徐建中，鄧建玲

(1.中國科學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，電力已經成為人類生產、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，大力推進電網(wǎng)智能化建設。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，我國南方在冰雪災害發(fā)生時也曾發(fā)生過倒塔和停電事故。2012年，國務院通過的《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)轉化和利用效率，構建安全、穩(wěn)定、經濟、清潔的現(xiàn)代能源產業(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;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，國內還有不少學者和專家發(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，在此基礎上推薦的定義如下:靠近用戶側，由不同模塊化設備組成的提供多種形式能源的供應系統(tǒng)。

2 分布式能源站的主要特征

基于各國內專家、學者對分布式能源的相關描述，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)的關系;分布式能源站與冷、熱用戶的關系;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，采用需求應對式的設計和模塊化的配置，獨立地輸出電、熱、冷等能量的供應系統(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;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，對于上述3種情況，都可以采取充分的技術措施，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 從生產到應用的持續(xù)平衡特征

國內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)電后產生的余熱及轉換后的制冷等能源產品直接和用戶相連，實現(xiàn)同步的生產和使用。從一次能源和可再生能源的輸入，到能源的轉換、二次能源的同步應用，其過程必須滿足生產和應用的持續(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)生冰災或地震等自然災害時，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，天然氣的應用也越來越廣泛。其他如煤層氣、生物質燃氣等都可利用，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)得到了應用。除了一次能源外，可再生能源也是最好的補充，應立足本地條件，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、生物質燃料等補充發(fā)電?？稍偕茉吹难a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、車間濕度調控等工作所需求的能量，例如海水淡化設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，又兼顧經濟性和成本?首先，在能源的轉換過程中，“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)生產的斯特林機、熱聲發(fā)動機以及單/雙螺桿機等設備，都是解決中溫度段的余熱利用的關鍵設備;最后，儲能技術的應用也是提高系統(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水平日益提高，儲能技術的實際應用已成為可能。如以往的蓄熱設備日溫降約為20℃，采用新技術保溫設備日溫降可控制在2～3℃。

2.8 設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、國家經濟貿易委員會、建設部和國家環(huán)?？偩?頒發(fā)的計基礎〔2000〕1268號文《關于發(fā)展熱電聯(lián)產的規(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、生產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)可靠性高和經濟效益好的特點。我國是一個工業(yè)生產大國，從生產產品的絕對量來分析，2012年的生產能力是美國的1.5倍。我國的工業(yè)產業(yè)園、學區(qū)、特殊產業(yè)群以及大型電、熱、冷聯(lián)用企業(yè)眾多，新型城鎮(zhèn)化建設剛起步，分布式能源的發(fā)展和應用有著廣闊的市場，這些區(qū)域的建設規(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)的推廣和應用，分布式能源技術將是中國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。