分布式能源系統的發展

　　[摘要]本文通過對分布式能源系統的概念、特點及其發展趨勢的闡述，強調分布式能源的重要作用。指出分布式能源系統發展的主要方向之一為冷熱電三聯產技術，可再生能源為分布式能源的發展提供了更廣闊的前景。
　　[關鍵詞]分布式能源；熱電冷三聯產；發展
　　[中圖分類號]TK0　[文獻標識碼]A　[文章編號]1005-6432(2009)10-0041-03
　　
　　從20世紀70年代末開始，分布式能源系統在西方發達國家特別是美國興起，1978年美國公共事業管理政策法公布后正式先在美國推廣，然后被其他先進國家逐漸接受。而分布式能源不僅在歐美等發達國家迅速發展起來，也受到了發展中國家的廣泛重視。1998年成立的國際熱電聯產聯盟(International Cogeneration Association，ICA)，也于2002年改為國際分布式能源聯盟(World Alliance forDecentralized Energy，WADE)。
　　
　　1　分布式能源系統的概念
　　
　　顧名思義，分布式能源系統，是相對于能源集中生產(主要代表形式是大電廠加大電網)而言的。電在已知的二次能源中最為有用，且占有絕對優勢。如果沒有電，就沒有了絕大多數的先進生產力。一切高新技術的研發、應用都要在電力運行的基礎上進行。所以，保證充足、安全、有效的電力供應是非常重要的。然而，在目前，我國只有大電廠加大電網才能夠比較好地完成此任務。估計這種狀態在較長一段時間內不會改變。
　　分布式能源與上述比較集中的大電廠加大電網正好相反，它是把二次能源供能點分散到很多企業、社區、大廈、醫院、學校、寫字樓，甚至到個別家庭住宅中去。由于分散，所以每個系統的出力都不會太大，需根據用戶的具體要求而定，一般在成百上千kW以下。如上所述，電是最主要的二次能源，所以目前通稱的分布式能源系統都至少有電力輸出；而只出熱、出冷的簡單小型供能系統，如僅供熱的小鍋爐裝置、僅供冷的獨立空調設備，是極少有人稱之為分布式能源系統的。但是，絕大多數的分布式能源系統，是除了供電之外，還同時供熱及／或供冷，是多聯產系統。當然，也許還可能是多功能系統(意指除多聯產輸出外，輸入的能源也是多種的，例如可以同時有化石能源與可再生能源輸入)。
　　
　　2　分布式能源系統的特點
　　
　　一是設備的小型化和微型化；
　　二是燃料結構的多元化，可以是燃氣輸配管網的天然氣、人工煤氣、煤層氣、生物沼氣，也可以是太陽能、地熱、風能、水能和核能等；
　　三是能源供應形式的多目標化，如供電、供熱、供冷、供氣和供熱水等；
　　四是網絡化，分散就近供應；
　　五是智能化控制和信息化管理，在互聯網和智能計算機的優化運行調度下，進一步與智能化家用電器協同優化，實現一定范圍的優化調度，以及利用低谷燃氣資源和低谷電力資源為用戶蓄能、儲能，實現燃氣、電力、供暖、制冷、熱水的供需平衡，優化組合；
　　六是高效、清潔、環境污染小。
　　
　　3　分布式能源系統的優劣勢分析
　　
　　由于大電廠加大電網將會長期存在，因此有必要將其與分布式能源系統作一比較；而對分布式能源系統優缺點的分析，可以幫助我們更好地理解集中與分散式能源系統各自的優劣勢和適用范圍。
　　3．1　分布式能源系統的優點
　　分布式能源系統的最主要的優點是應用在冷熱電聯產中。聯產符合吳仲華先生提出的總能系統的“溫度對口、梯級利用”的準則，我們知道，已商業化的、可大規模實現能源轉換的技術中，熱電聯產效率是最高的，可達60％～80％，如采用冷熱電系統，則其效率可達90％，因此冷熱電聯產會得到很好的能源利用率，具有很大的發展前景。但是熱，尤其是冷，不像電能那樣可以較長距離有效地輸送。另外大電廠選址有其自身的特殊要求，一般來說，其廠址都選在遠離城市的郊區，附近的冷熱負荷較小，無法進行有效的聯產。分布式能源系統卻正好相反，按需就近設置，可以盡可能與用戶配合好，也沒有遠距離輸送冷、熱能的問題，且負荷的適應性很強。
　　沒有或很低輸配電損耗；無須建設配電站，可避免或延緩增加的輸配電成本；適合多種熱電比的變化，系統可根據熱或電的需求進行調節從而增加年設備利用小時；土建和安裝成本低；各電站相互獨立，用戶可自行控制，不會發生大規模供電事故，供電的可靠性高；可進行遙控和監測區域電力質量和性能；非常適合對鄉村、牧區、山區、發展中區域及商業區和居民區提供電力；大量減少了環保壓力。
