分布式能源系统
分布式能源系统(Distributed Energy System)
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什么是分布式能源系统[1]
分布式能源系统是相对传统的集中式供能的能源系统而言的，传统的集中式供能系统采用大容量设备、集中生产，然后通过专门的输送设施(大电网、大热网等)将各种能量输送给较大范围内的众多用户；而分布式能源系统则是直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，具有多种功能，可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。
分布式能源系统的特征[1]
作为新一代供能模式，分布式能源系统是集中式供能系统的有力补充。它有以下四个主要特征：
①作为服务于当地的能量供应中心，它直接面向当地用户的需求，布置在用户的附近，可以简化系统提供用户能量的输送环节，进而减少能量输送过程的能量损失与输送成本，同时增加用户能量供应的安全性。
②由于它不采用大规模、远距离输出能量的模式，而主要针对局部用户的能量需求，系统的规模将受用户需求的制约，相对目前传统的集中式供能系统而言均为中、小容量。
③随着经济、技术的发展，特别是可再生能源的积极推广应用，用户的能量需求开始多元化；同时伴随不同能源技术的发展和成熟，可供选择的技术也日益增多。分布式能源系统作为一种开放性的能源系统，开始呈现出多功能的趋势，既包含多种能源输入，又可同时满足用户的多种能量需求。
④人们的观念在不断转变，对能源系统不断提出新的要求(高效、可靠、经济、环保、可持续性发展等)，新型的分布式能源系统通过选用合适的技术，经过系统优化和整合，可以更好地同时满足这些要求，实现多个功能目标。
分布式能源系统的优缺点[2]
- 1．分布式能源系统的优点
分布式能源系统的最主要优点是用在冷热电联产中。联产符合总能系统的“梯级利用”的准则，会得到很好的能源利用率，具有很大的发展前景。大型(热)电厂虽然电可远距离输送，但需建设电网、变电站和配电站并有输电损耗，而对于热，尤其是冷，就不像电能那样可以较长距离有效地输送。所以，除非事先特殊设计、安排好，否则，难以达到输送冷、热能的目的。因为大电厂选址有其自身的要求，一般来说，附近难以有足够大量的、合适的冷、热能用户，无法进行有效的联产。分布式能源系统却正好相反，按需就近设置，可以尽可能与用户配合好，也没有远距离输送冷、热能的问题，大电网的输电损失问题也不存在了。所以，虽然分布式能源系统纯动力装置本身效率低、价钱贵，但可以充分发挥其联产的优点，体现出它的优越之处。
分布式能源系统还可以让使用单位本身有较大的调节、控制与保证能力，保证使用单位的各种二次能源能够充分供应，非常适合对发展中区域及商业区和居民区、乡村、牧区及山区提供电力、供热及供冷，大量减少环保压力。总之，分布式能源系统可满足特殊场合的需求，为能源的综合梯级利用提供了可能，为可再生能源的利用开辟了新的方向，并可为提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出贡献。这也是一个很重要的优点。
- 2．分布式能源系统的缺点
分布式能源系统的主要不足在于，由于它是分散供能，单机功率很小，比起最大电厂单机功率有百万千瓦以上、单厂功率近千万千瓦而言，发电效率显然比不上后者。这是因为现有动力设备都是机组越大，效率越高。40万千瓦的、以燃气轮机为主的联合循环装置效率比40kW回热燃气轮机的效率要高1倍。“麻雀虽小，五脏俱全”，因此大机组单位功率的售价相比小机组要低得多，相差近几倍。大机组集中在一起，有专门高级技工运行维护，安全性、工作寿命都应该更有保证。所以，要对纯发电成本和单位千瓦初投资作比较，分布式能源系统的经费投入肯定要大大高于现在的大电力系统。另外，分布式能源系统对当地使用单位的技术要求要比简单使用大电网供电高，要有相应的技术人员与适合的文化环境。
