稚内市：抗击风雪的日本最北端百万瓦级光伏电站

来源：日经BP社发布时间：2013-12-30 07:55:52

从北海道稚内机场通往稚内市区的主干道中，有一条被称为“牛奶街道”。每天早上，装满新鲜牛奶的卡车都会从周边的牧场驶向牛奶加工厂。因为支撑着当地的经济发展，因此在冬季，这条道路要优先除雪。行驶在牛奶街道上，湿地和绿色的丘陵之间，整齐排列的太阳能电池板群映入了眼帘。这是输出功率为5兆瓦的“稚内百万瓦级光伏电站”（图1）。

图1：空中俯瞰“稚内百万瓦级光伏电站”
（出处：稚内市）

从5种类型的电池板中选择了多晶硅型

这座发电站作为日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的实证实验设施，始建于2006年。总项目费约为50亿日元。其目的是研究在积雪和寒冷等严峻的气候条件下如何运营大规模光伏发电系统（图2），以及利用大型蓄电池的系统稳定化技术。2011年3月，为期5年的实证实验结束后，发电站无偿转让给了稚内市。现在，作为力争实现能源自给自足的“环保城市稚内”的代表性可再生能源设施，这座发电站与市内总功率约为76兆瓦的74座风力发电设备一同成为了参观线路的亮点。

图2：积雪时的“稚内百万瓦级光伏电站”
（出处：稚内市）

作为实证设施，该发电站安装大量的太阳能电池板，分四期逐步进行了扩建。首先，从2006年开始的一期安装了9家公司、共5种类型的太阳能电池板，对各种电池板在寒冬时发电量的差别进行了检验。采用的电池板包括：夏普公司、京瓷公司、三菱电机公司、美国SunPower公司制造的单晶和多晶硅型；三洋电机公司（现松下）的多结硅（HIT太阳能电池）；钟化公司、三菱重工业公司制造的非晶硅型；Solar Frontier公司、本田Soltec公司制造的CIS化合物太阳能电池。经过1年的发电量检测，对代表发电性能发挥程度的“性能比（PR）评价”进行计算，其结果显示，结晶硅型的性能比相对较高。

太阳能电池随着温度的升高，发电损耗会增大。硅结晶型与其他类型的太阳能电池相比虽然转换效率高，但缺点是高温时的损耗大。而在寒冷地区，结晶硅型的这一缺点不容易显现，为此类电池在稚内实证项目中取得良好的性能比创造了条件。根据评价的结果，从二期开始，安装的电池主要是结晶硅型，特别是性价比高的多晶硅型。因此，在总量为5兆瓦的太阳能电池板中，多晶硅型约占9成。

采用30度倾角也不会积雪

解决积雪问题的对策重点是在架台上安装电池板时的“倾角”，和电池板底部与地面之间的“地面高度”。倾角需要采用让雪能够滑落的角度，地面高度则要保证电池板不被大雪掩埋。虽说角度越大，雪越容易滑落，但阳光的入射角度会随之变小，导致发电量减少。地面高度越高越不容易被雪掩埋，但会导致安装成本增加。而且，电池板的倾角和地面高度的越大，清晨和傍晚时的影子就越长，容易遮掩其他的电池板。而如果扩大间隔，安装数量又会随之减少。在实证中，不同时期安装的电池板采用了不同的倾角和地面高度，为相互矛盾的发电量与积雪对策寻找最佳的平衡点。

一期设置的倾角为33度，地面高度为2米。采用33度是因为按照正午太阳高度推算，这一角度的发电量最大。地面高度则是根据过去的积雪情况，采用了电池板不会被掩埋的高度。但是，采用33度倾角，电池板上的积雪不会滑落。因此，二期把倾角加大到45度，将地面高度降低到了1米。这一次，雪虽然顺利滑落，但滑落的雪堆积在电池板下方，高度足有1米以上，覆盖了电池板的底部。三期保持45度不变，只把地面高度调回到了2米（图3）。结果不仅没有积雪，滑落的雪也没有遮挡住电池板。四期则是采用30度的倾角，对电池板表面实施“清雪加工”，检验了效果（图4）。清雪加工是指在电池板的框架与保护玻璃的边界部分填充硅填缝，以消除缝隙的措施（图5）。因为通过之前的检验已查明，容易积雪是因为太阳能电池板表面存在落差和缝隙。填充取得了明显效果，尽管倾角只有30度，但多数情况下都没有积雪。

图3：倾角45度、地面高度2米的太阳能电池板
（出处：日经BP）

图4：倾角30度、地面高度1.8米的太阳能电池板
（出处：日经BP）

图5：利用硅填缝填充了框架与玻璃之间的缝隙
（出处：日经BP）

但是，与填缝同时实施的“太阳能电池板加高对策”却出师不利。“加高对策”是指在安装时，将最下排的太阳能电池板单独加高，使其与上排的电池板之间形成缝隙。这样一来，上排的积雪将经由缝隙落到架台内侧，从而防止雪集中堆积在电池板正下方。不出所料，上排电池板的积雪的确顺着缝隙落到了架台内侧，但堆积在内侧的“雪山”从后方挤压最下排的电池板，使电池板发生了倾斜，因此，这一对策只得作罢。

2010年设备利用率达到11.8％，达到全国平均水平

为了研究利用大型蓄电池的系统稳定化技术，实证实验安装了日本碍子公司制造的1.5兆瓦钠硫（NAS）电池，使其与5兆瓦的百万瓦级光伏电站联动（图6）。运转主要采用两种方式。分别是“功率变化抑制”和“计划运转”。在晴天时，如果云彩遮住太阳，光伏发电的输出功率会在短时间内剧烈波动。如果能够遏制这样的变化，就能减轻电力系统承受的负荷。实证把变化幅度减少8成作为目标，并成功取得了接近目标的控制效果。“计划运转”是根据天气预报预测光伏发电每个时段的输出功率，配合蓄电池的充放电提前制定发电计划，并通过控制，使负载（发电量变化）符合计划的方法。计划运转的重现性很大程度上取决于根据天气预报预测发电量的精度，通过实证，预测精度得到了提高。

图6：日本碍子制造的钠硫电池
（出处：日经BP）

实证结束后，稚内百万瓦级光伏电站已经成为稚内市经营售电业务的设施。日本实行可再生能源发电固定价格收购制度后，这座电站现在1年给该市创造的售电收入高达1.4亿日元～1.5亿日元。同时，作为日本国内首座百万瓦级光伏电站，其设备还可以对电池板经年劣化的影响进行评价，因此备受关注。最近几年的年设备利用率分别为2010年度11.8％，2011年度10.1％，2012年度10.1％。虽然会受到天气影响，但自从2006年投入使用以来，设备利用率一直保持稳定。寒冷地区虽然给人以不适合进行光伏发电的印象，但在有的年度，这座发电站的设备利用率并不逊色于日本全国的平均水平（约12％），例如2010年度。从月均发电量的变化来看，在不下雪的寒季，也就是4月～6月，设备利用率甚至在全国领先（图7）。如何借助清雪措施提高处于低谷的11月～2月的发电量？如何在发电量大的春夏储存电能？雪国的百万瓦级光伏电站面临的重点与课题已经清晰地浮现了出来。