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圖1：空中俯瞰“稚內(nèi)百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站”
從5種類型的電池板中選擇了多晶硅型
這座發(fā)電站作為日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的實(shí)證實(shí)驗(yàn)設(shè)施，始建于2006年?？傢?xiàng)目費(fèi)約為50億日元。其目的是研究在積雪和寒冷等嚴(yán)峻的氣候條件下如何運(yùn)營(yíng)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖2），以及利用大型蓄電池的系統(tǒng)穩(wěn)定化技術(shù)。2011年3月，為期5年的實(shí)證實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)電站無(wú)償轉(zhuǎn)讓給了稚內(nèi)市?，F(xiàn)在，作為力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)能源自給自足的“環(huán)保城市稚內(nèi)”的代表性可再生能源設(shè)施，這座發(fā)電站與市內(nèi)總功率約為76兆瓦的74座風(fēng)力發(fā)電設(shè)備一同成為了參觀線路的亮點(diǎn)。
圖2：積雪時(shí)的“稚內(nèi)百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站”
作為實(shí)證設(shè)施，該發(fā)電站安裝大量的太陽(yáng)能電池板，分四期逐步進(jìn)行了擴(kuò)建。首先，從2006年開(kāi)始的一期安裝了9家公司、共5種類型的太陽(yáng)能電池板，對(duì)各種電池板在寒冬時(shí)發(fā)電量的差別進(jìn)行了檢驗(yàn)。采用的電池板包括：夏普公司、京瓷公司、三菱電機(jī)公司、美國(guó)SunPower公司制造的單晶和多晶硅型；三洋電機(jī)公司（現(xiàn)松下）的多結(jié)硅（HIT太陽(yáng)能電池）；鐘化公司、三菱重工業(yè)公司制造的非晶硅型；Solar Frontier公司、本田Soltec公司制造的CIS化合物太陽(yáng)能電池。經(jīng)過(guò)1年的發(fā)電量檢測(cè)，對(duì)代表發(fā)電性能發(fā)揮程度的“性能比（PR）評(píng)價(jià)”進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果顯示，結(jié)晶硅型的性能比相對(duì)較高。
太陽(yáng)能電池隨著溫度的升高，發(fā)電損耗會(huì)增大。硅結(jié)晶型與其他類型的太陽(yáng)能電池相比雖然轉(zhuǎn)換效率高，但缺點(diǎn)是高溫時(shí)的損耗大。而在寒冷地區(qū)，結(jié)晶硅型的這一缺點(diǎn)不容易顯現(xiàn)，為此類電池在稚內(nèi)實(shí)證項(xiàng)目中取得良好的性能比創(chuàng)造了條件。根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果，從二期開(kāi)始，安裝的電池主要是結(jié)晶硅型，特別是性價(jià)比高的多晶硅型。因此，在總量為5兆瓦的太陽(yáng)能電池板中，多晶硅型約占9成。
采用30度傾角也不會(huì)積雪
解決積雪問(wèn)題的對(duì)策重點(diǎn)是在架臺(tái)上安裝電池板時(shí)的“傾角”，和電池板底部與地面之間的“地面高度”。傾角需要采用讓雪能夠滑落的角度，地面高度則要保證電池板不被大雪掩埋。雖說(shuō)角度越大，雪越容易滑落，但陽(yáng)光的入射角度會(huì)隨之變小，導(dǎo)致發(fā)電量減少。地面高度越高越不容易被雪掩埋，但會(huì)導(dǎo)致安裝成本增加。而且，電池板的傾角和地面高度的越大，清晨和傍晚時(shí)的影子就越長(zhǎng)，容易遮掩其他的電池板。而如果擴(kuò)大間隔，安裝數(shù)量又會(huì)隨之減少。在實(shí)證中，不同時(shí)期安裝的電池板采用了不同的傾角和地面高度，為相互矛盾的發(fā)電量與積雪對(duì)策尋找最佳的平衡點(diǎn)。
一期設(shè)置的傾角為33度，地面高度為2米。采用33度是因?yàn)榘凑照缣?yáng)高度推算，這一角度的發(fā)電量最大。地面高度則是根據(jù)過(guò)去的積雪情況，采用了電池板不會(huì)被掩埋的高度。但是，采用33度傾角，電池板上的積雪不會(huì)滑落。因此，二期把傾角加大到45度，將地面高度降低到了1米。這一次，雪雖然順利滑落，但滑落的雪堆積在電池板下方，高度足有1米以上，覆蓋了電池板的底部。三期保持45度不變，只把地面高度調(diào)回到了2米（圖3）。結(jié)果不僅沒(méi)有積雪，滑落的雪也沒(méi)有遮擋住電池板。四期則是采用30度的傾角，對(duì)電池板表面實(shí)施“清雪加工”，檢驗(yàn)了效果（圖4）。清雪加工是指在電池板的框架與保護(hù)玻璃的邊界部分填充硅填縫，以消除縫隙的措施（圖5）。因?yàn)橥ㄟ^(guò)之前的檢驗(yàn)已查明，容易積雪是因?yàn)樘?yáng)能電池板表面存在落差和縫隙。填充取得了明顯效果，盡管傾角只有30度，但多數(shù)情況下都沒(méi)有積雪。