分布式能源系统的适用[2]
- 1．分布式能源系统适用的设备与系统
分布式能源系统首先得有一台动力设备。经典蒸汽动力装置不适合用于出力较小的情况，所以一般不用。现在文献上提到的有燃气轮机、活塞式内燃机、燃料电池与斯特林发动机等。其中燃料电池与斯特林发动机在工程应用上严格说都还不够成熟，未达到广泛商业实用的程度，只可作为示范中试装置。燃料电池适合用于小机组，且变工况性能也好。但比较成熟的技术对燃料要求较高，正在研制中的高温燃料电池则要与热机联合才能获得较高效率。目前，实际广泛应用的是广义的内燃机——叶轮机械式(燃气轮机)与活塞式的，尤其是回热燃气轮机。应该说，燃气轮机与活塞式内燃机相比，前者较适宜于功率较大的情况，后者则正相反。在适用于分布式能源系统的功率范围内，目前两者能达到的发电效率均在30％以上。从价格上来看，活塞式内燃机造价会便宜一些。但实际应用还是以燃气轮机为多，原因可能是使用分布式能源的地方都是经济比较发达的地区，能够承受昂贵的费用。而燃气轮机在减振、消声、降低排放污染、重量轻、占地小等方面都有潜在的优势。另外，它的供热能力也比活塞式内燃机大。
分布式能源系统的优势在于冷热电联产，所以除了动力设备外，还得有一个系统。例如，最常规的办法是利用广义的内燃机的排气余热通过余热锅炉产生蒸汽供热，同时通过吸收式制冷设备供冷。通常是简单或回热循环燃气轮机的冷热电联产。但要保证联产系统能满足很大范围变工况下的任意冷、热、电输出需求(这是联产系统的关键科技课题之一)，上述系统是难以做到的。这时可用程循环(回注蒸汽循环，有时也称STIG循环)加上补燃，就可以使热电联产系统能够在电为设计点的5／3到0、热为设计点的近3倍到0的任意热、电数值的匹配要求下，高效安全运行。对冷、热、电联产的情况，为达到广阔范围的冷、热、电输出，上述程循环加补燃在原则上也是合适的，但可用范围的具体数字尚待研究。
- 2．适合用分布式能源系统的地区
由于分布式能源系统的初投资大，要用好燃料；同时要有比较稳定的冷、热、电用户，主要是第三产业和住宅用户；要求具有环保性能较好的特点等等，所以，它在我国比较适合应用的地区显然是经济比较发达的地区。从地域分布来说，主要是珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区等等。这些地方是我国现在经济高速发展的黄金宝地，也是应该“先环保起来”的地区，而且经济上也确是有可能适宜使用分布式能源系统的地方。另外，分布式能源系统既然是“分布”，也就是说与大电厂、大电网不一样，不是由一小批经验丰富的技术人员集中运行管理，而是分散式运行管理，这就要求使用区域的总体科技文化水平和素养较高。
分布式能源系统的种类[3]
一、太阳能发电
1．太阳光伏发电
太阳光伏发电是一种利用固体(半导体)的光生伏打效应，把光能直接变为电能的发电方式。太阳光伏发电系统由太阳电池板、蓄电池和控制器三部分组成。随着太阳能电池成本的不断降低(到2020年，预测造价约为每千瓦4000美元)，太阳光伏发电将呈现出良好的发展前景。
2．太阳能-蒸汽循环发电
太阳能-蒸汽循环发电有两种形式：一是由太阳能加热低沸点工质或液态金属，产生蒸汽，形成蒸汽动力循环的直接太阳能热动力发电。发电系统如图1所示。
该发电系统由集热器、蓄热器和汽轮发电机组所组成。太阳辐射能被定日镜反射后被集热器(锅炉)所吸收。集热器中传热介质(水或有机介质、金属钠)吸热而汽化，蒸汽进入汽轮机组作功发电并将电能输入电网。为保证电站工作稳定，还需设有蓄热器，以供阴云蔽日或阳光不足的傍晚使用。