　　為了保證使用單位的各種二次能源能夠充分供應，分布式能源系統還可以讓使用單位本身有較大的調節、控制與保證能力。這也是一個很重要的優點。
　　3．2　分布式能源系統的缺點
　　分布式能源系統的主要不足在于，由于它是分散供能，單機功率很小，比起大電廠單機功率有百萬千瓦以上、單廠功率近千萬千瓦而言，發電效率顯然比不上后者。現有動力設備都是機組越大，效率越高。40萬kW的、以燃氣輪機為主的聯合循環裝置效率比40kW回熱燃氣輪機的效率要高1倍。“麻雀雖小，五臟俱全”，因此大機組單位功率的售價相比小機組要低得多，相差近幾倍。大機組集中在一起，有專門高級技工運行維護，安全性、工作壽命都應該更有保證。所以，要對純發電成本和單位kW初投資作比較，分布式能源系統的經費投入肯定要大大高于現在的大電力系統。另外，分布式能源系統對當地使用單位的技術要求要比簡單使用大電網供電來得高，要有相應的技術人員與適合的文化環境。
　　
　　4　發展分布式能源的主要動因
　　
　　4．1　提高能源效率
　　分布式能源系統為能源的綜合梯級利用提供了可能。在常規的集中供電方式中，能量形式相對單一。當用戶不僅僅需要電力，還需要其他能量形式如冷能和熱能的供應時，僅通過電力來滿足上述需要時難以實現能量的綜合梯級利用。而分布式能源系統以其規模小、靈活性強等特點，通過不同循環的有機整合可以在滿足用戶需求的同時實現能量的綜合梯級利用，并且克服了冷能和熱能無法遠距離傳輸的困難，提高了能源效率，能效可達80％以上，超過燃煤火電機組一倍。
　　4．2　保護環境
　　分布式能源系統主要以熱電聯產方式(CHP)或冷熱電三聯產方式(CCHP)；同時也為可再生能源的利用開辟了新的方向，相對于化石能源而言，可再生能源能流密度較低、分散性強，而且目前的可再生能源利用系統規模小、能源利用率較低，作為集中供電手段是不現實的。分布式供電方式為可再生能源利用的發展提供了新的動力。熱電冷聯產、可再生能源等是公認的減少CO排放、實現低碳或無碳排放的能源技術，CO排放量減少50％以上，SO和固體廢棄物排放幾乎為零，NO減少80％。
　　4．3　能源資源多樣化
　　分布式能源技術能夠滿足多種能源資源的利用，減少對化石能源的需求量，從而減少對進口石油的依賴，提高能源的自供能力。
　　4．4　大電網的有益補充
　　分布式能源系統有效解決了電力峰荷問題，是大電網的有益補充。而且電力市場的開放為中小投資者開發商進入市場，參與競爭創造了條件，讓電力用戶能夠選擇供應商。
　　
　　5　分布式能源系統的發展趨勢
　　
　　5．1　分布式能源系統適用的設備與系統
　　分布式能源系統首先得有一臺動力設備。經典蒸汽動力裝置不適合用于出力較小的情況，所以一般不用。目前應用的設備主要有燃氣輪機、活塞式內燃機、燃料電池與斯特林發動機、余熱鍋爐、蒸汽透瓶、壓縮式制冷機、吸收式制冷機、蓄熱蓄冷設備以及控制系統等。燃料電池與斯特林發動機在工程應用上還處于中試階段。實際廣泛應用的還是以燃氣輪機為多，原因可能是使用分布式能源的地方都是經濟比較發達的地區，能夠承受昂貴的費用。而燃氣輪機在減振、消音、降低排放污染、重量輕、占地小等方面都有潛在的優勢。另外，它的供熱能力也比活塞式內燃機大。
　　分布式能源系統的優勢在于冷熱電聯產，所以除了動力設備外，還得有一個系統。最常規的辦法是利用廣義的內燃機的排氣余熱通過余熱鍋爐產生蒸汽供熱，同時通過吸收式制冷設備供冷。
　　5．2　分布式能源系統的主要供能方式
　　分布式能源系統的供能方式多種多樣，根據燃料不同，可分為化石能源與可再生能源；根據用戶需求不同，有電力單供方式與熱電聯產方式(CHP)，或冷熱電三聯產方式(CCHP)；根據循環方式不同，可分為燃氣輪機發電方式，蒸汽輪機發電方式或柴油機發電方式等。
　　目前世界化石能源構成中石油、煤炭所占比例逐漸下降，天然氣比例在上升，同時，新能源、可再生能源逐步發展，形成了當前的以化石燃料為主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，雖然可再生能源是取之無盡的潔凈能源，但其能源密度低，穩定性較差，需要蓄能調節，長期穩定運行困難，且由于技術不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經濟性差；而化石能源的發電技術不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分布式供電的發電技術，化石能源目前仍是國際上的主要方向。各種分布式供能(電)方式見下表。
