分布式能源定義及其特征

徐建中，鄧建玲

(1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100044;2.中國華電集團公司，北京 100011)

0 引言

現(xiàn)代化的發(fā)展離不開電力建設(shè)，電力已經(jīng)成為人類生產(chǎn)、生活中最方便的動力來源。我國是一個電力大國，2010年的總發(fā)電量已超過美國，2012年的總裝機容量已與美國持平。由于我國一次能源主要分布于西北部地區(qū)，而用電區(qū)域在東南沿海，造成全國性西電東送、北電南送的局面，因此，我國智能電網(wǎng)發(fā)展以堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，大力推進電網(wǎng)智能化建設(shè)。但不論電網(wǎng)多么強大，電網(wǎng)的事故概率還是存在的，美國的電網(wǎng)發(fā)生過多次大面積停電事故，我國南方在冰雪災(zāi)害發(fā)生時也曾發(fā)生過倒塔和停電事故。2012年，國務(wù)院通過的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出，要加快能源生產(chǎn)和利用方式變革，強化節(jié)能優(yōu)先戰(zhàn)略，全面提高能源開發(fā)轉(zhuǎn)化和利用效率，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系。分布式能源發(fā)展是保證電網(wǎng)安全備用、提高電網(wǎng)能源利用效率、減少環(huán)境污染、提高負荷調(diào)節(jié)速率的重要保證。

1 分布式能源定義

所謂分布式能源，世界各種研究組織或機構(gòu)從不同的角度和方向給出了不同的理解和定義，主要指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，一次能源以氣體或液體燃料為主、以可再生能源為輔的多能源輸入，二次能源以直供用戶端的電力、熱(冷)力、干燥、海水淡化、燃料提質(zhì)等多能輸出，實現(xiàn)以直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用。由于系統(tǒng)采用了溫度對口、梯級利用的原則，在系統(tǒng)效率方面，年均綜合效率可達70%以上;在能源的安全性和可靠性方面，由于靠近用戶端，提高了系統(tǒng)的整體安全性，甚至可保證電網(wǎng)事故情況下重要區(qū)域的能源供應(yīng);在環(huán)境保護方面，通過系統(tǒng)效率的提高、可再生能源的部分利用和污染物的資源化處理等，實現(xiàn)了最低值排放的環(huán)保目標。表1給出了分布式能源的不同定義。

表1 分布式能源的不同定義

對于分布式能源的理解，上述定義均具有代表性和權(quán)威性，也從不同方面表達了分布式能源的真實含義。除此以外，國內(nèi)還有不少學(xué)者和專家發(fā)表過不同的分布式能源定義。上述定義中以國家能源局的描述最為簡潔，在此基礎(chǔ)上推薦的定義如下:靠近用戶側(cè)，由不同模塊化設(shè)備組成的提供多種形式能源的供應(yīng)系統(tǒng)。

2 分布式能源站的主要特征

基于各國內(nèi)專家、學(xué)者對分布式能源的相關(guān)描述，可將分布式能源站的主要特征歸納為3個方面:分布式能源站與電網(wǎng)的關(guān)系;分布式能源站與冷、熱用戶的關(guān)系;能源站的自身特征。

2.1 靈活的并網(wǎng)或離網(wǎng)運行模式

分布式能源是一種建在用戶端的能源供應(yīng)形式，分布式能源站是以資源、環(huán)境效益最大化為目標而確定方式和容量的系統(tǒng)，將用戶的多種能源需求和環(huán)境資源進行配置，采用需求應(yīng)對式的設(shè)計和模塊化的配置，獨立地輸出電、熱、冷等能量的供應(yīng)系統(tǒng)。單臺、套機組的容量可分為兆瓦級、千瓦級和百瓦級，因而發(fā)電機輸出電壓等級相對較低。當用戶端沒有電網(wǎng)時(如沒有電網(wǎng)的海島)，系統(tǒng)可自組成微網(wǎng)，以提供穩(wěn)定的電力供應(yīng);當用戶端有電網(wǎng)時(如負荷集中區(qū)或電網(wǎng)末梢)，分布式能源站可以獨立運行，電網(wǎng)的電量可作為備用電源;分布式能源站也可以直接并網(wǎng)運行。根據(jù)現(xiàn)有的電網(wǎng)控制和保護技術(shù)，對于上述3種情況，都可以采取充分的技術(shù)措施，保證微電網(wǎng)的安全、可靠和獨立運行，保證并網(wǎng)條件下分布式能源站系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的相互安全，當分布式能源站和電網(wǎng)各自發(fā)生故障時，都可以彼此安全切除和脫離，保證自身和對方的安全。

