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标题: 可再生能源：光伏、光热和风力发电（日本） [打印本页]

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:25
标题: 可再生能源：光伏、光热和风力发电（日本）
日本特别对于太阳光发电寄予了很大的期望。太阳光发电不仅可用于大规模集中发电，还可用于小规模的分散发电，可设置在住宅的屋顶等处，因此，对于国土狭小的日本来说，引进的门槛比较低。由于补助金制度以及可再生能源固定价格收购制度（FIT）推动了太阳光发电的普及，到2009年度，住宅用太阳光发电占到了日本国内供电量的近9成。近年来，在屋顶上设置太阳光接收板的家庭越来越不稀奇了。

日本政府是如何预测太阳光发电及风力发电的引进量的呢？日本资源能源厅2008年5月制定的长期能源供需预测中表示，到2020年度，一次能源供给量的8％将改用可再生能源，预计0.6％将采用太阳光发电，0.3％将采用风力发电。另外，日本环境省的中长期发展蓝图小委员会正在探讨一项宏伟的计划，打算到2020年使一次能源消费的10％都改为可再生能源。到那时，预计太阳光发电将达到3500万～5000万千瓦，风力发电（陆上）将达到1110万千瓦左右。顺便提一下，2009年日本的累计引进量方面，太阳光发电为262.7千瓦，风力发电为205.6千瓦。

在日本资源能源厅2008年3月发布的“清凉地球能源革新技术计划”中，所提到的21项技术都没有涉及风力发电。这是因为，当时的讨论结果认为，“风力发电是一项充分成熟的技术，不具备可在2030年以后获得较大引进效果的“革新性”技术开发要素”。

“清凉地球”是一个以2050年大幅减排二氧化碳为目标的计划，与此不同，目前正在制定的新能源革新技术计划则在实现截至2030年的“能源基本计划”的同时，力争到2050年实现彻底的低碳化。预计在后者计划中，技术上已成熟的风力发电将作为瞄准2030年低碳化目标的“快速反应部队”添加进来

由于适合风力发电的地方局限于非城市地区，因而存在着输电线完善、自然景观及噪声问题等选址限制，尽管如此，但风力发电的技术成熟度较高，具有在良好风况下发电成本较低、盈利性较好的优势。另外，国际能源机构（IEA）的“ 技术发展蓝图 ”也对太阳光发电及风力发电给予了积极评价。

另外，如果说起可再生能源，就会给人以“地产地消”的印象，但其实不一定必须地产地消。在可再生能源转换成电的一瞬间，我们就获得了一扇“任意门（日本动画片“多拉A梦”中的道具）”。无论在何处发电，瞬间便可在任意地方使用这些电。这就是电的神奇之处。利用这些特点，在更广的范围内与更多可选择的能源方式进行组合，就能实现能源供需的优化。

然而，现实中或多或少都会存在限制。既有输电线及配电线方面的限制，还有必须地产地消的限制。假如电也有地产地消，那就意味着“不得不放弃优化的念头，在小范围内加以利用”这样一种不利的状况。就像快递大大改变了货物的流通一样，要想避免“不利的地产地消”，冷静看清所设想的限制的实质，力争解除限制，才是第一要务。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:27
欧洲对太阳光发电的普及及开发表现出热情

太阳光发电方面，在发电面板（模块）价格下滑、以及近年来FIT制度等日本国家及地方政府政策支持的情况下，以欧洲为中心的爆发性市场扩大以及新兴市场国家的崛起，使得21世纪第一个10年的后期太阳光发电市场发生了剧变。日本从1997年起一直保持的累计引进量世界一的宝座在2005年被德国抢占，到2008年被西班牙赶超，2009年排到了第3位，市场份额下降到了大约13％（Trends in photovoltaic applications. Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2009）。

全世界的太阳光发电引进量方面，2009年新增了700万～800万千瓦，达到了合计超过2000万千瓦。有关太阳光发电方面世界动向的信息，可从国际能源机构的PVPS计划、欧洲太阳光产业协会、美国能源部（DOE）项目、美国电力厂商成立的太阳光推进团体SEPA等处获得。

