分散式能源系統

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分散式能源系統(Distributed Energy System)

目錄

什麼是分散式能源系統[1]

  分散式能源系統是相對傳統的集中式供能的能源系統而言的,傳統的集中式供能系統採用大容量設備、集中生產,然後通過專門的輸送設施(大電網、大熱網等)將各種能量輸送給較大範圍內的眾多用戶;而分散式能源系統則是直接面向用戶,按用戶的需求就地生產並供應能量,具有多種功能,可滿足多重目標的中、小型能量轉換利用系統。

分散式能源系統的特征[1]

  作為新一代供能模式,分散式能源系統是集中式供能系統的有力補充。它有以下四個主要特征:

  ①作為服務於當地的能量供應中心,它直接面向當地用戶的需求,佈置在用戶的附近,可以簡化系統提供用戶能量的輸送環節,進而減少能量輸送過程的能量損失與輸送成本,同時增加用戶能量供應的安全性。

  ②由於它不採用大規模、遠距離輸出能量的模式,而主要針對局部用戶的能量需求,系統的規模將受用戶需求的制約,相對目前傳統的集中式供能系統而言均為中、小容量。

  ③隨著經濟技術的發展,特別是可再生能源的積極推廣應用,用戶的能量需求開始多元化;同時伴隨不同能源技術的發展和成熟,可供選擇的技術也日益增多。分散式能源系統作為一種開放性的能源系統,開始呈現出多功能的趨勢,既包含多種能源輸入,又可同時滿足用戶的多種能量需求。

  ④人們的觀念在不斷轉變,對能源系統不斷提出新的要求(高效、可靠、經濟、環保、可持續性發展等),新型的分散式能源系統通過選用合適的技術,經過系統優化和整合,可以更好地同時滿足這些要求,實現多個功能目標。

分散式能源系統的優缺點[2]

  1.分散式能源系統的優點

  分散式能源系統的最主要優點是用在冷熱電聯產中。聯產符合總能系統的“梯級利用”的準則,會得到很好的能源利用率,具有很大的發展前景。大型(熱)電廠雖然電可遠距離輸送,但需建設電網、變電站和配電站並有輸電損耗,而對於熱,尤其是冷,就不像電能那樣可以較長距離有效地輸送。所以,除非事先特殊設計、安排好,否則,難以達到輸送冷、熱能的目的。因為大電廠選址有其自身的要求,一般來說,附近難以有足夠大量的、合適的冷、熱能用戶,無法進行有效的聯產。分散式能源系統卻正好相反,按需就近設置,可以儘可能與用戶配合好,也沒有遠距離輸送冷、熱能的問題,大電網的輸電損失問題也不存在了。所以,雖然分散式能源系統純動力裝置本身效率低、價錢貴,但可以充分發揮其聯產的優點,體現出它的優越之處。

  分散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,保證使用單位的各種二次能源能夠充分供應,非常適合對發展中區域及商業區和居民區、鄉村、牧區及山區提供電力、供熱及供冷,大量減少環保壓力。總之,分散式能源系統可滿足特殊場合的需求,為能源的綜合梯級利用提供了可能,為可再生能源的利用開闢了新的方向,並可為提高能源利用率、改善安全性與解決環境污染方面做出突出貢獻。這也是一個很重要的優點。

  2.分散式能源系統的缺點

  分散式能源系統的主要不足在於,由於它是分散供能,單機功率很小,比起最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後者。這是因為現有動力設備都是機組越大,效率越高。40萬千瓦的、以燃氣輪機為主的聯合迴圈裝置效率比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千瓦初投資作比較,分散式能源系統的經費投入肯定要大大高於現在的大電力系統。另外,分散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高,要有相應的技術人員與適合的文化環境。

分散式能源系統的適用[2]

  1.分散式能源系統適用的設備與系統

  分散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於出力較小的情況,所以一般不用。現在文獻上提到的有燃氣輪機、活塞式內燃機、燃料電池與斯特林發動機等。其中燃料電池與斯特林發動機在工程應用上嚴格說都還不夠成熟,未達到廣泛商業實用的程度,只可作為示範中試裝置。燃料電池適合用於小機組,且變工況性能也好。但比較成熟的技術對燃料要求較高,正在研製中的高溫燃料電池則要與熱機聯合才能獲得較高效率。目前,實際廣泛應用的是廣義的內燃機——葉輪機械式(燃氣輪機)與活塞式的,尤其是回熱燃氣輪機。應該說,燃氣輪機與活塞式內燃機相比,前者較適宜於功率較大的情況,後者則正相反。在適用於分散式能源系統的功率範圍內,目前兩者能達到的發電效率均在30%以上。從價格上來看,活塞式內燃機造價會便宜一些。但實際應用還是以燃氣輪機為多,原因可能是使用分散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、消聲、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。

