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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月開始運轉(zhuǎn)時，以是日本最大規(guī)模而自豪，是百萬光伏電站時代的先驅(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)。以固定價格收購制度(FIT)的實施為契機，又涉足了光伏發(fā)電業(yè)務(wù)，目前運營著約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，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，同時還發(fā)揮著推動旨在實現(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)備的實機，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受電外，電力基本全部自給自足。“驗證實驗已經(jīng)實施了大約3年，以光伏電力為主體的能源自給自足的機制已步入了正軌。首先，利用三種蓄能系統(tǒng)的特性，證實了可以按照需求順利運行，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)是這樣控制運行的：
(1)早上8點左右光伏設(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到約70%時停止購電，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到90%后開始電解水制氫。
(4)在電解水消耗不完光伏電力時，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：夏季晴天的運用模式
如果白天陰天，光伏發(fā)電量較少，剩余電力就會減少，因此氫的制造量和向系統(tǒng)的售電量也會減少。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)對供求狀況進行運算處理，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載設(shè)備，若無如此細致的控制，其就會搶占電流。
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，是因為山梨縣企業(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。不是以單一的蓄電設(shè)備滿足全部需求，而是區(qū)分使用多項技術(shù)比較理想”。
短期變動是以數(shù)毫秒～數(shù)分鐘為單位的劇烈輸出變動，“短期蓄電”要求極高的循環(huán)充放電特性和kW單價的降低。中期變動的范圍為數(shù)分鐘～1天，“中期蓄電”要求高充放電特性及kW單價和kWh單價的均衡。另外，長期變動的范圍為數(shù)十分鐘～1個月，“長期蓄電”要求深度充放電和kWh單價的最少化。
基于這些觀點，“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氫系統(tǒng)(圖6)。就是說，光伏電力的輸出變動以雙電層電容器→鋰離子蓄電池→水電解的順序吸收運用，電容器和蓄電池充滿電時，則利用太陽能的變動輸出直接制氫。
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)能否承受住這么嚴峻的使用條件原是一大重點問題，但已經(jīng)證實了可以順利運用”(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)模化，價格較低，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，價格較高，但效率和變動追蹤性也比較高，適合小規(guī)模系統(tǒng)。
投入運轉(zhuǎn)后，截至2015年5月的總運轉(zhuǎn)時間為2900小時，氫發(fā)生量累計達到1900Ncm3。據(jù)稱對光伏電力變動輸出的追蹤性優(yōu)良，達到以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，全面運用是從2013年開始的。全面投入運用后也因為調(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)確認了對光伏電力變動電源有約2000小時的耐久性”(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是對城市燃氣在約700度的溫度下進行處理(改質(zhì))提取氫，將提取的氫輸送至燃料電池組(機身)發(fā)電的。改質(zhì)所需的加溫，除了城市燃氣外，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)電時間達到3064小時，總發(fā)電量達到2108kWh。雖然是以一定輸出功率的運轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，不過EMS還把氫壓力等納入條件中，發(fā)送啟動指令。在實證試驗中，下雨導(dǎo)致日照量遠遠不足的日子也利用儲藏的氫，通過燃料電池每天供5kWh左右的電力等，實現(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)電時間超過3000小時的時候，燃料電池組的劣化程度與普通的“ENE-FARM”為同等水平。電池組的電壓從實施實證試驗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)在的實證試驗設(shè)備。新系統(tǒng)已確認發(fā)電效率在50%以上，啟動時間在1分鐘以內(nèi)。氫的儲能課題是效率性。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，即使利用廢熱，也會損失約一半。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，“在迄今為止的實證試驗中，已確認可以利用追蹤太陽能輸出變動的儲氫系統(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)并運轉(zhuǎn)了1MW的蓄電池系統(tǒng)等并網(wǎng)試驗用光伏電站，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)能存儲的機制，優(yōu)點是可以應(yīng)對瞬間輸出變動。
圖8：新一代飛輪蓄電系統(tǒng)
不過，軸承為接觸式時會產(chǎn)生損失，維護的負擔(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輸出，驗證其作為新蓄能系統(tǒng)的實用性。