日本新能源及产业技术综合开发机构（NEDO）对2004年制定的“面向2030年的太阳光发电发展蓝图（PV2030）”进行了调整，于2009年6月发布了“ 太阳光发电发展蓝图（PV2030+）”。PV2030+将预测的时间扩大到了2050年，同时还将技术开发的完成期提前了。虽然日本想东山再起，但笔者的直觉却感到“欧美正领先日本走在前面”。

在西班牙瓦伦西亚2010年9月举办的太阳电池国际学会暨展会“第25届EU PVSEC”上，结晶类太阳能电池展示了研究开发的成果，让笔者感到了其发展的势头。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:27
可是，笔者记得，至少在2年前舆论还处在“今后薄膜类太阳能电池有发展前途”的氛围中。由于太阳光发电市场的迅速扩大，原料硅出现了供需紧张。在硅不足的背景下，大幅减少了硅使用量的薄膜类太阳能电池开发取得进展，夏普等日本厂商也参与进来。

但是，薄膜类太阳能电池虽然制造成本较低，但转换效率却比结晶类太阳能电池低。近来，硅不足现象得到了缓解，可以看出，结晶类太阳能电池又凭借其与生俱来的高转换效率开始显示出应有的地位。今后，结晶类太阳能电池的优势会像现在一样地保持下去吗，或者薄膜类太阳能电池将会迎头赶上吗，由于目前的形势变化令人眼花缭乱，因此，包括将来技术开发的可能性在内，太阳光发电领域给人以“群龙无首”的印象。

假如太阳光发电今后在全世界承担起电力供给的部分任务，那么，不仅是硅、还有原料的风险今后都将会产生持久影响。例如，电极材料中使用的银，从长期来看恐怕将日益短缺。不使用硅材料的碲化镉（CdTe）太阳电池可以较为廉价的制造成本获得高效率。由于这种电池含有有害物质，因而被指具有毒性，但因为本来其毒性就很轻微，所以人们普遍认为，通过对其被回收利用为止的过程加强管理就能解决这一问题，在欧美这种电池的引进业绩不断增长。就像这种情况下的碲元素一样，可以说太阳电池的难题在于稀有金属。在新材料开发领域，稀有金属的替代品等材料层面的技术开发如火如荼。

在太阳光发电开发方面，由于“群龙无首”，很难对其中某条“龙”产生“天将降大任于此龙”的确信，因此，作为企业应向哪个领域进行技术研发及生产设备等投资呢，可以说目前处于非常难以作出经营决断的状况。在“群龙无首”的竞争中，胜负的决定因素是什么呢？要想通过提高转换效率以及降低成本来出成果，就必须挑战所有的可能性，最后“研究人员阶层的厚度”将决定一切。如果进行开发流程的竞争，那么对于研究人员较少的日本而言，将处于不利地位，今后日本面临的可能是一场以提高每个研究人员资质为主、需求竭尽所有手段的竞争激烈的赛跑。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:28
在“拿手绝技”领域落后于人的日本

“EU PVSEC”上另一个引人注目的，是微转换器（Micro Converter）的再次亮相。

以往有一个解决不了的难题，即由于是将太阳电池模块串联连接后再连接到逆变器，因此，如果有的模块因为处在背阴处而导致输出功率变低，那么电流便会受到该模块的限制，造成整体输出功率大大降低。对此，通过将微转换器连接到各模块或者模块群，便实现了整体输出功率的最大化。假如通过制造方法的变革实现了微转换器成本的大幅降低，那么就有可能在部分背阴等条件下也能发挥模块本来的性能。

日本企业已有通过各串（串联连接）逆变器进行控制的业绩，并且一直致力于该领域的研发。然而，听了信息发布之后，笔者深切感受到欧美在技术开发上的尝试比日本先行了一步。如果从这个角度来看EUPVSEC展会，就会发现生产太阳光发电用逆变器的日本企业实力还很弱。

想当初，日本在电力电子技术领域应该说是最先进的。例如，在空调等设备中配备逆变器来提高效率的家电、以及产业用风扇及泵等逆变器驱动技术，都是日本的“拿手绝技”。然而，在将逆变器应用于太阳光发电的技术方面，日本已谈不上先进。在所擅长的领域落后于人，这是因为什么呢？

