分布式能源的研究

分布式能源系统的研究学院：机电学院专业：热能与动力工程年级(班）：0912小组成员：王国威、王金玥、王松涛、王瀚、指导教师：陈淑玲2011年11月8日摘要：分布式能源实现多系统优化，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，实现多系统能源容错，将每一系统的冗余限制在最低状态，利用效率发坏发挥到最大状态，以达到节约资金的目的，从而实现能源利用效能的最大化。我们将介绍分布式能源系统概念、主要技术以及其在国内外研究发展情况，并着重对分布式能源系统进行分析，还将提出分布式供能系统推广应用主要存在的问题。关键词：分布式能源发展现状冷热电三联供效率最大化一、分布式能源的概念及其主要技术所谓“分布式能源”（distributedenergysources）是指分布在用户端的能源综合利用系统。具体说来，是位于或临近电负荷中心、生产的电能不是以大规模、远距离输送为目的的电能生产系统，或建立在其基础上的冷热电联产系统。分布式能源系统并不是简单的采用传统的发电技术，而是在建立在自动控制系统，先进的材料技术，灵活的制造工艺等新技术的基础上，具有低污染排放，灵活方便，高可靠性和高效率的新型能量生产系统。布式能源系统各用户的能量需求随时间变化，而动力设备(如燃气轮机)通常以稳定运行为基本条件。分布式能源系统的设计指导思想就是在负荷需求的可变性和动力设备的稳定性之间寻求平衡点，稳定系统运行，同时实现能的梯级利用，提高一次能源利用效率。所以说，分布式能源系统的主要技术之一，就是在负荷需求的可变性和动力设备的稳定性之间寻求平衡点，减少能源损耗，最大化能源利用效率。要实现这一点，必须依赖需求回馈、消费方调控和能源储存等其他相关技术。就本人看来，分布式能源系统的最主要功能是所谓的“智能测量”。将需求回馈、消费调控等依赖自动控制系统自动实现，能够极大地弥补由于负荷分析的不全面、不准确引起的问题，有效地促进消费方调控，同时这项功能可以使电力实现双向传输。随着时间愈发珍贵，效率愈加重要，智能测量、自动调控系统的发展必然会成为一种趋势。除此之外，分布式能源技术还包括先进的燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、热驱动技术和能量储存技术，同时先进的材料、电力电子、复合系统以及通讯、控制系统等方面技术也有待开发。二、分布式能源的历史分布式能源是一个比较新兴的概念，最早是由美国在1978年于公共事业管理政策法中公布的，随后立即在美国得到迅速的发展。分布式能源系统的概念一经问世迅速的得到了广泛的重视，先后被各个发达国家所接受，并且得以推广。在欧美随着能源市场放松管制，竞争机制的引入以及可持续发展战略的实施，分布式能源系统得到迅猛的发展。目前，分布式能源系统已经在世界各国所接受，并且得到了广泛的应用。三、分布式能源的发展及研究现状在欧盟，分布式能源系统的目标是：到2010年使可再生能源能够提供22%的电能。欧洲委员会正在进行一个SAVEⅡ的能效行动计划，包含许多不同的能效措施，来推动分布式能源系统的发展。多年来，英国政府一直试图通过能源效率最佳方案计划（EEBPP）促进分布式能源系统的发展。英国在过去20年中，已超过1000个分布式能源系统被安装，遍布英国的各大饭店、休闲中心、医院、综合性大学和学院、园艺、机场、公共建筑、商业建筑、购物商城及其它相应场所。分布式能源系统的发展已成为英国政府提高能源效率措施的有机组成部分，已经取得了显著的发展。自90年代以来，分布式能源系统发展迅速，到1999年末分布式能源系统装机容量已达到420MW，主要集中在建筑物领域。英国分布式能源系统的发展处于领先位置，除了已经开发的领域之外，目前，新的应用还在继续发展，如将分布式能源系统用于园艺，可以做到热电冷稳负荷联产，将分布式能源系统排出的CO2、SO2、NOx用于植物的肥料，最大限度地减轻能源使用为环境带来的危害。