  分散式能源系統的優勢在於冷熱電聯產,所以除了動力設備外,還得有一個系統。例如,最常規的辦法是利用廣義的內燃機的排氣餘熱通過餘熱鍋爐產生蒸汽供熱,同時通過吸收式製冷設備供冷。通常是簡單或回熱迴圈燃氣輪機的冷熱電聯產。但要保證聯產系統能滿足很大範圍變工況下的任意冷、熱、電輸出需求(這是聯產系統的關鍵科技課題之一),上述系統是難以做到的。這時可用程迴圈(回註蒸汽迴圈,有時也稱STIG迴圈)加上補燃,就可以使熱電聯產系統能夠在電為設計點的5/3到0、熱為設計點的近3倍到0的任意熱、電數值的匹配要求下,高效安全運行。對冷、熱、電聯產的情況,為達到廣闊範圍的冷、熱、電輸出,上述程迴圈加補燃在原則上也是合適的,但可用範圍的具體數字尚待研究。

  2.適合用分散式能源系統的地區

  由於分散式能源系統的初投資大,要用好燃料;同時要有比較穩定的冷、熱、電用戶,主要是第三產業和住宅用戶;要求具有環保性能較好的特點等等,所以,它在我國比較適合應用的地區顯然是經濟比較發達的地區。從地域分佈來說,主要是珠江三角洲、長江三角洲、環渤海地區等等。這些地方是我國現在經濟高速發展的黃金寶地,也是應該“先環保起來”的地區,而且經濟上也確是有可能適宜使用分散式能源系統的地方。另外,分散式能源系統既然是“分佈”,也就是說與大電廠、大電網不一樣,不是由一小批經驗豐富的技術人員集中運行管理,而是分散式運行管理,這就要求使用區域的總體科技文化水平和素養較高。

分散式能源系統的種類[3]

  一、太陽能發電

  1.太陽光伏發電

  太陽光伏發電是一種利用固體(半導體)的光生伏打效應,把光能直接變為電能的發電方式。太陽光伏發電系統由太陽電池板、蓄電池和控制器三部分組成。隨著太陽能電池成本的不斷降低(到2020年,預測造價約為每千瓦4000美元),太陽光伏發電將呈現出良好的發展前景。

  2.太陽能-蒸汽迴圈發電

  太陽能-蒸汽迴圈發電有兩種形式:一是由太陽能加熱低沸點工質或液態金屬,產生蒸汽,形成蒸汽動力迴圈的直接太陽能熱動力發電。發電系統如圖1所示。
Image:太阳能热动力发电系统.jpg

  該發電系統由集熱器、蓄熱器和汽輪發電機組所組成。太陽輻射能被定日鏡反射後被集熱器(鍋爐)所吸收。集熱器中傳熱介質(水或有機介質、金屬鈉)吸熱而汽化,蒸汽進入汽輪機組作功發電並將電能輸入電網。為保證電站工作穩定,還需設有蓄熱器,以供陰雲蔽日或陽光不足的傍晚使用。

  目前這類太陽能熱動力發電系統的總效率可達15%-20%,最高工作溫度500℃(水,有機介質)或1000℃(液態鈉)。

  另一種太陽能一蒸汽迴圈發電系統是太陽能+燃氣一蒸汽聯合迴圈發電,其系統圖如圖2所示。這種複合迴圈能比較好地利用太陽能,又可以保證系統連續穩定運行。發電規模較大,是一種有前途的實用型分散式能源系統。
Image:太阳能+燃气-蒸汽复合循环.jpg

  二、燃料電池和微型燃氣輪機複合系統

  系統的原理性結構圖如圖3所示。
Image:燃料电池-燃气轮机复合系统.jpg

  燃氣輪機作為能源利用的前置級,其排氣用來加熱進入燃料電池的空氣和燃料。燃料電池是固體氧化物,工作溫度700-1000℃,用天然氣或甲烷作燃料。

  該燃料電池和微型燃氣輪機複合供電系統具有下列優點:可以在無電力供應的地區使用;系統可保持自穩定運行;啟動方便、快捷;SO2NO2的排放量很少,是一種很有發展前景的分散式能源系統。

