，伊藤助教考慮的是使在蒙古所發(fā)的電力也能為當?shù)鼐用癯浞掷?，正在與東京農(nóng)工大學的研究人員推進相關研究。

        伊藤特聘助教說：“如果有電，便可容易地進行室內(nèi)溫度管理等，因此便可在沙漠穩(wěn)定地栽培農(nóng)作物。今后我們將以光伏發(fā)電為基礎，繼續(xù)進行能夠為社會做貢獻的研究。”（《日經(jīng)商務在線》特約撰稿人：山田久美）