从宫崎大学的创能项目看日本太阳能发电的变化

2019-09-06 10:06:57    浏览数:0次

太阳能发电在日本的兴起，契机是2011年3月11日发生的东北大地震。地震引起的核电事故让原子能发电风险显在化，迫使日本在2014年全面停止了原子能发电，使得电力供给量突然出现了30%的缺口。这部分一直由原子能发电稳定供给的发电量必然要找到一个替代者。太阳能发电、风力发电、以及其他可再生能源纷纷涌现。
为了鼓励以太阳能发电为主的可再生能源的利用，日本将“自然能源2030年目标”设定为22～24%，日本政府在2012年颁布了一项称作“固定价格购电制度（FIT）”的政策。即由电力公司对可再生能源产生的剩余发电量，在一定期间内以一定的价格统一收购，通过并入电力公司的电网，供给消费者。2012年这个制度实行时，FIT价格为每度电42日元，将近普通居民电费的两倍。卖电有利可图，因此，掀起了普及太阳能的热潮。
几年过去了，日本2017年度的自然能源发电量达到了总发电量的15.6%，太阳能发电达到了5.7%。虽然跟欧洲比，自然能源发电量占总发电量的比重还少，但是，从无到有，已是长足的进步。另外，FIT价格逐年下降，也使得光伏厂家的竞争加剧。如下图所示，2018年度家庭用电价格与家庭用太阳能FIT价格曲线发生交叉，意味着以后出售多余的住宅发电量就不再有经济上的魅力。
JPEA（太陽光発電協会）制作的各类电力价格图
由于廉价的光伏膜板基本都由外国厂家供给，FIT价格的下跌必然挤压这些企业的利润，甚至迫使其退出市场。而精明的日本厂家似乎早已预见到这种演化，从一开始就占据了技术的上游。
今年六月初笔者走访了宫崎大学，参观了该校主持的一个创能技术示范项目。该项目为了实现24小时利用太阳能，积极开发了蓄电与蓄热技术，将白天太阳能发的电储存起来夜间使用。其中用到了以下几个主要技术：
1 太阳能的化学能变换技术
2 蓄热与热能发电技术
3 革新性的太阳能发电技术与氢能开发（制氢与贮氢）技术
4 快速蓄电与氢能贮存新技术
宫崎大学实现了目前居世界最前沿的太阳能变换效率（如下图所示）。

在集光型太阳电池、太阳追随装置、水电解装置领域，集中了日本最优秀的代表企业，如大同特殊钢、住友电气工业、三菱电机、夏普与富士通。

自然能源发电，一个最大的问题就是波动太大。比如太阳能发电，当白天光照充足时发出的电力充足，余量会派不上用场；而阴天下雨或者晚上则会无电可发，所以电力的存储是一个很重要的课题。

宫崎大学的创能技术示范项目，是将太阳能与其它自然能源比如沼气、生物产能等有机结合，实现平衡供电。宫崎县是一个畜产与酿酒大县，畜牧业兴旺，产生大量的家畜粪尿，以及酿酒的山芋碎片。这些废料发酵，可以产生沼气，并从中提取甲烷。

宫崎大学的做法是首先通过把太阳能转化为可以贮存与运输的氢能，来调节剩余电力；然后让氢与来自家畜粪尿、山芋碎片的甲烷进行触媒反应，得到甲烷标准气CH4；最后再将CH4添加到天然气里，实现多种再利用。氢还可以作为燃料电池的能源，用于发电以及燃料电池车的电源（下图）。


将太阳能转化为氢与甲烷，不仅促进了区域能源自给，抑制化石燃料的消耗，还可以实现低碳型社会。宫崎大学的创能技术示范项目不仅立足于在当地实现能源的自产自用，甚至把目光放得更远。其规划的远景之一就是将这个技术出口到非洲撒哈拉沙漠，利用非洲充裕的太阳能，从源头抑制碳的排放。