中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：甲府市下向山町的10MW“米倉(cāng)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(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以是日本最大規(guī)模而自豪，是百萬(wàn)光伏電站時(shí)代的先驅(qū)。
圖1：甲府市下向山町的“米倉(cāng)山光伏電站”
山梨縣企業(yè)局開(kāi)展著運(yùn)營(yíng)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(gòu)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(yíng)著約11MW的光伏電站。“米倉(cāng)山光伏電站”是最大的一座。山梨縣的日照時(shí)間之長(zhǎng)，在日本全國(guó)也是數(shù)一數(shù)二的水平，適合開(kāi)展光伏發(fā)電。
山梨縣企業(yè)局作為公營(yíng)企業(yè)，在開(kāi)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(cāng)山光伏電站旁邊同期開(kāi)設(shè)的“夢(mèng)太陽(yáng)能館山梨”就是其中之一（圖2）。該館主要用來(lái)介紹米倉(cāng)山光伏電站和太陽(yáng)能的相關(guān)知識(shí)，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(yáng)能電池板的“夢(mèng)太陽(yáng)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(mèng)太陽(yáng)能館山梨”除了可再生能源外，還通過(guò)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(yáng)能區(qū)域”，主要介紹太陽(yáng)能電池的原理和地球變暖問(wèn)題的現(xiàn)狀等。接下來(lái)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(jiàn)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?！膀?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(kāi)發(fā)主任坂本正樹(shù)就三年來(lái)的成果回顧道。
該館夏日的晴天對(duì)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(kāi)始發(fā)電后，全部用來(lái)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(gòu)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(gòu)電，利用光伏電力來(lái)滿足館內(nèi)的需求，剩余電力繼續(xù)用來(lái)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(kāi)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(yáng)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(lái)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(lái)說(shuō)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(kāi)發(fā)的能源管理系統(tǒng)（EMS）對(duì)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(wú)如此細(xì)致的控制，其就會(huì)搶占電流。
圖5：“夢(mèng)太陽(yáng)能館山梨”的能源管理系統(tǒng)（EMS）模式圖
按“短期”、“中期”、“長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)期變動(dòng)的范圍為數(shù)十分鐘～1個(gè)月，“長(zhǎng)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(mèng)太陽(yáng)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(zhǎng)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(shuō)，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(yáng)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(wèn)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)?；?，價(jià)
格較低，但效率也相對(duì)較低。PEM型采用以電極夾住固體高分子膜的“電解單元”，通過(guò)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(duì)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(kāi)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(guò)。不過(guò)，關(guān)于電解單元自身的劣化，“已經(jīng)確認(rèn)了對(duì)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(kāi)始更換成了高效率型電解單元，經(jīng)過(guò)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(jí)。
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(chǎng)上銷售的燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)“ENEFARM”為原型開(kāi)發(fā)的。ENE-FARM是對(duì)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(guò)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(guò)燃料電池每天供給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(guò)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(kāi)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(méi)有出現(xiàn)明顯的劣化。
據(jù)稱松下目前正在開(kāi)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(yáng)能輸出變動(dòng)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，耐久性也有了眉目。接下來(lái)的目標(biāo)是提高系統(tǒng)效率”。
接下來(lái)是超導(dǎo)軸承飛輪
另外，該企業(yè)局還在米倉(cāng)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(duì)瞬間輸出變動(dòng)。
圖8：新一代飛輪蓄電系統(tǒng)
不過(guò)，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(kāi)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(wàn)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。