2.2 減少輸配電等投資和能量傳輸損失

分布式能源系統(tǒng)是一種新型能源系統(tǒng)，由于靠近用戶，因而減少了輸、配電系統(tǒng)的投資，分布式能源站的規(guī)模一般都不大，因而輸出電壓等級不高，適合于接入中、低壓端口，直接完成電能的使用，減少了電網(wǎng)的升壓、傳輸和降壓的過程，減小了電網(wǎng)能量的傳輸損失。伴隨熱電聯(lián)產(chǎn)的冷、熱量直接面向用戶，按照用戶需求就近供冷、供熱和供生活熱水等，在熱力傳輸過程中，無論是輸送母管，還是用戶側(cè)的樓宇建筑中，都可以用1套系統(tǒng)完成夏季制冷和冬季供熱，這也間接減少了設(shè)備投資，因此，分布式能源站是更高效、更可靠的能源系統(tǒng)。

2.3 從生產(chǎn)到應(yīng)用的持續(xù)平衡特征

國內(nèi)有一種將分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為能源站的說法，實際上，簡單的太陽能光伏系統(tǒng)不可能作為一個能源站存在，因為單一的太陽能光伏系統(tǒng)難以完成24 h的連續(xù)供電，電能的品質(zhì)也存在問題，一個獨立的供能系統(tǒng)要成為分布式能源站，該系統(tǒng)必須具有連續(xù)提供電力和其他能量的特征。安裝在用戶端以氣體燃料為主、以可再生能源為輔的高效冷、熱電聯(lián)供系統(tǒng)，它能夠連續(xù)提供電力，發(fā)電后產(chǎn)生的余熱及轉(zhuǎn)換后的制冷等能源產(chǎn)品直接和用戶相連，實現(xiàn)同步的生產(chǎn)和使用。從一次能源和可再生能源的輸入，到能源的轉(zhuǎn)換、二次能源的同步應(yīng)用，其過程必須滿足生產(chǎn)和應(yīng)用的持續(xù)平衡條件。

2.4 為重要用戶提供能源備用

分布式能源站可以建在負荷中心區(qū)域，可以建在電網(wǎng)的末梢端，也可以建在無電源的海島。這些區(qū)域的重要電源用戶一般不能出現(xiàn)大面積和長時間停電，當發(fā)生冰災(zāi)或地震等自然災(zāi)害時，如果出現(xiàn)輸電線路倒塔，則會發(fā)生大面積停電，造成不可估量的經(jīng)濟損失，更嚴重的是還會造成通信、醫(yī)療救助等重大安全事故。由于分布式能源站多采用燃氣機組，啟動速度快，常規(guī)火電機組的負荷率為2%～3%，調(diào)峰機組的正常負荷率也只有5%，而燃氣機組的負荷率能達到10%，因此，如果事故區(qū)域有分布式能源站，則可能在最短時期內(nèi)不依靠大電網(wǎng)，直接啟動供電和供冷、熱能量，保護最重要的用電戶，在第一時間提供生命安全、通信安全等重要用戶的急需。

2.5 立足本地條件采用多能源輸入形式

分布式能源站采用何種燃料，宜根據(jù)當?shù)貤l件進行選擇，天然氣是選擇之一。歐洲地區(qū)和美國境內(nèi)遍布天然氣干網(wǎng)和分支管網(wǎng)。隨著我國的天然氣管網(wǎng)氣源的普及，天然氣的應(yīng)用也越來越廣泛。其他如煤層氣、生物質(zhì)燃氣等都可利用，燃氣機組聯(lián)供系統(tǒng)是分布式能源站的主要形式。柴油也是可用的燃料之一，以柴油供能的分布式能源站在沒有天然氣資源的邊疆、海島等地區(qū)得到了應(yīng)用。除了一次能源外，可再生能源也是最好的補充，應(yīng)立足本地條件，選擇合適的可再生能源。工業(yè)園區(qū)和商業(yè)集中區(qū)除了采用屋頂形式的太陽能光伏發(fā)電外，還可以采用現(xiàn)場就近其他工業(yè)廢氣、廢熱以及多余壓差等綜合利用。而邊遠地區(qū)和海島地區(qū)可選擇光伏、小水電、風電、海洋能、地熱能、生物質(zhì)燃料等補充發(fā)電。可再生能源的補充供能形式，提高了系統(tǒng)綜合利用效率，達到環(huán)保減排的目的。

2.6 以多能輸出滿足用戶不同需求

用戶的需求是多樣化的，分布式能源站除了提供電力外，還需要提供不同品質(zhì)的工業(yè)蒸汽、采暖用汽以及大型冷庫制冷、食品干燥、車間濕度調(diào)控等工作所需求的能量，例如海水淡化設(shè)備所需要的能量必須由海島分布式能源站提供。直接滿足用戶多種需求，實現(xiàn)能源梯級利用，并通過公用能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補充，實現(xiàn)資源利用最大化是系統(tǒng)設(shè)置的目的。這些多能的輸出在不同時間段輸出的能量是不同的，而且用戶端的冷、熱量需求變化大，對于多能輸出裝置最大的難題是熱力系統(tǒng)的平衡，而多能源輸入和現(xiàn)代蓄能技術(shù)又提供了保持熱力系統(tǒng)平衡的手段，因此，在分布式能源站中，應(yīng)提出新的熱力計算方法，確立輸入、輸出條件的推薦原則，以解決系統(tǒng)能量時空平衡問題，是整個分布式能源站系統(tǒng)擬定階段的關(guān)鍵工作。