目前这类太阳能热动力发电系统的总效率可达15％-20％，最高工作温度500℃(水，有机介质)或1000℃(液态钠)。
另一种太阳能一蒸汽循环发电系统是太阳能+燃气一蒸汽联合循环发电，其系统图如图2所示。这种复合循环能比较好地利用太阳能，又可以保证系统连续稳定运行。发电规模较大，是一种有前途的实用型分布式能源系统。
二、燃料电池和微型燃气轮机复合系统
系统的原理性结构图如图3所示。
燃气轮机作为能源利用的前置级，其排气用来加热进入燃料电池的空气和燃料。燃料电池是固体氧化物，工作温度700-1000℃，用天然气或甲烷作燃料。
该燃料电池和微型燃气轮机复合供电系统具有下列优点：可以在无电力供应的地区使用；系统可保持自稳定运行；启动方便、快捷；SO2和NO2的排放量很少，是一种很有发展前景的分布式能源系统。
三、地热发电
地热发电是高温地热利用最重要的方式。根据地热流体的热量参数和性状，可以有两种不同的发电形式。
1．蒸汽型地热发电站
蒸汽型地热发电站是把高温地热蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电。在引入之前，先要把地热蒸汽中的水滴、砂粒与岩屑分离和清除干净。
近年来，另一类也是未来地热能的主体——干热岩发电正在试验之中。在这类地热电站中，人为地将水灌入地下深层的高温热岩层中加热蒸发，再将产生的蒸汽引向地面的蒸汽轮机组。由于深层地热开采的技术难度很大，这种发电方式近期内还无法进入实用阶段，但前景很好。
2．热水型地热发电
热水型地热发电是当前地热发电的主要方式。目前已采用的循环有两种，它们是：
(1)闪蒸地热发电系统，如图4所示。
高压热水从地热井中抽至地面闪蒸锅炉内，由于压力突然降低，热水会发生沸腾，闪蒸出蒸汽。蒸汽进入汽轮发电机组作功发电。闪蒸后剩下的热水以及汽轮机中的凝结水可以供给其他热用户利用。利用后的热水再回灌到地层内。这种系统适合于地热水质较好且不凝气体含量较少的地热资源。
(2)双循环地热发电系统
双循环地热发电系统如图5所示。
地热水经换热器(锅炉)，加热低沸点的工作介质(如氟里昂)，使之产生蒸汽，蒸汽进入汽轮发电机组作功发电，凝结水再回到换热器循环使用。经过换热器的地热水再回流到地层。这种系统适合于含盐量大，腐蚀性强和不凝气体含量较高的地热资源。
我国的地热资源主要集中在西藏、云南、福建等省。
四、生物质能
生物质是指由植物光合作用而产生的有机物质。光合作用将太阳能转换为化学能而存储于生物质中。所以生物质能实际上是物质所具有的化学能。据测算，地球上每年由光合作用而生成的生物质能达到3×1021J，它在分布式能源中占有重要的份额。
生物质能的利用与转换，除了效率较低的直接燃烧提供热能以外，主要是通过生物转换(微生物发酵)和化学转换(热解与气化)将生物质变成液体燃料(甲醇、乙醇)、气体燃料(甲烷)或固体燃料(焦炭)。醇类液体燃料和甲烷气既可以作为发电厂的燃料，又可以作为燃料电池的燃料，从而实现生物质能的动力利用。由于生物质能量多面广且各地都存在，所以生物质能的开发利用对分布式能源系统的发展有重大意义。
五、风力发电
风是太阳辐射引起的大气对流运动。地球上可利用的风能为2×107MW，特别是在临海地区和内陆山口地区，风力资源十分集中。
发电是风能利用的主要形式。风力发电机既可单独供电，也可与其他发电方式(如柴油机发电、微型燃气轮机等)复合，向一个单位或一个地区供电，或者将电力并入常规电网运行。我国西部地区风力资源丰富，例如新疆达坂城已建成我国最大的风力发电站，装机容量为3300kW，是地区性分布式能源系统的重要组成之一，将在我国西部大开发中发挥重要作用。
