3. 新能源设备的主要技术

3.1 太阳能发电系统


图5.会场内设置的多结晶型(图像左下方)
和两面受光型(图像右上部分)太阳能平板


图6.所设置的非结晶型太阳能平板

太阳能发电，利用自然能源，作为保护环境的的清洁性分散型电源正在逐步向普通家庭普及。但是，因为依赖天气状况的比重大，造成电能输出不稳定。于是，我们把太阳能发电与稳定的充放电可能的钠硫磺(NaS)电池组合起来，确保了电能的稳定输出。在博览会上，通过多结晶型平板200kw，两面受光型30kw(图5)，非结晶型100kw(图6)，提供电力达330kw。

3.2 钠硫磺(NaS)电池电力储藏系统

NaS电池，是在350度高温下运作的体积能源密度高而且充放电可能的二次性电池。被称为β氧化铝的特殊陶瓷显示的钠离子传导性，作为固体电解质被使用，正极的硫磺和负极的钠，通过固体电解质的移动释放电能。活性物质的钠和硫磺的资源储存丰富，电解质是固体而且自我放电量非常小。该项技术目前已经处于实用阶段，6000kw的系统已被采用在电力公司的变电站，电力状况平稳。在博览会上，充放电力为500kw，持续7小时的NaS电池(图7)，通过吸收太阳能发电的电力变动及燃料电池的夜间剩余电力，发挥了提供稳定电力的作用。


图7. 会场内的NaS电池

3.3 燃料电池系统

燃料电池的原理是基于水电解的逆反应，即氢和氧在发生化学反应后生成电和水。燃料电池，具有下记特性：(1)利用废热，小型电池也具备高能源效率，(2)低噪音·低振动，(3)保护环境。作为分散型电源有待今后的进一步普及。

根据所使用的电解质及运作温度，对燃料电池进行分类(参照表1)。其中，固体高分子形(PEFC)的运作温度最低，燃料电池汽车所使用的数十千瓦规模及家用安置型1kw规模的已经被开发,但在博览会上不展示。博览会上，实际使用的是250kw溶融碳酸盐形燃料电池(MCFC，图8)1台和附带微燃气轮机的250kwMCFC的1台，共计2台。在高温650度下进行运作的MCFC，可以使用从废弃物中生成的气体作燃料等优点，期待今后的普及。为了增强全体的发电能力，增加了已经被实际应用的200kwRin酸形燃料电池(PAFC，图9) 4台，计800kw和作为下一代燃料电池正在进行开发的50kw固体氧化物形燃料电池(SOFC，图10)1台。这些燃料电池的废热被回收利用在博览会会场内建筑物的制冷冷气系统中。


图8. 已完成设置的溶融碳酸盐形燃料电池(MCFC)


图9. 正在建设中的Rin酸盐形燃料电池(PAFC)


图10. 固体氧化物形燃料电池(SOFC)

表1. 燃料电池的种类

  高温运作形 低温运作形
溶融碳酸盐形(MCFC) 固体氧化物形(SOFC) 磷酸形(PAFC) 固体高分子形(PEFC) 碱水溶液形(AFC)
电解质 碳酸盐 陶瓷 磷酸 高分子膜 氢氧化钾
电荷负载 CO32- O2- H+ H+ OH-
触媒 没有 没有 白金类 白金类 镍·银类
运作温度 约650°C 约1000°C 150 - 200°C 80 - 100°C 50 - 100°C
发电效率 50 - 65% 55 - 70% 35 - 42% 35 - 40% 60%
特征 ·发电效率高
·适合于大容量化		 ·发电效率高
·耐久性方面强		 ·最早被开发，已经进入实用化阶段 ·可以在低温下运作
·容易进行启动和停止
·输出密度高		 ·可以在低温下运作
燃料 ·天然气
·LPG
·甲醇
·废弃物气体
·煤气		 ·天然气
·LPG
·甲醇
·废弃物气体
·煤气		 ·天然气
·LPG
·甲醇		 ·天然气
·LPG
·甲醇		 ·纯氢
用途 ·分散电源用
·代替火力电源用(大规模)		 ·分散电源用
·代替火力电源用(大规模)		 ·小型分散电源 ·汽车用
·家用		 ·宇宙开发用
·特殊用途

3.4 沼气发酵系统

博览会的开展期间，会场内的餐馆会排出大量食品垃圾。这些垃圾将在夜间被收集起来用于沼气发酵系统(图11)。食品垃圾的最大接受量是4.8吨。食品垃圾从袋中取出后被进行区分·粉碎处理，加水和碱变为浆状后装入发酵槽。发酵沼气生成过程需要2周。食品垃圾不会被运出会场外，全部由该系统进行处理。所生成的沼气被作为MCFC的燃料进行利用。沼气不足的情况时，则使用城市煤气进行补充。


图11. 会场内的沼气发酵系统

对全国公共团体垃圾处理设备进行调查的结果表明，因为小规模的蒸气涡轮机的发电效率低，所以处理量为200吨/日以下的小规模设备都不带发电设备。但是对含水分多的生活垃圾进行燃烧处理却需要消费很大的能源。如果将生活垃圾进行沼气化处理，即使规模小也可以充分利用效率高的燃料电池。

3.5 高温气体化系统

为了保护环境，在建设博览会会场时，极力避免对树木进行砍伐，将其控制在最小限度。而且数量极少的被采伐的树木及会场内的废塑料物品也作为燃料电池的燃料被进行利用。被砍伐的树木和塑料废品被粉碎后，在1200度的高温下进行分解，生成的气体(主要成分是氢·一氧化碳)被导入利用在其他的MCFC中。如果所生成的气体不足，与沼气发酵同样使用城市煤气进行补充。图12为炉的外观，图13为该系统的概要


图12. 设置在会场的高温气体化炉


图13. 高温气体化系统

3.6 能源供求控制系统

博览会上太阳能发电·MCFC2台·PAFC4台·SOFC·NaS电池与交流6.6kv在一点结合，构成电力输出总计为2200kw的微细网眼。图14，15为在微细网眼系统下的电力需求供给控制。MCFC和SOFC承担基本需求，由发电速度比较快的PAFC对应需求电力的变化。太阳电池急速的输出变动与充放电可能的NaS电池相对应，通过计算机对这些燃料电池·NaS电池的输出量进行最佳控制来配合长久手会场日本馆电力需求 (最大约1200kw)的变化。微细网眼下的供求控制以30分钟的同时同量为基本，不发生对电力系统的逆潮。实验评价了电压·高调波·振动等电源质量，并对太阳电池·燃料电池·NaS电池的有关目的函数，即成本最小化·排泄二氧化碳气体最小化·能源利用效率最大化等最佳控制进行了尝试。


图14. 微细网眼的供求控制设想


图15. 微细网眼的供求控制系统

同时，借鉴过去所发生的纽约大停电等事例，在博览会结束时的10月份，还将切断供电系统，进行微细网眼发电独立运转试验的尝试。即，在以PAFC作为电压源以其他燃料电池和NaS电池为电流源的情况下的负荷追从性。开始时通过计算机模拟进行分析·预测，并计划在下一阶段性结合其他燃料电池，增大难易度，在微细网眼内进行独立运转试验。