　　①冷熱電三聯產系統——分布式供能發展的主要方向
　　當前，世界以分布式能源系統為代表的熱電冷聯產已成為發展趨勢。正如常規的發電廠可以通過熱電并供提高能源利用率一樣，分布式供能系統在用戶需要的情況下，同樣可以在生產電力的同時，提供熱能或同時滿足供熱、制冷兩方面的需求。這種先進的能源利用系統一冷熱電三聯產與簡單的供電系統相比，可以在大幅度提高系統能源利用率的同時，降低環境污染，明顯改善系統的熱經濟性。因此，三聯產技術是目前分布式供電發展的主要方向之一。
　　②以可再生能源為基礎的分布式供能方式前景
　　我國可再生能源資源豐富、量多面廣。例如，太陽能在我國2／3國土上的年輻射量超過600MJ／cm²，每年地表吸收的太陽能大約相當于17萬億噸標準煤的能量；而地熱資源的遠景儲量為1353.5億噸標準煤，探明儲量為31.6億噸標準煤。效率差、密度低、不穩定等缺陷成為以往可再生能源利用的主要障礙，很難將其與集中供電相結合。通過與分布式供電方式相結合，新型可再生能源分布式發電系統可以在能源的梯級利用的基礎上實現效率的大幅度提高；同時，分布式發電系統對能源密度的要求也遠低于集中供電方式；而且，通過與現代蓄能技術相結合，可以在很大程度上克服可再生能源不穩定的缺陷。
　　目前，對以太陽能、地熱能等為主的可再生能源的研究和利用受到世界范圍的重視。隨著對可再生能源的能量聚集、轉化、儲存和利用等方面研究的深入，無論是從環境保護的角度，還是從技術經濟、社會發展的角度來看，以可再生能源為基礎的分布式能源系統具有不可替代性，必將成為未來很有發展前景的供能手段之一。
　　
　　6　我國分布式能源的發展前景
　　
　　縱觀西方發達國家的能源產業的發展過程，可以發現能源供應系統是從分散供應，包括供電、供熱、制冷，到大規模的集中供應，如超大規模發電廠，然后又回到分布式的供應系統。造成這種現象不僅僅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供能方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，隨著社會的發展，我國能源產業也將面臨類似的問題。因此，雖然從目前能源產業的發展情況來看，集中式供能是我國能源系統發展的主要方向，但從長遠看，構造一個集中式供能與分布式供能相結合的合理能源系統，增加電網的質量和可靠性，將為我國能源產業的發展打下堅實的基礎。所以，我國近期在發展大機組、大電廠的同時，應不失時機、因地制宜地興建分布式供電設施。
　　隨著經濟建設的飛速發展，我國集中式供電電網的規模迅速膨脹。這種發展所帶來的安全性問題是不容忽視的，如紐約市、臺灣島兩次大停電已為我們敲響了警鐘。為了及時抑制這種趨勢的蔓延，只有合理地調整供電結構、有效地將分布式供電和集中式供電結合在一起，構架更加安全穩定的電力系統。
　　分布式供能系統可以借助西部天然氣資源豐富、可再生能源多種多樣的優勢，在不長的時間內，以較小的投資為代價，為西部經濟發展提供有力的支撐；對于東南沿海經濟發達地區，由于生活水平的日益提高，已經出現了類似于西方發達國家的對于能源產品需求多樣化的趨勢。與集中式供電相比，分布式供電顯現了突出的優點。
　　
　　7　結論
　　
　　分布式能源是建立在信息化、天然氣管網化和電力系統供電網絡完善化基礎上的，技術水平更高、能源利用更充分，并在環境保護、提高能源供應安全性和可靠性上具有更大意義的第二代能源系統。
　　分布式能源系統是就近設在用戶附近的較小出力的、供應二次能源的系統，尤其適用于冷、熱、電多聯產。目前分布式能源系統的主機通常用燃氣輪機，可再生能源是驅動分布式能源系統發展的新型動力之一。我國最適宜發展應用分布式能源系統的地區是天然氣資源豐富的地區和經濟發展速度較快的地區。
　　隨著人民生活水平的提高，能源消費日益增長，能源動力系統越來越向大容量、高度集中的模式發展。然而，分布式能源系統是大規模集中供電不可缺少的重要補充。它因靈活的變負荷性、低的初投資、很高的供電可靠性、很小的輸電損失和適合可再生能源等特點在世界范圍內越來越受到重