美国从1978年开始提倡发展分布式能源系统，现在美国能源部（U.S.DOE）的DistributedEnergyResources计划是带领全国共同努力发展下一代洁净、高效、可靠、用户能够买的起的分布式能源系统。具体的操作方式是与能源设备的制造商、能源服务者、能源项目的开发者、州政府和联邦机构、公众利益组织、用户进行合作，研究、开发一系列先进的、能够进行就地生产的、小规模、模块化设计的发电、储能技术，用于工业、商业和民用方面，这些技术包括先进的燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、热驱动技术和能量储存技术，同时也进行先进的材料、电力电子、复合系统以及通讯、控制系统等方面技术的开发。目前，美国的冷热电联产（CCHP）组织正抓住各种机会排除障碍，使冷热电联产技术在建筑业被广泛利用。以开发和盈利为目的，天然气公司、电力行业和暖通空调行业的制造者正在进行广泛地合作，提出了“分布式能源系统2020年纲领”，目的是到2020年使分布式能源系统成为商用建筑、写字楼、民用建筑高效使用矿物燃料的典范。美国加州大学、ELCOM、SiemensDistributionAutomation等机构，针对分布式能源系统制定了宏伟的研究规划：通过对来自CEC、IEEE、IEE（英国），IE（澳大利亚）、CIGRE的信息以及对来自欧洲各国有关正在进行放松管制的文献的研究，确定阻碍分布式能源系统发展的工业和市场阻力。将Siemens的分布式自动监测通讯调度系统用于分布式能源系统，来改善分布式能源系统的安全性、经济性，减少设备的维修时间。建立控制中心，研制分布式能源系统的设备模型和负荷预测模型，对分布式能源系统的可调度性、可靠性、特别是系统的完善性进行模拟研究。将从电压的稳定性、负荷流、电能质量、频率变化、故障电流的变化、系统的安全、稳定性等方面研究分布式能源系统和储能设备对电网的影响。日本根据本国的自然资源情况，积极发展可再生能源，1994年日本政府制定了“新能源计划”，到2000年日本太阳能发电达到400兆瓦，计划2010年达到4600兆瓦。日本将太阳能的研究开发重点放在低成本大规模生产技术方面，以促进太阳能发电的实用化进程。目前研究重点主要集中在大面积薄膜非晶硅、CdTe电池、CIS电池的制造技术，Ⅲ－V族化合物半导体高效光电池，非晶硅及结晶硅混合型薄膜光电池，多晶硅低成本精炼技术等方面。再来反观国内，从我国当前分布式能源系统的发展情况来看，分布式能源系统的研究还处在初期阶段。但分布式能源系统在我国也有应用，在一些边远地区建立了太阳能发电、风能发电的分布式能源系统。当前我国分布式能源系统的应用主要是以内燃机带动发电机，用于紧急情况和备用情况，总体来看，发展比较落后。上海理工大学配合西气东输工程，受上海市重点学科建设项目经费的资助，以CAPSTONE公司生产的微型燃气轮机为核心，结合直燃型吸收式溴化锂制冷机、余热锅炉，正在建设示范型“能源岛”，用于分布式能源系统的研究。西安交通大学，在进行的2002国家高新技术研究发展计划课题中，以100kW微型燃气轮机为核心，正在建立了以酒店为应用对象的分布式能源系统。（图1所列为国内外几个典型的分布式能源站。）图1国内外典型分布式能源站配置概况四、分布式能源系统分析分布式能源系统的燃料多样化。化石能源、太阳能、水能、生物质能、沼气、风能等都可以实现分布式能源系统，进行冷热电三联供。其中以天然气为燃料的热电冷三联供方式发展最快，在我国的分布式能源领域占有较大比例。采用天然气为燃料的分布式能源系统，一般采用燃气轮机或燃气内燃机作为发电设备，在发电的同时，利用发电产生的烟气余热生产冷热产品就近满足用户电冷热需求。分布式能源系统是能量综合梯级利用技术的一个典型例子（见图2）图2分布式能源系统能源综合梯级利用示意图下面把一个简单的燃气轮机冷热电联供系统作为研究对象，对典型的分布式能源系统进行热力学分析。简单循环燃气轮机的排气具有较高的温度，为了充分利用输入能量，可以采用余热回收装置回收烟气中的热量用于制冷或供热。