圖3：傾角45度、地面高度2米的太陽(yáng)能電池板
圖4：傾角30度、地面高度1.8米的太陽(yáng)能電池板
圖5：利用硅填縫填充了框架與玻璃之間的縫隙
但是，與填縫同時(shí)實(shí)施的“太陽(yáng)能電池板加高對(duì)策”卻出師不利。“加高對(duì)策”是指在安裝時(shí)，將最下排的太陽(yáng)能電池板單獨(dú)加高，使其與上排的電池板之間形成縫隙。這樣一來(lái)，上排的積雪將經(jīng)由縫隙落到架臺(tái)內(nèi)側(cè)，從而防止雪集中堆積在電池板正下方。不出所料，上排電池板的積雪的確順著縫隙落到了架臺(tái)內(nèi)側(cè)，但堆積在內(nèi)側(cè)的“雪山”從后方擠壓最下排的電池板，使電池板發(fā)生了傾斜，因此，這一對(duì)策只得作罷。
2010年設(shè)備利用率達(dá)到11.8％，達(dá)到全國(guó)平均水平
為了研究利用大型蓄電池的系統(tǒng)穩(wěn)定化技術(shù)，實(shí)證實(shí)驗(yàn)安裝了日本礙子公司制造的1.5兆瓦鈉硫（NAS）電池，使其與5兆瓦的百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站聯(lián)動(dòng)（圖6）。運(yùn)轉(zhuǎn)主要采用兩種方式。分別是“功率變化抑制”和“計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn)”。在晴天時(shí)，如果云彩遮住太陽(yáng)，光伏發(fā)電的輸出功率會(huì)在短時(shí)間內(nèi)劇烈波動(dòng)。如果能夠遏制這樣的變化，就能減輕電力系統(tǒng)承受的負(fù)荷。實(shí)證把變化幅度減少8成作為目標(biāo)，并成功取得了接近目標(biāo)的控制效果。“計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn)”是根據(jù)天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)光伏發(fā)電每個(gè)時(shí)段的輸出功率，配合蓄電池的充放電提前制定發(fā)電計(jì)劃，并通過(guò)控制，使負(fù)載（發(fā)電量變化）符合計(jì)劃的方法。計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn)的重現(xiàn)性很大程度上取決于根據(jù)天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)發(fā)電量的精度，通過(guò)實(shí)證，預(yù)測(cè)精度得到了提高。
圖6：日本礙子制造的鈉硫電池
實(shí)證結(jié)束后，稚內(nèi)百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站已經(jīng)成為稚內(nèi)市經(jīng)營(yíng)售電業(yè)務(wù)的設(shè)施。日本實(shí)行可再生能源發(fā)電固定價(jià)格收購(gòu)制度后，這座電站現(xiàn)在1年給該市創(chuàng)造的售電收入高達(dá)1.4億日元～1.5億日元。同時(shí)，作為日本國(guó)內(nèi)首座百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站，其設(shè)備還可以對(duì)電池板經(jīng)年劣化的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此備受關(guān)注。最近幾年的年設(shè)備利用率分別為2010年度11.8％，2011年度10.1％，2012年度10.1％。雖然會(huì)受到天氣影響，但自從2006年投入使用以來(lái)，設(shè)備利用率一直保持穩(wěn)定。寒冷地區(qū)雖然給人以不適合進(jìn)行光伏發(fā)電的印象，但在有的年度，這座發(fā)電站的設(shè)備利用率并不遜色于日本全國(guó)的平均水平（約12％），例如2010年度。從月均發(fā)電量的變化來(lái)看，在不下雪的寒季，也就是4月～6月，設(shè)備利用率甚至在全國(guó)領(lǐng)先（圖7）。如何借助清雪措施提高處于低谷的11月～2月的發(fā)電量？如何在發(fā)電量大的春夏儲(chǔ)存電能？雪國(guó)的百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站面臨的重點(diǎn)與課題已經(jīng)清晰地浮現(xiàn)了出來(lái)。
圖7：2012年度的年發(fā)電量變化
●設(shè)施概要
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