  三、地熱發電

  地熱發電是高溫地熱利用最重要的方式。根據地熱流體的熱量參數和性狀,可以有兩種不同的發電形式。

  1.蒸汽型地熱發電

  蒸汽型地熱發電站是把高溫地熱蒸汽田中的乾蒸汽直接引入汽輪發電機組發電。在引入之前,先要把地熱蒸汽中的水滴、砂粒與岩屑分離和清除乾凈。

  近年來,另一類也是未來地熱能的主體——乾熱岩發電正在試驗之中。在這類地熱電站中,人為地將水灌入地下深層的高溫熱岩層中加熱蒸發,再將產生的蒸汽引向地面的蒸汽輪機組。由於深層地熱開采的技術難度很大,這種發電方式近期內還無法進入實用階段,但前景很好。

  2.熱水型地熱發電

  熱水型地熱發電是當前地熱發電的主要方式。目前已採用的迴圈有兩種,它們是:

  (1)閃蒸地熱發電系統,如圖4所示。
Image:闪蒸地热发电系统.jpg

  高壓熱水從地熱井中抽至地面閃蒸鍋爐內,由於壓力突然降低,熱水會發生沸騰,閃蒸出蒸汽。蒸汽進入汽輪發電機組作功發電。閃蒸後剩下的熱水以及汽輪機中的凝結水可以供給其他熱用戶利用。利用後的熱水再回灌到地層內。這種系統適合於地熱水質較好且不凝氣體含量較少的地熱資源。

  (2)雙迴圈地熱發電系統

  雙迴圈地熱發電系統如圖5所示。
Image:双循环地热发电系统.jpg

  地熱水經換熱器(鍋爐),加熱低沸點的工作介質(如氟里昂),使之產生蒸汽,蒸汽進入汽輪發電機組作功發電,凝結水再回到換熱器迴圈使用。經過換熱器的地熱水再迴流到地層。這種系統適合於含鹽量大,腐蝕性強和不凝氣體含量較高的地熱資源。

  我國的地熱資源主要集中在西藏、雲南、福建等省。

  四、生物質能

  生物質是指由植物光合作用而產生的有機物質。光合作用將太陽能轉換為化學能而存儲於生物質中。所以生物質能實際上是物質所具有的化學能。據測算,地球上每年由光合作用而生成的生物質能達到3×1021J,它在分散式能源中占有重要的份額。

  生物質能的利用與轉換,除了效率較低的直接燃燒提供熱能以外,主要是通過生物轉換(微生物發酵)和化學轉換(熱解與氣化)將生物質變成液體燃料(甲醇、乙醇)、氣體燃料(甲烷)或固體燃料(焦炭)。醇類液體燃料和甲烷氣既可以作為發電廠的燃料,又可以作為燃料電池的燃料,從而實現生物質能的動力利用。由於生物質能量多面廣且各地都存在,所以生物質能的開發利用對分散式能源系統的發展有重大意義。

  五、風力發電

  風是太陽輻射引起的大氣對流運動。地球上可利用的風能為2×107MW,特別是在臨海地區和內陸山口地區,風力資源十分集中。

  發電是風能利用的主要形式。風力發電機既可單獨供電,也可與其他發電方式(如柴油機發電、微型燃氣輪機等)複合,向一個單位或一個地區供電,或者將電力併入常規電網運行。我國西部地區風力資源豐富,例如新疆達阪城已建成我國最大的風力發電站,裝機容量為3300kW,是地區性分散式能源系統的重要組成之一,將在我國西部大開發中發揮重要作用。

  總的說來,以可再生能源為主體且靈活多樣化的分散式能源系統是本世紀正在大力發展的能源優化供應模式。各種新的分散式能源系統正在不斷地推出,且隨著科學技術的進步和高性能新材料的研製,分散式能源在社會能源結構中將占有愈來愈大的比重,將對社會發展產生舉足輕重的影響。

分散式能源系統存在的問題[4]

  在我國,分散式能源系統的應用還存在一些不足之處:

  (1)負荷分析不夠全面、準確、細緻。對分散式能源系統的設計,負荷分析是非常必要的,如果對建築的負荷統計或估算不夠細緻,就會對運行產生相當大的影響。例如,北京次渠項目中,燃機發電量80kW,餘熱直燃機功率2O萬kcal,設計電負荷為320kW,供熱、供冷面積為2800m2,但實際電負荷只有不足30kW,微燃機只能處於低出力工況,導致燃機發電效率很低,整個系統的電熱比很低,最終導致了一次能源的利用效率降低,失去了分散式能源系統的最初設計意義。所以在今後的分散式能源系統設計工作中,負荷分析工作務必要做到細緻、準確。

  (2)對於過渡季節,分散式能源系統利用不充分。對於分散式能源站,冷熱負荷一般是通過利用燃機的餘熱獲得,由於夏季和冬季具有穩定的冷、熱負荷,餘熱需求量較大,動力設備可以保持比較穩定的運行狀態,而在春季和秋季,無較大的冷熱負荷需求,可能就會使整個系統處於低效運行狀態或停運狀態,降低了系統的效率和使用率。

  (3)缺乏權威的評價標準。分散式能源系統是一個多能量產品輸出的複雜系統,所以如何對系統進行整體評價成為研究的重點和難點。由於冷熱電是不同的產品,很難直接進行定量比較,目前的評價準則主要有火雨效率、節能率、摺合發電效率等幾種,但這些評價方法本質上都是對冷熱電根據不同的標準分別進行評價。根據分散式能源系統的能量梯級利用特點建立系統評價標準對分散式能源系統的研究將具有非常重要的意義。

  (4)需要進一步加強天然氣的價格穩定機制。由於分散式能源系統燃燒的是高品質的清潔能源,其運行成本受燃料價格的影響特別大,儘管一個熱力匹配完好的冷熱電三聯供系統其經濟性也並不一定好。所以穩定的價格機制也是影響分散式能源站推廣的一個主要因素。

  (5)分散式能源站的並網、電價問題。目前,國家在財稅和金融等方面還未出台相關的扶持政策,如電價補貼、接入系統投資、節能獎勵等方面給予優惠政策,而且尚未制定和完善行業技術標準以及並網運行管理體系。如歐盟要求成員國支持分散式能源系統發展,在電網系統和稅率上支持分散式能源系統,儘可能為高效小型分散式能源系統機組並網提供方便。歐洲委員會已經批准了強制購買熱電聯供和可再生能源發電的政策。所以,分散式能源站的大力推廣,還需要政府在這方面加大對分散式能源的扶持力度。

分散式能源系統發展的爭論和思考[5]

  1.關於分散式能源的爭論

  關於分散式能源的爭論大多圍繞並網、能效、供電質量、容量儲備、燃料供應等問題。但這些爭論主要集中並停留在技術層面,而忽略了以下五個重要的問題:

  (1)分散式能源可以為國家節約大量的發電和輸配電投資。舉個簡單的例子,以8%~10%的輸電線損計算,我國每年輸電線損達三個三峽水電站全年的發電量。建在用戶端的分散式能源系統由於不需要通過電網供能,因此可以避免輸電線損和節約大量的輸配電投資。如考慮建設電廠的費用,節約的資金將更為驚人。另外,分散式能源系統的投資出自用戶,而電廠和輸配電投資出自國家。能節約線損和國家投資的事何樂而不為。

  (2)市場經濟原則下的自由選擇權利。能源安全有兩層含義,國家能源安全和用戶能源安全。國家能源安全體系應是對最終用戶能源安全的保障。美國紐約再次大面積停電的事實,進一步說明瞭集中供電系統的脆弱和對用戶能源安全保障的不完整性。分散式能源系統實際上是對單一的集中供能系統的補充,它可以使用戶更有效的計劃能源消費和避免電網停電給自己帶來的經濟損失。在電網有供電的社會職責卻無斷電賠償責任的條件下,用戶自由選擇供能方式應是用戶在市場經濟原則下的基本權利。

  (3)分散式能源是國家電網的一種有益補充。從國家角度看,分散式能源系統的全面發展,與電力部門沒有根本的利益衝突,而且在很大程度上可以減輕發電和輸配電部門的壓力,應視為集中供能的一種有益補充,特別是在電網無力覆蓋的邊遠地區和其他公用事業領域。這一點在絕大多數國家都已得到了充分的驗證。

