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圖1：空中俯瞰“稚內百萬瓦級光伏電站”
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業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）的實證實驗設施，始建于2006年。總項目費約為50億日元。其目的是研究在積雪和寒冷等嚴峻的氣候條件下如何運營大規(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。2011年3月，為期5年的實證實驗結束后，發(fā)電站無償轉讓給了稚內市?，F(xiàn)在，作為力爭實現(xiàn)能源自給自足的“環(huán)保城市稚內”的代表性可再生能源設施，這座發(fā)電站與市內總功率約為76兆瓦的74座風力發(fā)電設備一同成為了參觀線路的亮點。
圖2：積雪時的“稚內百萬瓦級光伏電站”
作為實證設施，該發(fā)電站安裝大量的太陽能電池板，分四期逐步進行了擴建。首先，從2006年開始的一期安裝了9家公司、共5種類型的太陽能電池板，對各種電池板在寒冬時發(fā)電量的差別進行了檢驗。采用的電池板包括：夏普公司、京瓷公司、三菱電機公司、美國SunPower公司制造的單晶和多晶硅型；三洋電機公司（現(xiàn)松下）的多結硅（HIT太陽能電池）；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化合物太陽能電池。經過1年的發(fā)電量檢測，對代表發(fā)電性能發(fā)揮程度的“性能比（PR）評價”進行計算，其結果顯示，結晶硅型的性能比相對較高。
太陽能電池隨著溫度的升高，發(fā)電損耗會增大。硅結晶型與其他類型的太陽能電池相比雖然轉換效率高，但缺點是高溫時的損耗大。而在寒冷地區(qū)，結晶硅型的這一缺點不容易顯現(xiàn)，為此類電池在稚內實證項目中取得良好的性能比創(chuàng)造了條件。根據(jù)評價的結果，從二期開始，安裝的電池主要是結晶硅型，特別是性價比高的多晶硅型。因此，在總量為5兆瓦的太陽能電池板中，多晶硅型約占9成。
采用30度傾角也不會積雪
解決積雪問題的對策重點是在架臺上安裝電池板時的“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。雖說角度越大，雪越容易滑落，但陽光的入射角度會隨之變小，導致發(fā)電量減少。地面高度越高越不容易被雪掩埋，但會導致安裝成本增加。而且，電池板的傾角和地面高度的越大，清晨和傍晚時的影子就越長，容易遮掩其他的電池板。而如果擴大間隔，安裝數(shù)量又會隨之減少。在實證中，不同時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)電量與積雪對策尋找最佳的平衡點。
一期設置的傾角為33度，地面高度為2米。采用33度是因為按照正午太陽高度推算，這一角度的發(fā)電量最大。地面高度則是根據(jù)過去的積雪情況，采用了電池板不會被掩埋的高度。但是，采用33度傾角，電池板上的積雪不會滑落。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，只把地面高度調回到了2米（圖3）。結果不僅沒有積雪，滑落的雪也沒有遮擋住電池板。四期則是采用30度的傾角，對電池板表面實施“清雪加工”，檢驗了效果（圖4）。清雪加工是指在電池板的框架與保護玻璃的邊界部分填充硅填縫，以消除縫隙的措施（圖5）。因為通過之前的檢驗已查明，容易積雪是因為太陽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)情況下都沒有積雪。
圖3：傾角45度、地面高度2米的太陽能電池板
圖4：傾角30度、地面高度1.8米的太陽能電池板
圖5：利用硅填縫填充了框架與玻璃之間的縫隙
但是，與填縫同時實施的“太陽能電池板加高對策”卻出師不利。“加高對策”是指在安裝時，將最下排的太陽能電池板單獨加高，使其與上排的電池板之間形成縫隙。這樣一來，上排的積雪將經由縫隙落到架臺內側，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內側，但堆積在內側的“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，這一對策只得作罷。
2010年設備利用率達到11.8％，達到全國平均水平
為了研究利用大型蓄電池的系統(tǒng)穩(wěn)定化技術，實證實驗安裝了日本礙子公司制造的1.5兆瓦鈉硫（NAS）電池，使其與5兆瓦的百萬瓦級光伏電站聯(lián)動（圖6）。運轉主要采用兩種方式。分別是“功率變化抑制”和“計劃運轉”。在晴天時，如果云彩遮住太陽，光伏發(fā)電的輸出功率會在短時間內劇烈波動。如果能夠遏制這樣的變化，就能減輕電力系統(tǒng)承受的負荷。實證把變化幅度減少8成作為目標，并成功取得了接近目標的控制效果。“計劃運轉”是根據(jù)天氣預報預測光伏發(fā)電每個時段的輸出功率，配合蓄電池的充放電提前制定發(fā)電計劃，并通過控制，使負載（發(fā)電量變化）符合計劃的方法。計劃運轉的重現(xiàn)性很大程度上取決于根據(jù)天氣預報預測發(fā)電量的精度，通過實證，預測精度得到了提高。
圖6：日本礙子制造的鈉硫電池
實證結束后，稚內百萬瓦級光伏電站已經成為稚內市經營售電業(yè)務的設施。日本實行可再生能源發(fā)電固定價格收購制度后，這座電站現(xiàn)在1年給該市創(chuàng)造的售電收入高達1.4億日元～1.5億日元。同時，作為日本國內首座百萬瓦級光伏電站，其設備還可以對電池板經年劣化的影響進行評價，因此備受關注。最近幾年的年設備利用率分別為2010年度11.8％，2011年度10.1％，2012年度10.1％。雖然會受到天氣影響，但自從2006年投入使用以來，設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行光伏發(fā)電的印象，但在有的年度，這座發(fā)電站的設備利用率并不遜色于日本全國的平均水平（約12％），例如2010年度。從月均發(fā)電量的變化來看，在不下雪的寒季，也就是4月～6月，設備利用率甚至在全國領先（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)電量大的春夏儲存電能？雪國的百萬瓦級光伏電站面臨的重點與課題已經清晰地浮現(xiàn)了出來。
圖7：2012年度的年發(fā)電量變化
●設施概要
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