2.7 能量的梯級利用和高效系統(tǒng)

通過系統(tǒng)優(yōu)化平衡，能大大提高分布式能源站年綜合利用效率。所謂系統(tǒng)優(yōu)化，是指在多能源輸入和輸出條件下，分析各種輸出能的最大值，以滿足用戶的能量的需求。如何做到既滿足需求，保證系統(tǒng)效率最大，又兼顧經(jīng)濟性和成本?首先，在能源的轉(zhuǎn)換過程中，“溫度對口、梯級利用”是重要原則，通過采取高溫度段的能量用于發(fā)電和中、低溫度段的能量用于不同用戶的方法，可使熱能的能效利用率達到最大;其次是主發(fā)電設(shè)備的正確選型，中小型燃氣輪機、輕型燃氣輪機、燃氣發(fā)動機、柴油發(fā)動機等機型的使用，應(yīng)根據(jù)分布式能源站的容量等級和用戶冷熱用量進行綜合比較后進行選型，目前正在研發(fā)生產(chǎn)的斯特林機、熱聲發(fā)動機以及單/雙螺桿機等設(shè)備，都是解決中溫度段的余熱利用的關(guān)鍵設(shè)備;最后，儲能技術(shù)的應(yīng)用也是提高系統(tǒng)綜合效率的方法之一，包括電儲存和熱儲存，當用戶需求能量和生產(chǎn)能量嚴重不匹配時，可考慮改變蓄能方式。由于蓄熱、換熱理論的研究不斷發(fā)展，蓄熱和保溫材料技術(shù)水平日益提高，儲能技術(shù)的實際應(yīng)用已成為可能。如以往的蓄熱設(shè)備日溫降約為20℃，采用新技術(shù)保溫設(shè)備日溫降可控制在2～3℃。

2.8 設(shè)備的小型化和模塊化的特征

分布式能源站靠近用戶端，具有小規(guī)模、小容量、模塊化和分散式特點，輸出的冷、熱、電能可直接輸送到鄰近用戶。我國長期以來執(zhí)行的是國家四部委(國家發(fā)展計劃委員會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會、建設(shè)部和國家環(huán)?？偩?頒發(fā)的計基礎(chǔ)〔2000〕1268號文《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》，而現(xiàn)今的分布式能源站和原有的電站完全不同，因此在項目立項申報、開工建設(shè)、生產(chǎn)運行方面必須打破原有思路，根據(jù)分布式能源站的特點提出新的審批原則和建設(shè)思路。國外很多分布式能源站和商場、賓館建筑大多數(shù)都融為一體，紐約機場的分布式能源站甚至和機場大廳都是一體建筑，這樣的布置顯現(xiàn)了靠近用戶端的理念，若仍沿用以往的觀念不利于我國分布式能源的發(fā)展。

3 分布式能源的適用對象

分布式能源技術(shù)是能源發(fā)展的重要方向，具有能源利用效率高、環(huán)境負面影響小、系統(tǒng)可靠性高和經(jīng)濟效益好的特點。我國是一個工業(yè)生產(chǎn)大國，從生產(chǎn)產(chǎn)品的絕對量來分析，2012年的生產(chǎn)能力是美國的1.5倍。我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)園、學(xué)區(qū)、特殊產(chǎn)業(yè)群以及大型電、熱、冷聯(lián)用企業(yè)眾多，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)剛起步，分布式能源的發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的市場，這些區(qū)域的建設(shè)規(guī)?？煽紤]采用兆瓦級的容量;由于我國地少人多，大型連片建筑群以及眾多電網(wǎng)末梢端的小型城鎮(zhèn)的重要用戶，可建設(shè)10 kW級以上、兆瓦級以下容量規(guī)模的分布式能源站;10 kW級以下的分布式能源站可用于1戶或若干戶獨立集居地的小型用戶。需要強調(diào)的是，我國地域廣闊，在廣大偏遠地區(qū)、高原地區(qū)、各類海島以及氣候條件惡劣地區(qū)的駐軍地，可以因地制宜地采用小型模塊化的分布式能源站。

4 結(jié)束語

分布式能源具有節(jié)能、減排、安全、靈活等多重優(yōu)點，是一種清潔能源。我國“十二五”規(guī)劃明確提出，要大力促進分布式能源系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，分布式能源技術(shù)將是中國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。