  (4)對能源需求側的管理。通過能源需求側管理來優化電力需求結構,減少電力系統各個環節的浪費,也是能源優化的一個重要步驟。在市場經濟條件下,需求側的電力使用結構越趨向合理,波動範圍越小,需求越持續穩定,供電側的發電效率就越高,設備使用率自然相應增加,而輸配電側同樣提高效率,這種優化的最終結果就是優化各方的經濟效益,達到共贏。

  (5)城市能源管理。中國經濟已經進入了一個快速發展的時期,能源需求日益增長,供應瓶頸將成為一個長期的問題,城市必須學會管理自己的能源,因為這是保障城市發戶展的關鍵環節,是對城市管理者素質的基本要求。

  從分散式能源的發展歷程來看,各國的電力部門最初也對分散式能源冷眼相看,百般阻撓,不屑一顧。但隨著市場的發展,各國政府不斷推出針對分散式能源的鼓勵和支持措施,電力部門對分散式能源的態度也發生了根本的轉變。

  2.發展和應用前景

  在我國,以燃氣作為能源的分散式能源系統的發電量所占比例較小,預計到2020年,也不會超過總發電量的8%,這隻是一種非主流的發電方式,是對主要發電系統的補充。

  雖然在相當長的時間內,分散式供電系統還難以成為我國主要供電、供熱形式,但可以預見,隨著我國經濟社會快速發展,城鎮化的迅速推進和作為城鎮主體形態的城市群空間格局的形成,以及人民生活水平的提高,建設資源節約型和環境友好型社會的思想深入人心和全面落實,分散式供電系統將會在以下地區發展。

  (1)北京、上海、廣州、武漢等特大城市。

  (2)沿海有天然氣供應的大城市。

  (3)內地有天然氣供應的大城市群。

分散式能源系統與其他供電系統的關係[5]

  我國的供電系統從規模上分為集中輸電網路系統、配電網路系統和分散式能源系統三類。

  1.集中輸電網路系統

  這是國家級和省級電力部門所經營的供電系統,在靠近煤碳產地或交通方便地點建大型燃煤凝汽式電廠(單機容量一般大於300MW),用高壓(220kV以上)電網連接成區域大網,向用戶集中調配供電,其發展方向是大容量、超臨界、高電壓、大網路。

  2.配電網路系統

  這是地方級電力部門所經營的配電系統,用高壓(1100kV以下)電網連接成地方配電網,向用戶配送電力。

  3.分散式能源系統

  這是相對於集中供電網路系統而言的一種分散佈置的小型供電熱冷站,由用戶所經營。分散式能源系統靠近負荷(電、熱、冷),採用較小型的能源機組向所在小區域聯供熱電冷。所採用的機組一般是以天然氣為主要燃料(燃油為備用燃料)。其單台機組的發電量範圍廣(可從3~180MW),由於分散式能源系統可熱電冷聯供,燃料得到梯級利用,其熱效可達70%~85%,電損耗低(2%~3%)。分散式能源系統是一種以燃氣作為能源,將製冷、供熱(採暖和供熱水)及發電過程一體化的多聯產系統,通常由發電機組、溴化鋰吸收式冷(熱)水機組和換熱設備組成,即將高品位熱能用於發電,發電機排放的低品位能源(煙氣餘熱、熱水餘熱)用於供熱或製冷,實現能源的梯級利用,目的在於提高能源利用效率,減少碳化物及有害氣體的排放。

  4.幾種供電系統的關係

  在我國,三種供電系統都是電源系統中不可缺少的,前兩種擔負大區域電網的主要供電、配電和調峰作用。分散式擔負所在小區域的部分供電(及熱冷)的責任,以燃油或天然氣為燃料的分散式系統由於啟停方便,還可用於調峰。對於一個完整的理想的區域電網,應當是集中式與分散式各占一定比例,互為備用,各司其職,互為補充。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 金紅光,林汝謀著.第七章 分散式能源系統 能的綜合梯級利用與燃氣輪機總能系統.科學出版社,2008.7.
  2. 2.0 2.1 丁守寶主編.第六章 系統節能技術 中小型鍋爐節能環保新技術.化學工業出版社,2009.08.
  3. 施明恆,李鶴立,王素美編著.第十六章 熱能的合理利用 工程熱力學.東南大學出版社,2003年09月.
  4. 馬悅,董舟.分散式能源系統的研究及配置方案分析[J].節能,2011,(第4期).
  5. 5.0 5.1 楊旭中,郭曉克,康慧編著.第十三章 分散式能源系統 熱電聯產規劃設計手冊.中國電力出版社,2009.06.
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