大概是因为，将逆变器技术应用于可再生能源领域的商机在日本企业中不多见的缘故吧。另外一个可以想到的原因是，在大量的太阳光发电被引进的阶段，虽然其采用的系统连接用逆变器中不同于产业用逆变器的功能十分重要，但相应的研发起步较晚。而气势逼人的欧洲厂商，却让人感到充满了彻底实现低价利用太阳光发电这一目标的“活力”。笔者感到，在跨领域进行探讨、“整合逆变器与模块、降低总体成本”这一思路下，海外厂商抓住了更多的机会开展业务。不仅是抓住关键技术，能否发现“与相邻领域的组合”，这将成为在目前各种技术迅猛增长的低碳化技术全局中找到有利答案的关键。另外，有时候如果海外市场率先启动，会有利于当地的企业。在获取机会这方面来说，必须建立起“发生故障时，在24小时以内予以更换、或者派遣工程师”之类可吸引消费者的技术支持体制，以便获取项目。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:29
被寄予厚望的太阳光发电、受到全世界关注的太阳热发电

虽然人们对太阳光发电寄予的期望有点超前，但日本究竟能引进多少呢？笔者从电力供需的角度进行了思考。

电力需求随季节的不同而不同。1天的电力需求峰值方面，需求达到高峰的夏季为1亿6000万千瓦左右，春季及秋季这种中间期为1亿2000万千瓦左右。因此，如果发了1亿2000万千瓦以上的电，那么在当地绝对用不完。

在这1亿2000万千瓦中，假设作为基础电源的原子能发电为5000万千瓦，调整供需平衡所需的火力及水力发电部分为2000万千瓦，那么剩余的约为5000万千瓦。这意味着，到2030年使太阳光发电引进规模达到目前40倍（53GW＝5300万千瓦，按原油换算为1300万千升）的现有政府目标（上述“长期能源供需预测”），从电力供需的角度来看是一个可靠的数字，不见得是错误估计。

如同上一章中谈到的那样，可再生能源的“剩余部分可丢弃”这一特点至关重要。另外，包括重新调整需求在内、通过提高系统整体的供需调整功能，有可能将本应丢弃的东西利用起来。有关这些内容，还会在后面的章节中论述。

话分两头，利用太阳能源的发电不仅仅是太阳光发电。如果考虑到在海外的应用，可以说大规模集光型的“ 太阳热发电（CSP） ”目前在世界上“炙手可热”。
太阳热发电的实用装置于上世纪80年代在美国加利福尼亚州建成，大多至今仍在继续运转。虽然自全世界化石燃料价格稳定下来的上世纪90年代以后、直至近年来都没再进行建设，但在2009年西班牙的一座太阳热发电装置开始运转。在低碳化政策下，美国加利福尼亚州也相继决定建设太阳热发电装置。在阿拉伯联合酋长国（UAE）的阿布扎比，在相关举措加速开展的日本的协助下，进行了实证实验（日本科斯莫石油、阿联酋政府下属机构、日本东京工业大学进行的联合研发），并且公布了建设计划。欧洲正在计划一个宏大的项目“Desertec”，打算在北非的撒哈拉沙漠发电，通过地中海海底电缆将电输送到欧洲供其使用。争取到2050年满足欧洲15％的电力需求。另外，有关太阳热发电的世界动向信息方面，以欧盟以及美国能源部的计划为代表，许多研究机构及企业都在进行信息发布。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:30
如上所述，由于大规模项目的启动，太阳热发电市场正在迅速扩大，呈现出与先行一步进行了技术开发的太阳光发电“僵持不下”的局面，或者从当前的经济性角度来看，甚至可以说太阳热发电明显处在了有利地位。

相对于太阳光发电通过平面的面板直接发电，太阳热发电则是采用抛物面槽（Parabolic Trough）式、线性菲涅耳（linear Fresnel）式、塔式以及抛物柱面（Parabolic Reflector）式等多种集光原理来使用所采集到的太阳热，并利用涡轮机等热机构进行发电。