总的说来，以可再生能源为主体且灵活多样化的分布式能源系统是本世纪正在大力发展的能源优化供应模式。各种新的分布式能源系统正在不断地推出，且随着科学技术的进步和高性能新材料的研制，分布式能源在社会能源结构中将占有愈来愈大的比重，将对社会发展产生举足轻重的影响。
分布式能源系统存在的问题[4]
在我国，分布式能源系统的应用还存在一些不足之处：
(1)负荷分析不够全面、准确、细致。对分布式能源系统的设计，负荷分析是非常必要的，如果对建筑的负荷统计或估算不够细致，就会对运行产生相当大的影响。例如，北京次渠项目中，燃机发电量80kW，余热直燃机功率2O万kcal，设计电负荷为320kW，供热、供冷面积为2800m2，但实际电负荷只有不足30kW，微燃机只能处于低出力工况，导致燃机发电效率很低，整个系统的电热比很低，最终导致了一次能源的利用效率降低，失去了分布式能源系统的最初设计意义。所以在今后的分布式能源系统设计工作中，负荷分析工作务必要做到细致、准确。
(2)对于过渡季节，分布式能源系统利用不充分。对于分布式能源站，冷热负荷一般是通过利用燃机的余热获得，由于夏季和冬季具有稳定的冷、热负荷，余热需求量较大，动力设备可以保持比较稳定的运行状态，而在春季和秋季，无较大的冷热负荷需求，可能就会使整个系统处于低效运行状态或停运状态，降低了系统的效率和使用率。
(3)缺乏权威的评价标准。分布式能源系统是一个多能量产品输出的复杂系统，所以如何对系统进行整体评价成为研究的重点和难点。由于冷热电是不同的产品，很难直接进行定量比较，目前的评价准则主要有火雨效率、节能率、折合发电效率等几种，但这些评价方法本质上都是对冷热电根据不同的标准分别进行评价。根据分布式能源系统的能量梯级利用特点建立系统评价标准对分布式能源系统的研究将具有非常重要的意义。
(4)需要进一步加强天然气的价格稳定机制。由于分布式能源系统燃烧的是高品质的清洁能源，其运行成本受燃料价格的影响特别大，尽管一个热力匹配完好的冷热电三联供系统其经济性也并不一定好。所以稳定的价格机制也是影响分布式能源站推广的一个主要因素。
(5)分布式能源站的并网、电价问题。目前，国家在财税和金融等方面还未出台相关的扶持政策，如电价补贴、接入系统投资、节能奖励等方面给予优惠政策，而且尚未制定和完善行业技术标准以及并网运行管理体系。如欧盟要求成员国支持分布式能源系统发展，在电网系统和税率上支持分布式能源系统，尽可能为高效小型分布式能源系统机组并网提供方便。欧洲委员会已经批准了强制购买热电联供和可再生能源发电的政策。所以，分布式能源站的大力推广，还需要政府在这方面加大对分布式能源的扶持力度。
分布式能源系统发展的争论和思考[5]
1．关于分布式能源的争论
关于分布式能源的争论大多围绕并网、能效、供电质量、容量储备、燃料供应等问题。但这些争论主要集中并停留在技术层面，而忽略了以下五个重要的问题：
(1)分布式能源可以为国家节约大量的发电和输配电投资。举个简单的例子，以8％～10％的输电线损计算，我国每年输电线损达三个三峡水电站全年的发电量。建在用户端的分布式能源系统由于不需要通过电网供能，因此可以避免输电线损和节约大量的输配电投资。如考虑建设电厂的费用，节约的资金将更为惊人。另外，分布式能源系统的投资出自用户，而电厂和输配电投资出自国家。能节约线损和国家投资的事何乐而不为。
(2)市场经济原则下的自由选择权利。能源安全有两层含义，国家能源安全和用户能源安全。国家能源安全体系应是对最终用户能源安全的保障。美国纽约再次大面积停电的事实，进一步说明了集中供电系统的脆弱和对用户能源安全保障的不完整性。分布式能源系统实际上是对单一的集中供能系统的补充，它可以使用户更有效的计划能源消费和避免电网停电给自己带来的经济损失。在电网有供电的社会职责却无断电赔偿责任的条件下，用户自由选择供能方式应是用户在市场经济原则下的基本权利。
