分布式能源的特点与发展趋势

1882年，美国纽约出现了以工厂余热发电满足自身与周边建筑电、热负荷需求的工程技术，成为分布式能源最早的雏形［2］。热电联供（combined heat and power，CHP）不断发展，至今已成为世界普遍采用的一项成熟技术。余热利用进一步用于空调或制冷，又发展成冷、热、电联供（combined cooling，heating and power，CCHP）技术。

1998年成立的国际热电联产联盟（ICA）于2002年正式更名为世界分布式能源联盟（World Alliance Decentralized Energy，WADE）［3］。

如今，可再生能源的利用除了有集中方式，即在资源丰富的地区建设大规模可再生能源生产基地外，分布式则将可再生能源系统建在用户附近，一次能源以可再生能源为主，辅以气液态燃料，二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，满足用户多种需求，实现能源梯级利用［4］。

低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃，这些能源种类繁多，包括太阳热能、各种工业废热、地热、海洋温差等可再生能源。其总量巨大，以工业废热为例，有统计指出，人类利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放［5］。利用和回收这部分能源，既有助于解决我国的能源问题，又能减少能源生产过程中的环境污染。利用低温热能的发电技术主要是基于朗肯（Rankine）循环的热力发电系统，如有机物朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）、水蒸气扩容循环、卡琳娜（Kalina）循环、氨吸收式动力制冷复合循环等。ORC采用不同的有机物工质（或混合物），可回收不同温度范围的低温热能；水蒸气扩容循环主要用于地热发电；卡琳娜循环是以氨水混合物为工质的循环；氨吸收式动力制冷复合循环是一种新型的复合循环［6］。国内外对于低温热能利用的研究主要开始于20世纪70年代石油危机时期。其中ORC的研究和应用最为广泛。早在1924年，有人就开始研究采用二苯醚作为工质的ORC。到目前为止，全世界已有2000多套ORC装置在运行，并且生产出单机容量为14MW的ORC发电机组。对低温热能发电系统的研究主要集中在以下几个方面：工质的热力学特性和环保性能，混合工质的应用，热力循环的优化等［7］。

分布式能源系统（distributed energy system，DES）是一种建立在能量梯级利用概念基础之上，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。它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。

DES主要应用于建筑与过程工业领域，如办公楼、医院、宾馆、体育场馆、IT产品制造厂、食品厂等。而不同的行业、不同功能的建筑其能量需求种类和形式存在很大的差异，通常体现在制冷、供热、通风、生活热水、照明等方面。而通过采用不同的工艺流程、不同的集成方式，DES可满足不同建筑用户的多种能量需求。

根据世界分布式能源联盟的定义，分布式能源是分布在用户端的独立的各种产品和技术，包括分布式可再生能源和高效的冷、热、电联产系统。DES在能源的利用形式上可以使用化石燃料、可再生能源或者将化石燃料和可再生能源结合使用；子动力系统可采用燃气轮机、内燃机、汽轮机、斯特林发动机以及燃料电池。

分布式能源可以采用多种供能技术。根据其发电与供能原理大致可以分为两大类型：第一类是包括光伏发电、生物能发电、小型风力和水力发电等在内的小规模可再生能源技术。第二类是以内燃机、燃气轮机、微燃机、斯特林（stirling）机、燃料电池等为原动机的热电联产或冷、热、电三联供技术。上述两类技术从“开源”和“节流”两个角度形成了分布式能源的技术支撑，彼此既相互独立，又优势互补。

在“节能优先”的宏观能源战略导引下，综合考虑供能可靠性等因素，以冷、热、电联供为主要技术形式，可实现能源梯级利用的天然气分布式能源系统是最具可行性、最有效的方案，是当前国内外分布式能源应用的主要形式。从未来发展角度来看，大力推广可再生能源的分布式能源是能源改革和体制改革的必然趋势。

化石燃料分布式能源系统主要采用煤、石油和天然气等常规化石燃料，其中又以天然气和石油为主。化石燃料的能量密度大，系统相对简单、紧凑，建设成本和运行、维护成本也相对较低。因此，近期内这种形式的系统仍然是主要发展方向。但化石燃料的资源数量有限、不可再生，而且利用时会对环境造成一定的破坏，随着时间的推移，采用化石燃料的比例会逐渐减少。