图3为燃气轮机(带回热装置)冷热电联产系统示意图。图3燃气轮机冷热电联供系统示意图图4表示在进行简单循环时，冷、热、电随燃气轮机温比、压比的变化。燃气轮机发电效率的变化在研究范围内燃气轮机发电效率随压比的增加而增加；发电效率随温比的增加而增加。当温比不变时，随着压比的增加，透平出口烟温降低，制冷所能利用的热量减少，因此c/q降低；同时压比的增加将导致压气机出口空气温度升高，从而使燃气轮机输入燃料量q略有降低，而H保持不变，因此H/q将缓慢q增加。当温比增加时，燃气轮机排气温度增加，制冷系统利用的热量增加，导致c/q增加；同时温比的增加将导致输入燃料量略有增加，而供热量H不变，结果H/q将降低。因此就要采用合适的参数，选用合适的设备，对冷热电联供系统进行优化设计，使其效率得到提高。图4冷热电三联供系统冷效变化趋势图传统用电用户的终端利用效率只有40%，传统集中热电联产效率也小于70%。冷热电三联供(Trigeneration)是热电联供概念的外延，就是燃气轮机发电机或往复式内燃发电机的余热能源生产空调冷却水和卫生热水。这种联产方式以天然气、生物沼气等为燃料进行发电和供应热水，发电效率高达36%，供热效率达54%，总效率达80%至90%，节能效果明显。冷热电三联供分布式能源系统的应用范围很广，包括工业园区、学校、机场、居民区、商场、办公楼等。下面就选取对于我们学生来说非常亲切而且比较典型的教学楼系统进行分析。由于教学楼各种负荷相对较小，而且随时间变化较大，一般采用微型燃气轮机或燃气内燃机。布置方式采用地上或地下布置。教学楼的电、热、冷负荷会随着大楼上课、下课而发生变化，所以必须对大楼的各种负荷进行时序性分析。一般根据“优先满足冷、热负荷”或“满足一级电负荷”原则配置设备。某教学楼的冷负荷、电负荷时序性分析如图5、图6所示。图5某办公楼冷负荷时序性分析图图6某办公楼电负荷时序性分析图准确的负荷分析是机组选型经济、可靠的重要条件之一，由于负荷变化相对较大，所以对这类建筑配置分布式能源系统时，一定要进行准确的负荷分析。如图7所示为教学楼配置燃气内燃机分布式能源系统流程图。图7办公楼燃气内燃机三联供系统流程图五、分布式能源系统推广应用主要存在的问题我国的分布式能源系统的推广应用目前还存在一些问题，亟待解决。(1)负荷分析不够全面、准确、细致。对分布式能源系统的设计，负荷分析是非常必要的，如果对建筑的负荷统计或估算不够细致，就会对运行产生相当大的影响。例如，北京次渠项目中，燃机发电量80kW，余热直燃机功率2O万kcal，设计电负荷为320kW，供热、供冷面积为2800m，但实际电负荷只有不足30kW，微燃机只能处于低出力工况，导致燃机发电效率很低，整个系统的电热比很低，最终导致了一次能源的利用效率降低，失去了分布式能源系统的最初设计意义。所以在今后的分布式能源系统设计工作中，负荷分析工作务必要做到细致、准确。(2)对于过渡季节，分布式能源系统利用不充分。对于分布式能源站，冷热负荷一般是通过利用燃机的余热获得，由于夏季和冬季具有稳定的冷、热负荷，余热需求量较大，动力设备可以保持比较稳定的运行状态，而在春季和秋季，无较大的冷热负荷需求，可能就会使整个系统处于低效运行状态或停运状态，降低了系统的效率和使用率。(3)缺乏权威的评价标准。分布式能源系统是一个多能量产品输出的复杂系统，所以如何对系统进行整体评价成为研究的重点和难点。由于冷热电是不同的产品，很难直接进行定量比较，目前的评价准则主要有火雨效率、节能率、折合发电效率等几种，但这些评价方法本质上都是对冷热电根据不同的标准分别进行评价。根据分布式能源系统的能量梯级利用特点建立系统评价标准对分布式能源系统的研究将具有非常重要的意义。(4)需要进一步加强天然气的价格稳定机制。由于分布式能源系统燃烧的是高品质的清洁能源，其运行成本受燃料价格的影响特别大，尽管一个热力匹配完好的冷热电三联供系统其经济性也并不一定好。所以稳定的价格机制也是影响分布式能源站推广的一个主要因素。(5)分布式能源站的并网、电价问题。目前，国家在财税和金融等方面还未出台相关