适合太阳热发电的地点，是直射光丰富、可充分获得较高热量的场所，也就是直射日光强烈照射的低纬度地区的沙漠。太阳热发电由于是采用反射镜进行大范围集热，因此，必须有平坦辽阔、且廉价的土地，而沙漠可满足这一条件。而日本由于纬度较高，单位面积接受到的能量较小，天气以多云为主，散射光较多，因此，不能说适于进行太阳热发电。

另外，太阳热发电通过溶融盐等蓄热物质来储存太阳热，从而在得不到日照的夜间也能进行发电等，因此，太阳热发电可调整输出功率。与根据日照情况进行直接发电、无法调整其发电输出功率的太阳光发电相比，在发电输出功率的稳定性方面太阳热发电略胜一筹。另外，如果同时利用化石燃料来生成蒸汽及高热气体，则可驱动涡轮机。

太阳热发电也存在着需要解决的问题。例如，由于太阳热发电是一种热机构，因此，要想大规模应用，冷却以及锅炉都需要水。虽然有一种方法是采用空冷方式来循环利用冷却水，但即使这样也需要一定量的水。目前正在探讨采用不需要用水的斯特林发动机（Stirling Engine）。对于设想在原本缺水的沙漠地区应用的太阳热发电来说，由于水的问题会大大影响到经济性及环保性，因此，包括将用水控制在最小限度的技术开发在内，必须考虑一种整体性的解决之策。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:30
由于太阳热发电的适宜地点是低纬度的沙漠，而通常沙漠没有能源需求，因此，最初便将输送问题纳入视野的建设计划必不可少，输电线等大规模投资将成为前提条件。在这一点上来看，太阳光发电则具有可在包括高纬度地区在内的沙漠等地大规模引进，并且可从小规模起步、逐渐培育壮大这样一种自由度。同样是利用太阳能源，太阳光发电与太阳热发电在本质上却迥然不同，可以充分发挥其各自的特点加以区别利用。

虽然尚未实现实用化，但有一种技术有望成为将来的太阳能源利用方法，这就是“燃料制造”。如果能够将太阳能制造成燃料，那么像以往的石油储备那样，太阳能的大量储存将以经济的方式变成现实，电力供应方可将其用于以燃料电池为代表的多种发电业务，从而解决一天、一个月、乃至一年等更长期的电力供需平衡难题。另外，在用户方面，在飞机以及长途卡车等难以利用电能的用途上的应用可能性将不断扩大。

燃料的制造有多种方法。例如氢气，除了借助太阳光或者太阳热所发的电力使水发生电解，从而制造出氢气之外，还有吸收太阳热发电所产生的热量的热化学反应、以及使太阳光发生光化学或者光生物反应的方法。另外还有一种方法，就是使如上所述制造的氢气与化石燃料及二氧化碳发生热反应，制造出合成气体及碳化氢。虽然这些方法中有的作为工业工艺已经成熟，但作为能源利用时，则必须实现以经济的方式生产大量燃料。

风力发电探索海上生存之路，输电网是一大难题

目前，风力发电的基本技术已确立，全世界的风力发电引进量不断扩大。2009年引进了3700万千瓦，累计引进量达到了1亿5800万千瓦。美国、中国、德国及西班牙这4个排名靠前的国家占了整体的2/3。风力发电的世界动向信息可从国际能源机构的风力部门、欧洲风力能源协会、美国能源部的风力开发计划、美国风力能源协会等处获得。

现在，如果提到风力发电，“海洋风力”是人们谈论的一个话题。不仅陆地上适宜设置风力发电站的地点越来越少，而且海上比陆地上的风更强，风的乱流也较少。以欧洲为中心，大规模装置正在相继建设。

四面临海的日本对海洋风力寄予的期望也越来越大。日本环境省中长期发展蓝图小委员会经过讨论后预言，2020年的风力发电引进量除了陆地式的1110万千瓦之外，海上着床式将达到20万千瓦，海上浮体式将达到1万千瓦。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:31
然而，与欧洲相比，日本的选址限制以及气象条件要严格得多。欧洲几乎全部采用着床式，而日本可建设着床式风力发电站的浅海比较少。浮体式在技术上难度较高，成本也相对较高。

