淺析對分布式能源效率的認識

現代化的生活離不開(kāi)能源，現代化的發(fā)展也離不開(kāi)電力。在介紹幾種分布式能源的基礎上，對分布式能源效率評價(jià)指標進(jìn)行分析，最后給出結論。

現代化的生活離不開(kāi)能源，現代化的發(fā)展也離不開(kāi)電力。我國是人口大國，也是大力大國，2010年的發(fā)電總量超過(guò)美國。我國的能源供應和用能分布不匹配，西北地區是能源供應地，東部沿海是主要用能區域，這導致了我國的西電東輸，北電南送的格局。當然，智能電網(wǎng)的發(fā)展能夠提高電力輸送的效率，減少損耗，但是現實(shí)卻是電網(wǎng)事故無(wú)法完全避免;國家能源“十二五”規劃明確提出要重視節能優(yōu)先戰略，提高能源生產(chǎn)和利用效率。大力發(fā)展分布式能源，是提高電能效率的有效途徑。

一、分布式能源及分類(lèi)

(一)分布式能源定義

對于分布式能源，不同機構和組織基于不同角度提出來(lái)不同的定義，主要表示分布于用戶(hù)端的能源的綜合利用系統;其中，一次性能源以液體或氣體為主，可再生能源為輔，表示多源輸入;二次能源以電力、冷力(熱力)形態(tài)為主，代表多源輸出，能效綜合效率達到70%以上。因此，我們這里借用徐建中、鄧建玲(2014)給出的定義，分布式能源是指靠近用戶(hù)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。分布式能源具有靠近用戶(hù)側的特點(diǎn)，因此能夠提高能源系統的安全性，減少意外事件造成的損失。

(二)分布式能源分類(lèi)

目前，靠近用戶(hù)端的發(fā)電方式有多種，在實(shí)際應用中，按照發(fā)電容量分為大型(≥MW)、中型(100kW-1MW)和小型(<100kW)三種。實(shí)際上，我們更關(guān)心的實(shí)際分布式能源發(fā)電所采用一次能源和采用的技術(shù)接口，因此，根據發(fā)電采用的技術(shù)，將分布式能源分為以下幾類(lèi)：

1、太陽(yáng)能光伏發(fā)電

地球上目前使用的能源從根本上說(shuō)都來(lái)自于太陽(yáng)能，比如石油、天然氣也是以往太陽(yáng)能的累積?，F在所講的太陽(yáng)能一般是指當前接受的太陽(yáng)輻射到地球的能源。太陽(yáng)內部的核聚變產(chǎn)生的能量巨大，輻射到地球的能源僅僅為總能量的1/22000000，太陽(yáng)每秒鐘輻射到地球的能源為500萬(wàn)噸煤。如果太陽(yáng)能量能夠完全利用，地球上一年的能量消耗只需太陽(yáng)15分鐘的能量傳輸。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池的光伏效應直接將太陽(yáng)光能轉換成電能，這是一種新型的發(fā)電系統。太陽(yáng)能光伏系統的發(fā)電容量，能夠任意組合，最適合用戶(hù)端客戶(hù)的分散使用，還是一種清潔能源，可進(jìn)行獨立微網(wǎng)發(fā)電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。我國在1958年便著(zhù)手太陽(yáng)能電池的研究，1971年將其應用于東方紅2號衛星上，1973年后將其應用在地面上。我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，已經(jīng)形成了較完整的產(chǎn)業(yè)體系。我國的太陽(yáng)能資源豐富，國土面積的三分之二年日照時(shí)間達到2300小時(shí)以上，每年陸地表面接收的太陽(yáng)能量約為17000億噸標準煤。從長(cháng)遠來(lái)看，我國豐富的荒漠資源將是重要的能源寶地。太陽(yáng)能光伏發(fā)電分為獨立光伏發(fā)電系統和并網(wǎng)光伏系統，獨立光伏發(fā)電系統僅靠太陽(yáng)能電池供電;并網(wǎng)光伏系統將太陽(yáng)電池發(fā)出的直流電變換成交流電，且與電網(wǎng)并聯(lián)。

2、風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能經(jīng)由機械能而轉換成電能的過(guò)程。根據風(fēng)力發(fā)電有不同的運行方式，主要有獨立運行和并網(wǎng)運行，還有互補運行等方式。獨立運行直接將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能利用蓄電池儲存起來(lái)，然后供用戶(hù)使用。這種方式的成本較高，因為儲能設施造價(jià)高昂，但是適用性較強，可以供主電網(wǎng)輸送不到的地區，如牧區海島等區域，其單機容量可以達到數百千瓦。并網(wǎng)運行是指將風(fēng)力發(fā)電的電能經(jīng)過(guò)變壓器全部輸送至主電網(wǎng)，這種方式適合在風(fēng)力資源豐富的地區，比如沿海地區?；パa運行方式是指將風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式互補，比如風(fēng)力―太陽(yáng)能光伏，風(fēng)力――燃料電池，風(fēng)力―柴油機組等，該種方式能夠保證供電的連續性和穩定性，降低離網(wǎng)型的用戶(hù)的發(fā)電成本，提高利用資源的利用率。

3、燃料電池發(fā)電

燃料電池是直接將化學(xué)能轉化為直流電能的裝置。其工作原理：當氫基燃料(如天然氣)與氧氣結合生成水時(shí)，氫離子和氧離子會(huì )發(fā)生定向移動(dòng)，形成電路電流，好比是電解水的逆過(guò)程。實(shí)際上，燃料并不需要燃燒，通過(guò)電化學(xué)過(guò)程完成了化學(xué)能向電能的轉化。目前主要有5中燃料電池，即PEM、AFC、PAFC、SOFC和MCFC，其中PAFC是目前應用最廣的燃料電池。燃料電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，首次，在能量轉化過(guò)程中，燃料電池的副產(chǎn)品是二氧化碳和熱水，這些副產(chǎn)品還可以綜合循環(huán)利用，其發(fā)電效率遠高于傳統發(fā)電效率;其次，廢物排放量較小，屬于清潔型能源利用方式;最后，安裝簡(jiǎn)單，成本較低，效用較高。

