分布式能源系统的发展

[摘要]本文通过对分布式能源系统的概念、特点及其发展趋势的阐述，强调分布式能源的重要作用。指出分布式能源系统发展的主要方向之一为冷热电三联产技术，可再生能源为分布式能源的发展提供了更广阔的前景。

[关键词]分布式能源；热电冷三联产；发展

[中图分类号]TK0　[文献标识码]A　[文章编号]1005-6432(2009)10-0041-03

从20世纪70年代末开始，分布式能源系统在西方发达国家特别是美国兴起，1978年美国公共事业管理政策法公布后正式先在美国推广，然后被其他先进国家逐渐接受。而分布式能源不仅在欧美等发达国家迅速发展起来，也受到了发展中国家的广泛重视。1998年成立的国际热电联产联盟(International Cogeneration Association，ICA)，也于2002年改为国际分布式能源联盟(World Alliance forDecentralized Energy，WADE)。

1　分布式能源系统的概念

顾名思义，分布式能源系统，是相对于能源集中生产(主要代表形式是大电厂加大电网)而言的。电在已知的二次能源中最为有用，且占有绝对优势。如果没有电，就没有了绝大多数的先进生产力。一切高新技术的研发、应用都要在电力运行的基础上进行。所以，保证充足、安全、有效的电力供应是非常重要的。然而，在目前，我国只有大电厂加大电网才能够比较好地完成此任务。估计这种状态在较长一段时间内不会改变。

分布式能源与上述比较集中的大电厂加大电网正好相反，它是把二次能源供能点分散到很多企业、社区、大厦、医院、学校、写字楼，甚至到个别家庭住宅中去。由于分散，所以每个系统的出力都不会太大，需根据用户的具体要求而定，一般在成百上千kW以下。如上所述，电是最主要的二次能源，所以目前通称的分布式能源系统都至少有电力输出；而只出热、出冷的简单小型供能系统，如仅供热的小锅炉装置、仅供冷的独立空调设备，是极少有人称之为分布式能源系统的。但是，绝大多数的分布式能源系统，是除了供电之外，还同时供热及／或供冷，是多联产系统。当然，也许还可能是多功能系统(意指除多联产输出外，输入的能源也是多种的，例如可以同时有化石能源与可再生能源输入)。

2　分布式能源系统的特点

一是设备的小型化和微型化；

二是燃料结构的多元化，可以是燃气输配管网的天然气、人工煤气、煤层气、生物沼气，也可以是太阳能、地热、风能、水能和核能等；

三是能源供应形式的多目标化，如供电、供热、供冷、供气和供热水等；

四是网络化，分散就近供应；

五是智能化控制和信息化管理，在互联网和智能计算机的优化运行调度下，进一步与智能化家用电器协同优化，实现一定范围的优化调度，以及利用低谷燃气资源和低谷电力资源为用户蓄能、储能，实现燃气、电力、供暖、制冷、热水的供需平衡，优化组合；

六是高效、清洁、环境污染小。

3　分布式能源系统的优劣势分析

由于大电厂加大电网将会长期存在，因此有必要将其与分布式能源系统作一比较；而对分布式能源系统优缺点的分析，可以帮助我们更好地理解集中与分散式能源系统各自的优劣势和适用范围。

3．1　分布式能源系统的优点

分布式能源系统的最主要的优点是应用在冷热电联产中。联产符合吴仲华先生提出的总能系统的“温度对口、梯级利用”的准则，我们知道，已商业化的、可大规模实现能源转换的技术中，热电联产效率是最高的，可达60％～80％，如采用冷热电系统，则其效率可达90％，因此冷热电联产会得到很好的能源利用率，具有很大的发展前景。但是热，尤其是冷，不像电能那样可以较长距离有效地输送。另外大电厂选址有其自身的特殊要求，一般来说，其厂址都选在远离城市的郊区，附近的冷热负荷较小，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，且负荷的适应性很强。

没有或很低输配电损耗；无须建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。

为了保证使用单位的各种二次能源能够充分供应，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。这也是一个很重要的优点。

3．2　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。现有动力设备都是机组越大，效率越高。40万kW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kW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来得高，要有相应的技术人员与适合的文化环境。

4　发展分布式能源的主要动因

4．1　提高能源效率

分布式能源系统为能源的综合梯级利用提供了可能。在常规的集中供电方式中，能量形式相对单一。当用户不仅仅需要电力，还需要其他能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用。而分布式能源系统以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难，提高了能源效率，能效可达80％以上，超过燃煤火电机组一倍。

4．2　保护环境

分布式能源系统主要以热电联产方式(CHP)或冷热电三联产方式(CCHP)；同时也为可再生能源的利用开辟了新的方向，相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散性强，而且目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，作为集中供电手段是不现实的。分布式供电方式为可再生能源利用的发展提供了新的动力。热电冷联产、可再生能源等是公认的减少CO₂排放、实现低碳或无碳排放的能源技术，CO₂排放量减少50％以上，SO₂和固体废弃物排放几乎为零，NO_x减少80％。