分布式可再生能源系统主要包括光伏发电系统，小水电、生物能发电以及风力发电等。太阳能发电和太阳热发电是利用太阳能量的发电技术，通常需要与其他能源利用方式和载体进行整合，例如将太阳热发电与沼气利用整合，将光伏电池与建筑材料整合等。风力发电是能源发展的一个重要方向，对于居住分散的用户，小型高效的风力发电系统更加具有普及意义，但是成本、可靠性和蓄能是目前亟须解决的问题。生物质发电技术利用植物光合作用吸收的太阳能进行发电，是解决温室效应的一个好途径，因为发电时产生的二氧化碳正好可以被植物光合作用所吸收，因此发电过程的二氧化碳的净排放量为零。目前世界上的生物质能发电系统装机容量大约为14GW，其中大约一半位于美国，全美三分之二的生物质能电站采用了热电联产的方式，输出电能的同时输出有用的热能。

1）分布式能源的特点

（1）分布式能源是小型的、模块化的，规模大致在kW～MW级。(www.xing528.com)

（2）分布式能源包含多种供需双侧的技术与装备，如光伏发电、燃料电池、燃气内燃机、燃气轮机和微型燃机、热力驱动的制冷系统，除湿装置、风力汽轮机、需求侧管理系统及微电网等。

（3）能源的利用效率高，分布式能源的利用效率可达到80%以上。

（4）环保性好。能源的梯级利用以及清洁燃料的使用可使总悬浮颗粒物减少95%，二氧化碳等温室气体排放量减少50%以上，氮氧化物减少80%，二氧化硫和固体废弃物排放降低至几乎为零。

（5）经济性明显。系统靠近用户侧安装，可就近供电，降低了输电和配电网的网损，同时降低了输配电建设投资和运行费用。

（6）安全性与可靠度高。一旦公用电网发生故障时分布式能源系统可自动断开，孤岛运行。应用范围广，可适应各种特殊地区用电。

分布式能源的自身特点决定了其发展的可持续性。分布式冷、热、电联产系统可同时输出电能和多种不同温度的冷量与热量，在联产系统的各项输出中，电的品位明显高于冷和热，故动力子系统通常处于联产系统的上游，其排放的热量被下游的供热、供冷等其他子系统进行回收和梯级利用。

2）分布式冷热电联产的动力子系统

动力子系统主要包括微型燃气轮机、内燃机、斯特林发动机、燃料电池等［811］。

（1）微型燃气轮机。一种非常小的燃气轮机，发电量为几百瓦到几千瓦不等，其基本结构包括压缩机、燃气轮机和永磁发电机，各部件采用同轴相连，输入空气首先被压缩到3～4个大气压之后，送到蓄热罐中由废热气加热。由于对压缩空气进行了预加热，蓄热罐可以提高燃气轮机的发电效率。热压缩空气和燃料混合后进入燃烧室燃烧，燃烧得到的热燃气膨胀推动燃气轮机叶片旋转，从而带动压缩机和发电机发电，废热气在蓄热器内与新鼓入的压缩空气进行大部分的热量交换后排入大气。

（2）内燃机。容量在0.5～6.5kW之间不等，效率接近37%～40%（低热值效率），这种模式是目前各种分布式发电技术中最廉价的一种，在使用天然气为燃料时，其燃烧过程相对清洁。

（3）斯特林发动机。点燃式和狄塞尔循环内燃机都属于内燃机的一种。所谓内燃机就是燃料在内燃机内部燃烧；当然也有外燃机，即从内燃机外部将能源传递给做功流体。蒸汽循环发电机就是外燃机的一种。斯特林内燃机是一种外燃机型的活塞式内燃机，它可以由任意常见燃料，甚至是高温物体，比如一块阳光照射的黑色太阳聚焦板来驱动运行。目前逐步开始商业化的斯特林内燃机容量范围从不到1kW直至约25kW。虽然工作效率还很低（一般低于30%），但是目前为提高其效率以便与内燃机竞争的相关技术研究正在快速发展。由于燃料较为平稳、持续地燃烧，因此这类内燃机运行噪声很低，特别适合应用在汽车、小艇、休闲房甚至小型飞机上。

（4）燃料电池。燃料电池将储藏在燃料中的化学能（氢气、天然气、甲醇、汽油等）直接转换成电能。通过省略将燃料首先转换成热能推动机械运动做功再转化为电能这一中间环节，燃料电池的转换效率不受卡诺热机效率的局限，其转换效率能够高达65%，即燃料电池效率基本上能够达到目前运行的中央发电站平均效率的两倍左右。