所谓“分布式能源”(distributed energy resources)是指分布在用户端的能源综合利用系统。一次能源以气体燃料为主,可再生能源为辅,利用一切可以利用的资源;二次能源以分布在用户端的热电冷(值)联产为主,其他中央能源供应系统为辅,实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用,并通过中央能源供应系统提供支持和补充;在环境保护上,将部分污染分散化、资源化,争取实现适度排放的目标 ;在能源的输送和利用上分片布置,减少长距离输送能源的损失,有效地提高了能源利用的安全性和灵活性。
分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式,可独立运行,也可并网运行,是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统,将用户多种能源需求,以及资源配置状况进行系统整合优化,采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统,是相对于集中供能的分散式供能方式。
国际分布式能源联盟WADE对分布式能源定义为:安装在用户端的高效冷/热电联供系统,系统能够在消费地点(或附近)发电,高效利用发电产生的废能--生产热和电;现场端可再生能源系统包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。国内由于分布式能源正处于发展过程,对分布式能源认识存在不同的表述。具有代表性的主要有如下两种:第一种是指将冷/热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式直接安装在用户端,可独立地输出冷、热、电能的系统。能源包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气冷、热、电三联供等多种形式。第二种是指安装在用户端的能源系统,一次能源以气体燃料为主,可再生能源为辅。二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主,其它能源供应系统为辅,将电力、热力、制冷与蓄能技术结合,以直接满足用户多种需求,实现能源梯级利用,并通过公用能源供应系统提供支持和补充,实现资源利用最大化。
能源优势-分布式能源具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活,系统经济性好等特点。发展主要存在并网、供电质量、容量储备、燃料供应等问题。
分布式能源系统分布安置在需求侧的能源梯级利用,以及资源综合利用和可再生能源设施。通过在需求现场根据用户对能源的不同需求,实现温度对口供应能源,将输送环节的损耗降至最低,从而实现能源利用效能的最大化。
天然气分布式能源典型系统
分布式能源是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统,根据终端能源利用效率最优化确定规模。
分布式能源采用先进的能源转换技术,尽力减少污染物的排放,并使排放分散化,便于周边植被的吸收。同时,分布式能源利用其排放量小,排放密度低的优势,可以将主要排放物实现资源化再利用,例如:排放气体肥料化。
分布式能源依赖于最先进的信息技术,采用智能化监控、网络化群控和远程遥控技术,实现现场无人值守。同时,也依赖于未来以能源服务公司为主体的能源社会化服务体系,实现运行管理的专业化,以保障各能源系统的安全可靠运行。
技术基础-分布式能源技术的基础科学主要在以下几个方面:
1、动力与能源转换设备:主要是指一些基于传统技术的完善和新技术的发展。
2、一次和二次能源相关技术;
3、智能控制与群控优化技术;
4、综合系统优化技术;
5、资源深度利用技术。
分布式能源站的种类和特点
分布式能源分为一次能源和二次能源,一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类型。再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等。它们在自然界可以循环再生。是取之不尽,用之不竭的能源,不需要人力参与便会自动再生,是相对于会穷尽的非再生能源的一种能源。非再生能源包括:煤、原油、天然气、油页岩、核能等,它们是不能再生的,用掉一点,便少一点。
再生能源
水能
水不仅可以直接被人类利用,它还是能量的载体。太阳能驱动地球上水循环,使之持续进行。地表水的流动是重要的一环,在落差大、流量大的地区,水能资源丰富。磨坊就是利用水能的好例子。而水力发电更是现代的重要能源,尤其是中国、加拿大等满是河流的国家。
风能是指风所负载的能量,风能的大小决定于风速和空气的密度。我国北方地区和东南沿海地区一些岛屿,风能资源丰富。据国家气象部门有关资料显示,我国陆地可开发利用的风能资源为2.53亿千瓦,主要分布在东南沿海及岛屿、新疆、甘肃、内蒙古和东北地区。此外,我国海上风能资源也很丰富,初步估计是陆地风能资源的3倍左右,可开发利用的资源总量为7.5亿千瓦。[1] 人类已经使用了风力几百年了。如风车,帆船等。
太阳能是指太阳所负载的能量,它的计量一般以阳光照射到地面的辐射总量,包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和。太阳能的利用方式主要有:光伏(太阳能电池)发电系统,将太阳能直接转换为电能;太阳能聚热系统,利用太阳的热能产生电能;被动式太阳房;太阳能热水系统;太阳能取暖和制冷。自古人类懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。
地热能是贮存在地下岩石和流体中的热能,它可以用来发电,也可以为建筑物供热和制冷。人类很早以前就开始利用地热能,例如利用温泉沐浴、医疗,利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶,现代则是主要利用地热来发电。
海洋能是潮汐能、波浪能、温差能、盐差能和海流能的统称,海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量,这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存在于海洋之中。例如,潮汐的形式源于月亮和太阳对地球的吸引力,涨潮和落潮之间所负载的能量称之为潮汐能;潮汐和风又形成了海洋波浪,从而产生波浪能;太阳照射在海洋的表面,使海洋的上部和底部形成温差,从而形成温差能。所有这些形式的海洋能都可以用来发电。
生物质能是指能够当做燃料或者工业原料,活着或刚死去的有机物。生物质能最常见于种植植物所制造的生质燃料,或者用来生产纤维、化学制品和热能的动物或植物。许多的植物都被用来生产生物质能,包括了秸秆、芒草、柳枝稷、麻、玉米、杨属、柳树、甘蔗和藻类生质燃料、沼气(甲烷)、牛粪等。