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)。以固定價格收購制度(FIT)的實施為契機，又涉足了光伏發(fā)電業(yè)務(wù)，目前運營著約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，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，同時還發(fā)揮著推動旨在實現(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)備的實機，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受電外，電力基本全部自給自足。“驗證實驗已經(jīng)實施了大約3年，以光伏電力為主體的能源自給自足的機制已步入了正軌。首先，利用三種蓄能系統(tǒng)的特性，證實了可以按照需求順利運行，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)是這樣控制運行的：
(1)早上8點左右光伏設(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到約70%時停止購電，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到90%后開始電解水制氫。
(4)在電解水消耗不完光伏電力時，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：夏季晴天的運用模式
如果白天陰天，光伏發(fā)電量較少，剩余電力就會減少，因此氫的制造量和向系統(tǒng)的售電量也會減少。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)對供求狀況進行運算處理，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載設(shè)備，若無如此細致的控制，其就會搶占電流。
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，是因為山梨縣企業(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。不是以單一的蓄電設(shè)備滿足全部需求，而是區(qū)分使用多項技術(shù)比較理想”。
短期變動是以數(shù)毫秒～數(shù)分鐘為單位的劇烈輸出變動，“短期蓄電”要求極高的循環(huán)充放電特性和kW單價的降低。中期變動的范圍為數(shù)分鐘～1天，“中期蓄電”要求高充放電特性及kW單價和kWh單價的均衡。另外，長期變動的范圍為數(shù)十分鐘～1個月，“長期蓄電”要求深度充放電和kWh單價的最少化。
基于這些觀點，“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氫系統(tǒng)(圖6)。就是說，光伏電力的輸出變動以雙電層電容器→鋰離子蓄電池→水電解的順序吸收運用，電容器和蓄電池充滿電時，則利用太陽能的變動輸出直接制氫。
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)能否承受住這么嚴峻的使用條件原是一大重點問題，但已經(jīng)證實了可以順利運用”(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)模化，價格較低，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，價格較高，但效率和變動追蹤性也比較高，適合小規(guī)模系統(tǒng)。
投入運轉(zhuǎn)后，截至2015年5月的總運轉(zhuǎn)時間為2900小時，氫發(fā)生量累計達到1900Ncm3。據(jù)稱對光伏電力變動輸出的追蹤性優(yōu)良，達到以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，全面運用是從2013年開始的。全面投入運用后也因為調(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)確認了對光伏電力變動電源有約2000小時的耐久性”(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是對城市燃氣在約700度的溫度下進行處理(改質(zhì))提取氫，將提取的氫輸送至燃料電池組(機身)發(fā)電的。改質(zhì)所需的加溫，除了城市燃氣外，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)電時間達到3064小時，總發(fā)電量達到2108kWh。雖然是以一定輸出功率的運轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，不過EMS還把氫壓力等納入條件中，發(fā)送啟動指令。在實證試驗中，下雨導(dǎo)致日照量遠遠不足的日子也利用儲藏的氫，通過燃料電池每天供5kWh左右的電力等，實現(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)電時間超過3000小時的時候，燃料電池組的劣化程度與普通的“ENE-FARM”為同等水平。電池組的電壓從實施實證試驗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)在的實證試驗設(shè)備。新系統(tǒng)已確認發(fā)電效率在50%以上，啟動時間在1分鐘以內(nèi)。氫的儲能課題是效率性。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，即使利用廢熱，也會損失約一半。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，“在迄今為止的實證試驗中，已確認可以利用追蹤太陽能輸出變動的儲氫系統(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)并運轉(zhuǎn)了1MW的蓄電池系統(tǒng)等并網(wǎng)試驗用光伏電站，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)能存儲的機制，優(yōu)點是可以應(yīng)對瞬間輸出變動。
圖8：新一代飛輪蓄電系統(tǒng)
不過，軸承為接觸式時會產(chǎn)生損失，維護的負擔(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輸出，驗證其作為新蓄能系統(tǒng)的實用性。
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