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「作為實驗用途,完成度極高」。索尼電腦科學研究所(索尼CSL)的創始人、曾擔任索尼高級常務等職務的所真理雄對一項技術很有自信。

那就是使用由太陽能電池和蓄電池組成的分散電源的新型家用能源系統。該系統在多棟住宅中設置分散電源,架設自營線連接各棟住宅並相互融通直流電。

這項技術2013年誕生於沖繩科學技術大學院大學(OIST,沖繩縣恩納村)、衝創工(沖繩縣那霸市)與索尼集團的合作開發項目。目前正在OIST校園內的教職工住宅開展驗證實驗。相關成果已在OIST于2015年2月2~3日舉辦的「第2屆開放式能源系統國際研討會」上展示。

作為分散電源系統驗證實驗對象的OIST的教職工住宅(攝影:OIST)

所真理雄相信,分散電源「在今後1~2年內將達到商用化水準」,其特點在於管理各棟住宅生產的電力的系統。關鍵詞則是「開放」。

光伏發電的剩餘電力給鄰居用

現在,家用光伏發電系統大多採用將剩餘電力銷售給電力公司的機制。利用固定價格收購制度(FIT)售電。

索尼CSL等提出的採用分散電源系統的機制與FIT的構想截然相反。因為這一機制完全不關注與電力公司電力系統的合作和FIT。那麼,剩餘的電力如何處理?答案是,蓄電池儲存的剩餘電力在各棟住宅之間「融通」。

所真理雄在研討會上發表演講,展示了即時顯示電力融通的管理畫面。綠色部分代表每棟住宅蓄電系統的充電情況。虛線連接的住宅在互通電力。為了保護隱私,住宅出現的位置是隨機的。

舉例來說,假設有的家庭在晴朗的白天外出,基本不用電。如果不採取任何措施,蓄電系統充滿電後,就不能再利用太陽能電池板的發電能力。

而同一時間,應該也有一些家庭在大量用電,電力有些不足。利用這次開發的分散電源系統,蓄電系統的剩餘電力會被送至電力不足的家庭。這就是「融通」的含義。為了防範夜晚蓄電耗盡,該系統還融入了無縫切換電力公司的商用電源,確保供電的機制。其目標是,通過實現上述功能,在社區中構築「電力大家造、大家用」的系統。

就在1年前,驗證實驗用分散電源系統在OIST舉辦的第1屆研討會上公開時,相互融通電力的住宅還只有3棟。僅1年時間,就增加到了19棟。

實驗採用的太陽能電池板是松下的產品,有10棟住宅安裝了2.8kW的系統,9棟住宅安裝了4.2kW的系統,共計65.8kW。蓄電系統「能源伺服器」使用48V電源工作,由控制器、蓄電池、雙向DC-DC轉換器、家電用DC-AC轉換器等組成。蓄電池使用容量為4.8kWh的鋰離子二次電池,是索尼的產品。

  

開展驗證實驗的教職工住宅和太陽能電池板(左)。實驗使用的分散電源系統在住宅內的構成(中央)、住宅之間的系統構成(右)

這次的成果當然不僅僅是增加了住宅的數量,工作機制也有長足進步。新增加了在住宅之間自動融通電力的機制,而1年前還要手動進行。

自動融通電力的機制主要根據三個條件進行控制。第一個條件是蓄電池的電量超過75%才開始與其他住宅融通。融通電力的判斷條件則是根據各家庭過去的用電模式,以及社區內設置的氣象監測系統的資訊來計算。

  

驗證實驗使用的蓄電系統(左)。內置能源管理系統、四個鋰離子二次電池(容量為1.2kWh)、DC-DC轉換器等(中、右)

夏季電力自給率達到約8成

自動化機制的順利運轉增強了所真理雄的信心,他說,「開發該系統不是為了實驗,而是為了實際應用。現在系統的運行沒有人員介入,安全而且可靠性高。放眼世界,還沒有其他地方的居民在日常生活中使用這種分散電源系統」。

索尼CSL等的電力自給率實測值與模擬結果。中央的柱狀圖是這次的分散電源系統。淺藍色的Winter(冬)「柱狀圖的下面顏色略深的部分是實測值。在假設太陽能電池板的發電量與蓄電池的容量倍增的模擬中,夏季的自給率有望達到95% 」

在對19棟住宅的分散電源系統開展實地測試時,在2014年12月24日~2015年1月23日的1個月時間裏,電力自給率為52%。電力自給率=(耗電量-短缺量)/耗電量。

索尼CSL表示,這一自給率雖然比中央集中型光伏發電系統低4%左右,但比獨立型光伏發電系統高9%左右。

測試是在日照少的冬季進行的。根據模擬結果推測,分散電源系統在夏季的自給率將達到73%。在條件相同的模擬中,中央集中型光伏系統的自給率為78%,獨立型光伏系統為59%。在假設太陽能電池板的發電量與蓄電池的容量比實驗增加一倍的模擬中,分散電源系統夏季的自給率為95%,與中央集中型基本相同。

所真理雄說:「這次開發的分散電源系統能夠汲取中央集中型光伏系統和獨立型光伏系統的長處。」其實,在開篇所說的「完成度極高」的自信的背後,還有另一個依據,那就是在驗證實驗中累積的運營分散電源系統的技術經驗。

這次的分散電源系統在住宅之間融通的是350V的高壓直流電,蓄電系統內部也採用高電壓,因此要求安全性必須高於以往的電力管理。面向電力管理公司和居民等,索尼CSL等與從事電氣設備設計和管理的衝創工等研究了分散電源系統發生意外情況時的應對方法,並製作成手冊。

19棟住宅的自動運行實驗於2014年12月開始後,手冊有兩次派上了用場。所真理雄回顧說:「因為施工,電力公司的商業用電曾一度斷電。但通過合理應對,分散電源系統並沒有停止工作,實現了不停電持續供電。」

開展實驗的沖繩容易因颱風引發的自然災害而停電。該系統雖然還沒有真正接受颱風季節的考驗,但所真理雄表示,「我們的系統應該會有效地發揮作用」。

從真正需要電力的地區開始推廣

這次選擇在沖繩開展實驗,是為了確認系統能否耐受亞熱帶島嶼型氣候。如果成功,就有可能在遍佈世界各地的離島和供電不穩定的地區,以及不通電的偏僻地區開展業務。正處在經濟增長高峰、即將全面推動電氣化的發展中國家隱藏著巨大的市場。

在驗證實驗的公開展示中,樣板房展示了大金工業製造的支援直流電的空除錯制機。通過對現有空調進行改造實現了利用直流電工作。大金的工作人員表示:「直流驅動的效率更高」

當然,要想實現商用化還有不少課題。比如說蓄電系統的價格。太陽能電池板的價格有所下滑,但蓄電池方面還要有所突破才能進一步降低成本。儘管如此,所真理雄對前景依然樂觀。

所真理雄指出,「這次的系統屬於自下而上型,只有1棟住宅的時候就能設置,然後再慢慢增加參與住戶。可以通過自產自消從小起步,也能支援大規模系統。通過首先在真正需要電力的地區開始設置,設置成本應該會越來越低。5~10年後,進入城市也是有可能的。通過一點一滴的累積,人們或許不再需要巨型的輸配電網」。

在分散電源實現普及後,直流供電將變得理所當然。所真理雄說:「使家電等家中的一切電器直流化是我的夢想。」在1~2年後,驗證實驗中累積的技術及操作經驗能否得到昇華,運用於商用系統?挑戰電力行業傳統常識的舉措將接受考驗。(記者:高橋史忠)