(3)分布式能源是国家电网的一种有益补充。从国家角度看，分布式能源系统的全面发展，与电力部门没有根本的利益冲突，而且在很大程度上可以减轻发电和输配电部门的压力，应视为集中供能的一种有益补充，特别是在电网无力覆盖的边远地区和其他公用事业领域。这一点在绝大多数国家都已得到了充分的验证。
(4)对能源需求侧的管理。通过能源需求侧管理来优化电力需求结构，减少电力系统各个环节的浪费，也是能源优化的一个重要步骤。在市场经济条件下，需求侧的电力使用结构越趋向合理，波动范围越小，需求越持续稳定，供电侧的发电效率就越高，设备使用率自然相应增加，而输配电侧同样提高效率，这种优化的最终结果就是优化各方的经济效益，达到共赢。
(5)城市能源管理。中国经济已经进入了一个快速发展的时期，能源需求日益增长，供应瓶颈将成为一个长期的问题，城市必须学会管理自己的能源，因为这是保障城市发户展的关键环节，是对城市管理者素质的基本要求。
从分布式能源的发展历程来看，各国的电力部门最初也对分布式能源冷眼相看，百般阻挠，不屑一顾。但随着市场的发展，各国政府不断推出针对分布式能源的鼓励和支持措施，电力部门对分布式能源的态度也发生了根本的转变。
2．发展和应用前景
在我国，以燃气作为能源的分布式能源系统的发电量所占比例较小，预计到2020年，也不会超过总发电量的8％，这只是一种非主流的发电方式，是对主要发电系统的补充。
虽然在相当长的时间内，分布式供电系统还难以成为我国主要供电、供热形式，但可以预见，随着我国经济社会快速发展，城镇化的迅速推进和作为城镇主体形态的城市群空间格局的形成，以及人民生活水平的提高，建设资源节约型和环境友好型社会的思想深入人心和全面落实，分布式供电系统将会在以下地区发展。
(1)北京、上海、广州、武汉等特大城市。
(2)沿海有天然气供应的大城市。
(3)内地有天然气供应的大城市群。
分布式能源系统与其他供电系统的关系[5]
我国的供电系统从规模上分为集中输电网络系统、配电网络系统和分布式能源系统三类。
1．集中输电网络系统
这是国家级和省级电力部门所经营的供电系统，在靠近煤碳产地或交通方便地点建大型燃煤凝汽式电厂(单机容量一般大于300MW)，用高压(220kV以上)电网连接成区域大网，向用户集中调配供电，其发展方向是大容量、超临界、高电压、大网络。
2．配电网络系统
这是地方级电力部门所经营的配电系统，用高压(1100kV以下)电网连接成地方配电网，向用户配送电力。
3．分布式能源系统
这是相对于集中供电网络系统而言的一种分散布置的小型供电热冷站，由用户所经营。分布式能源系统靠近负荷(电、热、冷)，采用较小型的能源机组向所在小区域联供热电冷。所采用的机组一般是以天然气为主要燃料(燃油为备用燃料)。其单台机组的发电量范围广(可从3～180MW)，由于分布式能源系统可热电冷联供，燃料得到梯级利用，其热效可达70％～85％，电损耗低(2％～3％)。分布式能源系统是一种以燃气作为能源，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产系统，通常由发电机组、溴化锂吸收式冷(热)水机组和换热设备组成，即将高品位热能用于发电，发电机排放的低品位能源(烟气余热、热水余热)用于供热或制冷，实现能源的梯级利用，目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。
4．几种供电系统的关系
在我国，三种供电系统都是电源系统中不可缺少的，前两种担负大区域电网的主要供电、配电和调峰作用。分布式担负所在小区域的部分供电(及热冷)的责任，以燃油或天然气为燃料的分布式系统由于启停方便，还可用于调峰。对于一个完整的理想的区域电网，应当是集中式与分布式各占一定比例，互为备用，各司其职，互为补充。