煤
煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下,在适宜的地质环境中经过漫长年代的演变而成的,含碳量一般为46%~97%。煤是重要的燃料和化学工业原料。煤在地球上的储量非常丰富。煤是由有机物一生长在沼泽或河流三角洲之植物残骸分解而成现今世界各主要地区之煤炭蕴藏量,以非欧洲、亚洲及大洋洲、及北美洲等三个地区所占之比例最高,整体而言,现时煤炭之蕴藏量,估计可供我们使用二百年。
煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质主要由碳(C)、氢(H)氧(O)、氮(N)四种元素构成,还有一些元素则组成煤中的无机物质,主要有硫(S)、磷(P)以及稀有元素等 。在我国,煤炭资源主要分布在山西、陕西、内蒙古、黑龙江、辽宁、山东几个省区,著名的大型煤矿有大同煤矿、东胜煤矿、神府煤矿等。
石油一般认为是由地层中的有机物质“油母质”,经地温长时间的熬炼,一点一滴地生成而浮游于地层中。由于浮力的关系,石油在水中每年缓慢地沿着地层或断层向上移动,直到受不透油的封闭地层阻挡而停留下来。当此封闭内的石油越聚越多。
石油是仅次于煤的化石燃料,它是一种天然的黄色、褐色或黑色的流动或半流动的黏稠的可燃液体烃类混合物。石油也称为“原油”。它可以被加工成各种馏分,包括天然气、汽油、石脑油、煤油、柴油、润滑油、石蜡以及其他许多种衍生产品,是最重要的液体燃料和化工原料。
天然气是一种碳氢化合物,多是在矿区开采原油时伴随而出,过去因无法越洋运送,所以只能供当地使用,如果有剩馀只好燃烧报废,十分可惜。若以人工建筑设施存放天然气,在遭到外力破坏如地震、火灾等,极易产生危险。若以人工建筑设施存放天然气,在遭到外力破坏如地震、火灾等,极易产生危险。
天然气是除煤和石油之外的另一种重要的一次能源。它燃烧时有很高的发热值,对环境的污染也较小,而且还是一种重要的化工原料。天然气的生成过程同石油类似,但比石油更容易生成。
天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类组成,其中甲烷占80%~90%。天然气通常可以分为纯天然气、石油伴生气、凝析气和矿井气。
化学反应所产生的能量称为化学能,除了燃烧煤、木材、石油及其制品产生的燃烧热外,还有电解化发电。电解化发电是将两种不同的金属板隔若干距离,一起浸入电解液中,金属板间会产生电压。两金属对于电解液的离子倾向力或溶解压不相同,发生化学变化,以电解方式放出能量。
电池就是利用这种原理制造成的。电池有两类,一种是用完就丢,不能再用的干电池,视为一次电池。另一种是可再充电,反复使用的蓄电池,即镍镉电池等,称为二次电池。
核能也称原子能,是一种高效率持久的能源。核能发电是利用铀235的核分裂连锁反应释出大量热能,将水变成水蒸气,利用这些蒸气来推动发电机发电。核能发电的方法有许多种,台湾地区使用的是沸水式核能发电与压水式核能发电。核能除了发电为主要应用外,在农业、医学、工业科技……等各方面都有很多的用途。如农业:利用它来使蔬菜水果保持新鲜、改良品种、防止病虫害等功能;在医学上可以用它来杀伤癌细胞治疗癌症等多方面的功能核电厂投资金额庞大、施工耗时、适宜兴建的厂址难求。最大的缺 点是放射性核废料处置与安全问题。优点是核燃料取得较容易、原料的运输与储存方便、需要量不多、且安全存量的开支少。
核能的实际利用有两种方法:一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法,这就是核裂变反应堆的原理;二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法,这就是核聚变反应的原理 。
其中分布式能源主要采用天然气、余热余压,可再生能源(光伏发电)。目前成熟技术种类:
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
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)。
二、燃料电池和微型燃气轮机复合系统
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:
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。
3. 双循环地热发电系统
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。
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3×1021 J,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,可利用的风能为2×107 MW,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。
发达国家分布式能源发展迅猛。发达国家政府通过规划引领、技术支持、优惠政策以及建立合理的价格机制和统一的并网标准,有效地推动分布式能源的发展,分布式能源系统在整个能源系统中占比不断提高,其中欧盟分布式能源占比约达10%。
我国分布式能源起步较晚,主要集中在北京、上海、广州等大城市,安装地点为医院、宾馆、写字楼和大学城等,由于技术、标准、利益、法规等方面的问题,主要采用“不并网”或“并网不上网”的方式运行。
分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向,它具有能源利用效率高,环境负面影响小,提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。
分布式能源是最能体现节能、减排、安全、灵活等多重优点的能源发展方式,且"十二五"规划明确提出,促进分布式能源系统的推广应用。因此,国内优秀的分布式能源行业企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对公司发展环境和需求趋势变化的深入研究。
分布式能源技术是中国可持续发展的必须选择。中国人口众多,自身资源有限,按照能源利用方式,依靠自己的能源是绝对不可能支撑13亿人的“全面小康”,使用国际能源不仅存在着能源安全的严重制约,而且也使世界的发展面临一系列新的问题和矛盾。中国必须立足于现有能源资源,全力提高资源利用效率,扩大资源的综合利用范围,而分布式能源无疑是解决问题的关键技术。
分布式能源是缓解我国严重缺电局面、保证可持续发展战略实施的有效途径之一,发展潜力巨大。它是能源战略安全、电力安全以及我国天然气发展战略的需要,可缓解环境、电网调峰的压力,能够提高能源利用效率。