另外，欧洲在海上发电领域走在前面的理由中，北海及波罗的海没有台风这一点占了很大比重。2003年9月，14号台风正面袭击了日本冲绳县宫古岛，该岛受到了巨大打击，6座风力发电设备中有3座倒塌。对日本而言，台风对策是陆地上及海上共同面临的难题。如果采用浮体式，那么就要将受到台风袭击的风险纳入到考虑中，除了提高风车的强度，不会倒塌的浮体构造也不可或缺，因此，成本增加将不可避免。

能不能使这些日本特有的现象成为“开发素材”，是需要人们集中智慧的地方。

2009年时，日本的风力发电累计引进量排在世界第13位（市场份额为1.3％）。遗憾的是，如果与欧洲相比，日本在引进量、设计、制造及应用的各项技术上都给人以“慢半拍”的感觉。而在充满活力的欧洲，各项研发均结出了硕果，产业及人才都得到了培育。

例如，从叶片形状及材料开发之类的基础技术，到为了减轻施加在设备上的疲劳负荷、在刮特大强风时可改变叶片的角度以利于风流通过的控制技术，以及与气象预测配套的发电预测及协调运行，在所有领域欧洲都在着手进行开发。欧洲在这些领域的开发，没有像目前在日本受到关注的着床式及浮体式那样“一花独放”式的表面风光。

风力发电之所以难以实现，是因为如果不实际运转就发现不了问题。如果是太阳光发电，多数情况下技术之优劣取决于发现新的发电原理、直至以低廉成本制造出产品为止的一条龙工艺。也就是说，太阳光发电在“工厂内”就已在某种程度上决出了胜负。与此不同，风力发电多数情况下是在暴露于自然之中的“露天第一线”决出胜负。只有在第一线，技术才能得到锤炼。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:31
虽然有程度的差异，但暴露在自然的雨、风及日照下的太阳光发电及风力发电，在相当长的试用期内发生某种损伤的可能性很大。制造出更不容易损坏的产品的技术，有效、高效地运行及维护管理众多设备的技术、以及设计及制造适于进行维护管理的设备的技术，这些技术虽然看似貌不惊人，但今后将会成为重要的课题。

在开展风力发电之际，完善输电网是一个无法回避的问题。目前主流的大型风车的发电能力平均每座为数千千瓦，因此，至少必须用66kV的输电线进行连接。而太阳光发电方面，如果是住宅用输电线，采用空调及微波炉通常使用的200V即可。太阳光发电在靠近用电场所的地方，连接到现有的配电网上就能使用，与此不同，风力发电到需求地为止还必须输送一定的距离。因此，对于一个地区最初的风车来说，往往需要有“豪华的”输电线。或者，如果建成了支持目前发电方式的输电线，那么，接下来的风力发电开发也将花费相同的成本，更有甚者，还会发生无法确保输电线路之类的严重问题。要想确保经济性及适用性，逐步开发一定规模的风力发电，那么，放眼于长期引进的输电网完善将成为有待解决的问题。

但是，当太阳光发电大量引进到家庭中时，由于伴随着输出功率变动会产生电压变动，因此，即便是靠近住宅的配电线也必须能耐受电压变动。

输配电线的电压大小可以用自来水管的粗细来比喻。由于输配电线“太细”而使电压上升时，为了增加输电容量而“加粗”输电线要花费人工及成本。作为另外一种应对方法，静止型电压调整装置（也被称为STATCOM或者SVC）等附加设置正在探讨之中。或者从相反的思路出发，既然输出功率变动会引起电压变动，有人便提出了输出功率变动不会带来影响的、通往太阳光发电一侧的入口设置方案。不管怎么说，探讨的结果显示，这些对策都会产生很大的成本。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:32
这种电压变动，在以公认今后将会普及的热泵式热水器及电动汽车（EV）为代表的、微波炉等需要较大电力的应用技术被大量引进时也会发生。如果预想到这种状况，那么就必须考虑提高配电电压（将6000V提高到2万V、将100V提高到200V等）之类加粗电流流通管道的根本性解决之策。

与引进微波数字电视一样，根本性改变几乎所有国民都在使用的一种技术时，肯定将会花费相当大的人工及成本。然而，由于这是留给将来的能源基础设施这样一种构成国家基础的东西，因此，必须进行高瞻远瞩的探讨。