4．3　能源资源多样化

分布式能源技术能够满足多种能源资源的利用，减少

对化石能源的需求量，从而减少对进口石油的依赖，提高能源的自供能力。

4．4　大电网的有益补充

分布式能源系统有效解决了电力峰荷问题，是大电网的有益补充。而且电力市场的开放为中小投资者开发商进入市场，参与竞争创造了条件，让电力用户能够选择供应商。

5　分布式能源系统的发展趋势

5．1　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。目前应用的设备主要有燃气轮机、活塞式内燃机、燃料电池与斯特林发动机、余热锅炉、蒸汽透瓶、压缩式制冷机、吸收式制冷机、蓄热蓄冷设备以及控制系统等。燃料电池与斯特林发动机在工程应用上还处于中试阶段。实际广泛应用的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、消音、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。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。

5．2　分布式能源系统的主要供能方式

分布式能源系统的供能方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式(CHP)，或冷热电三联产方式(CCHP)；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式等。

目前世界化石能源构成中石油、煤炭所占比例逐渐下降，天然气比例在上升，同时，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，虽然可再生能源是取之无尽的洁净能源，但其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，可再生能源一次投资较大，经济性差；而化石能源的发电技术不仅更加成熟，而且效率更高。因此，作为分布式供电的发电技术，化石能源目前仍是国际上的主要方向。各种分布式供能(电)方式见下表。

①冷热电三联产系统——分布式供能发展的主要方向

当前，世界以分布式能源系统为代表的热电冷联产已成为发展趋势。正如常规的发电厂可以通过热电并供提高能源利用率一样，分布式供能系统在用户需要的情况下，同样可以在生产电力的同时，提供热能或同时满足供热、制冷两方面的需求。这种先进的能源利用系统一冷热电三联产与简单的供电系统相比，可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性。因此，三联产技术是目前分布式供电发展的主要方向之一。

②以可再生能源为基础的分布式供能方式前景

我国可再生能源资源丰富、量多面广。例如，太阳能在我国2／3国土上的年辐射量超过600MJ／cm²，每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量；而地热资源的远景储量为1353.5亿吨标准煤，探明储量为31.6亿吨标准煤。效率差、密度低、不稳定等缺陷成为以往可再生能源利用的主要障碍，很难将其与集中供电相结合。通过与分布式供电方式相结合，新型可再生能源分布式发电系统可以在能源的梯级利用的基础上实现效率的大幅度提高；同时，分布式发电系统对能源密度的要求也远低于集中供电方式；而且，通过与现代蓄能技术相结合，可以在很大程度上克服可再生能源不稳定的缺陷。

目前，对以太阳能、地热能等为主的可再生能源的研究和利用受到世界范围的重视。随着对可再生能源的能量聚集、转化、储存和利用等方面研究的深入，无论是从环境保护的角度，还是从技术经济、社会发展的角度来看，以可再生能源为基础的分布式能源系统具有不可替代性，必将成为未来很有发展前景的供能手段之一。

6　我国分布式能源的发展前景

纵观西方发达国家的能源产业的发展过程，可以发现能源供应系统是从分散供应，包括供电、供热、制冷，到大规模的集中供应，如超大规模发电厂，然后又回到分布式的供应系统。造成这种现象不仅仅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，随着社会的发展，我国能源产业也将面临类似的问题。因此，虽然从目前能源产业的发展情况来看，集中式供能是我国能源系统发展的主要方向，但从长远看，构造一个集中式供能与分布式供能相结合的合理能源系统，增加电网的质量和可靠性，将为我国能源产业的发展打下坚实的基础。所以，我国近期在发展大机组、大电厂的同时，应不失时机、因地制宜地兴建分布式供电设施。

随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题是不容忽视的，如纽约市、台湾岛两次大停电已为我们敲响了警钟。为了及时抑制这种趋势的蔓延，只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式供电结合在一起，构架更加安全稳定的电力系统。

分布式供能系统可以借助西部天然气资源丰富、可再生能源多种多样的优势，在不长的时间内，以较小的投资为代价，为西部经济发展提供有力的支撑；对于东南沿海经济发达地区，由于生活水平的日益提高，已经出现了类似于西方发达国家的对于能源产品需求多样化的趋势。与集中式供电相比，分布式供电显现了突出的优点。

7　结论

分布式能源是建立在信息化、天然气管网化和电力系统供电网络完善化基础上的，技术水平更高、能源利用更充分，并在环境保护、提高能源供应安全性和可靠性上具有更大意义的第二代能源系统。

分布式能源系统是就近设在用户附近的较小出力的、供应二次能源的系统，尤其适用于冷、热、电多联产。目前分布式能源系统的主机通常用燃气轮机，可再生能源是驱动分布式能源系统发展的新型动力之一。我国最适宜发展应用分布式能源系统的地区是天然气资源丰富的地区和经济发展速度较快的地区。

随着人民生活水平的提高，能源消费日益增长，能源动力系统越来越向大容量、高度集中的模式发展。然而，分布式能源系统是大规模集中供电不可缺少的重要补充。它因灵活的变负荷性、低的初投资、很高的供电可靠性、很小的输电损失和适合可再生能源等特点在世界范围内越来越受到重视。

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