4、生物質(zhì)能發(fā)電

生物質(zhì)能發(fā)電的能源來(lái)源于生物質(zhì)，是將生物質(zhì)能轉化為其他能量形式(如沼氣、酒精、燃氣等)，然后利用通用的發(fā)電技術(shù)，將電能供給給用戶(hù)使用。生物質(zhì)能發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn)：其一，可以利用當地豐富的生物能源，比如麥秸，動(dòng)物糞便等，節省了從外輸入能源的成本，節約了資源;其二，生物質(zhì)能發(fā)電設備容量相對較小，可以獨立有運行，可以解決偏遠地區或電網(wǎng)觸不到的地區的用電;其三，生物能源屬于可再生的，其發(fā)電的污染較小，對環(huán)境的傷害相對小一些。

5、微型燃氣輪發(fā)電

微型燃氣輪機是一種小型氣輪機，一般以液體燃油為燃料，如，天然氣，汽油、柴油等，這是應用較普遍的分布式發(fā)電電源。微型燃氣輪機的發(fā)電功率范圍一般在千瓦以下，發(fā)電效率約為30%，熱電聯(lián)產(chǎn)效率可達到75%。微型燃氣輪機的工作原理是：在回熱器內預熱的高壓空氣在燃燒室與燃料混合燃燒，產(chǎn)生的高溫燃氣帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機先產(chǎn)生高頻率交流電，然后將其轉換成高壓直流電，最后轉換成60Hz/480V的交流電供應給用戶(hù)使用。

6、其他能源發(fā)電

除了上面所說(shuō)的能源發(fā)電之外，還有海洋能和地熱能發(fā)電。海洋能包括波浪能、潮汐能、、海流能、海水鹽差能等。目前，比較成的技術(shù)是是潮汐能發(fā)電。潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電相類(lèi)似，就是利用海水造成的水位差帶動(dòng)水輪機來(lái)發(fā)電。地熱能來(lái)自地球內部，熔融巖漿以及放射性物質(zhì)產(chǎn)生熱能，屬于可再生能源，地熱發(fā)電與火力發(fā)電類(lèi)似，不同的地方是地熱發(fā)電的能源來(lái)自于地下熱水和蒸汽。二、分布式能源效率的評價(jià)指標

對于分布式能源效率評價(jià)，我們這里以典型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)為分析對象。

(一)一次能源利用率((PER)

這里采用的分布式發(fā)電技術(shù)是微型燃氣輪發(fā)電，采用氣體燃料(天然氣等)。一次能源利用率(PER，PrimaryEnergyRatio)是屬于非常直觀(guān)的評價(jià)指標，它是基于物理熱力學(xué)第一定律，不考慮能量的質(zhì)的差別，公式為：，式中，Qe表示，系統總的發(fā)電量(kWh);Qh表示系統總供熱量(kWh);Qc表示系統總制冷量(kWh);Gu表示系統的燃料消耗總量(m3/h);Hu表示燃料的低位發(fā)熱量(kJ/m3)。

1、分產(chǎn)系統能源利用率

在傳統上分產(chǎn)系統一般是指電網(wǎng)供電、鍋爐(燃氣)供熱、電制冷機供冷，其一次能源消耗量為：

分產(chǎn)系統一次能源利用率為：

式中，ηb表示鍋爐效率;ηce表示電網(wǎng)效率與發(fā)電效率乘積;COPec表示電制冷機性能系數;PERb=ηb，表示鍋爐供熱系統的一次能源利用率;PERb=ηce，表示發(fā)電系統的一次能源利用率;PERec=COPer?ηer，表示電制冷系統的一次能源利用率。

2、聯(lián)產(chǎn)系統能源利用率

聯(lián)產(chǎn)系統可以利用余熱進(jìn)行供熱、制冷，其一次能源利用率為：

式中，ηle表示聯(lián)產(chǎn)系統的發(fā)電效率;Qf表示聯(lián)產(chǎn)系統的總能源消耗量。

(二)節能率

節能率=節能量/原燃料消耗量。在此，表示聯(lián)產(chǎn)系統相對于分產(chǎn)系統的節能率，以PES表示，公式為：

(三)效率

效率也稱(chēng)二次能耗率，指系統各種能量之和與燃料的熱能的比值。這是從物理熱力學(xué)第二定律來(lái)對用能效率進(jìn)行衡量的指標，重視能量的質(zhì)。效率可以表示為：，式中：Ew表示系統總供電量(kW);Eh表示系統輸出有用熱量(kW);Ec表示系統輸出有用冷量(kW);Qge表示燃料總值(kW)。

三、結論

選取不同能源效率評價(jià)指標來(lái)衡量分布式能源的效率，結論會(huì )有所不同，有時(shí)甚至會(huì )出現大相徑庭的結果。對冷(熱)電聯(lián)產(chǎn)的效率評價(jià)準則分為兩類(lèi)，一類(lèi)是根據物理熱力學(xué)第一定律，不考慮質(zhì)的差別，常用的有一次能源利用率、節能率;另一類(lèi)是根據物理熱力學(xué)第二定律，考慮質(zhì)的差別，如效率。目前，應用較多，效率評價(jià)相對簡(jiǎn)單的指標是第一類(lèi)，尤其以一次能源利用率指標評價(jià)和仿真的研究較多。