掌握着应用关键的气象预测技术以及均摊效应

无论太阳光发电还是风力发电，由于其依赖于自然的性质，使得发电输出功率容易发生变动。因此，应该以“对这种变动奈何不得”的开放心态来考虑。

然而，如果能对“天气变化时会发生‘什么’、其结果会使发电输出功率‘如何’变动”进行准确预测的话，就能做到“兵来将挡水来土掩”。如果将太阳光发电及风力发电的发电量与天气预报结合在一起，能在“多大程度上”进行准确预测呢？这是依赖于天气的太阳光发电及风力发电共同面临的难题。如果能通过对数据的积累及分析来搞清天气与发电量的因果关系，那么就能以天气预报为参考进行一定精度的发电预测。

发电量预测需要多高的精度呢？这取决于电力系统一直以来所具备的、以火力及水力发电站为中心的供需平衡调整能力，以及将来需求响应（demand response）、电动汽车充电、定置式蓄电池等今后有望全新引进的调整手段的组合。由于必须将可以想到的所有要素组合在一起加以考虑，因此，必要精度的预测非常困难。然而，还有一个权宜之计。那就是，在电力系统整体的供需平衡方面，如果是太阳光发电，就不必进行一家一户的预测，考虑到电力系统整体的“均摊效应”，只要能预测变化幅度及速度相对变小的变动即可。风力发电方面，也没有必要按每座风车、或者按每座大规模风力发电站（Wind Farm）进行预测。

作者: soft 时间: 2011-4-13 11:34
发电量预测技术的开发，要从积累和分析发电业绩数据开始。水力发电方面，为了掌握河川的流动特性，日本花了数十年时间来积累数据。这是因为，如果洪水使堤坝发生决口，则会关系到河川下游居民的生命，因此必须预想到百年一遇的大洪水，建设可抵抗这种洪水的堤坝。太阳光发电及风力发电设施可进行修缮，不要求有堤坝那么高的安全性，因此，数据收集时无需花费像水力发电那么多的时间。然而，要想大体经受住像2010年的酷暑那样影响到发电站运行的异常气象，为了查明均摊效应，在众多观测点上积累最少10年的数据应该是必不可少的。

如果可再生能源越来越普及，那么今后也许气象预测（预报）的作用也将发生变化。以往的天气预报是用来告知灾害的预报。虽然发出了“将会降雨”的预报，但根本没有下雨的情况经常有。这是因为，人们要求有例如“如果降雨则有滑坡的危险”这样的预报，这是为了避免风险而以防万一的措施。

今后，出于“天上也能掉下能源”的想法，可能人们会要求提供考虑到电力系统稳定运行的气象预测。这种情况下，由于不是灾害预测，所以不宜对日照及大风过多地进行预测。不过，目前还没有提供适用于发电量预测的日照量及风量预测，这是不争的事实。今后，虽然气象预测技术的发展值得期待，但即便能够完全预测到天气变化导致的发电变动，我们也只能对其进行防备，发电的变动本身并不会减少。在逐渐增加引进量的过程中，更有效地采取对策必不可少，新技术的开发必不可少，这一点没有变化。

笔者听说过一个海外的事例，说的是某地虽然建设了大规模风力发电站，但由于输电线的铺设赶不上进度，因而一直处于不能发电的状态。虽然这是在日本不可能发生的事情，但反过来说，笔者觉得日本的风力发电站建设得太慢了。由于落后于世界发展水平、经济出现衰退而导致的“低碳社会”，肯定是任何人都不愿意看到的。笔者认为，要想发挥日本的技术实力、继续引领可持续发展社会，就必须先于其他国家发现问题，并不断尝试解决这些问题。

另外，有关太阳光发电及风力发电的世界性动向，欧美国家、企业、团体及项目等的网页、报告书、论文及各种研讨会等渠道都积极地予以公布。笔者认为，今后抓住各种机会系统地发布日本的优秀技术及引进事例，这作为支撑研究交流、商业化生产以及规格标准等所有层面活动的基础至关重要。

本文作者：荻本和彦
原文地址：http://china.nikkeibp.com.cn/eco ... 7.html?limitstart=0

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