主要可再生能源及其分布式系統(tǒng)的構(gòu)建

任建興，劉青榮，楊涌文，朱群志

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090)

能源是一個國家、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ).分布式能源是智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重要組成部分.智能電網(wǎng)包括電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度6大環(huán)節(jié)，其中發(fā)電環(huán)節(jié)是智能電網(wǎng)的源頭.國家能源中長期發(fā)展規(guī)劃明確指出，要加快智能電網(wǎng)建設(shè)，提高電網(wǎng)的資源優(yōu)化配置能力，以滿足國家快速增長的能源需求，保障能源安全［1］.由于我國的能源消耗70%以上為化石能源煤炭，煤炭的過量消耗必然會產(chǎn)生環(huán)境污染等諸多問題，但是可再生能源是取之不盡用之不竭的，因此未來我國能源消費結(jié)構(gòu)將朝清潔化、低碳化方向發(fā)展.按照發(fā)電煤耗折算，“十二五”末，非化石能源的消費比重將超過11%，以可再生能源為主體的分布式能源系統(tǒng)將具有更廣闊的發(fā)展空間［2，3］.

1 可再生能源的主要種類

能源可以分為非再生能源和可再生能源兩大類型.在工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪兴牡哪茉粗饕腔茉矗床豢稍偕哪茉?可再生能源主要包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和水能等.分布式能源系統(tǒng)主要以太陽能和風(fēng)能為主.在能源供需矛盾日益突出的今天，太陽能和風(fēng)能可以作為最主要的可再生能源加以利用.

1.1 太陽能

太陽能是太陽光的輻射能量.太陽能的利用主要有被動式利用光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，目前光電轉(zhuǎn)換即光伏發(fā)電已得到廣泛應(yīng)用.太陽能的特點如下:

(1)無所不在 有太陽光照射的地方就有太陽能的存在，太陽能不受地域的限制，無論陸地、高山和海洋處處皆有，且無須開采和運輸;

(2)綠色清潔 開發(fā)利用太陽能不會導(dǎo)致環(huán)境污染，是一種最為清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，開發(fā)和利用太陽能是保證能源有效供給的重要措施;

(3)能源儲存量巨大 太陽能能量巨大，每年到達地球表面的太陽輻射能大約相當(dāng)于1.3×1016t標(biāo)準煤，是世界上最具開發(fā)意義的能源;

(4)取之不盡 根據(jù)目前太陽所產(chǎn)生的能源速率估算，太陽能的貯量能夠維持百億年，因此太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源;

(5)能流密度低且供給不穩(wěn)定 太陽能輻射到達地球表面的總量雖然很高，但單位面積上太陽能輻射的能量比較少，即太陽能能流密度低，而且還受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制，以及晴、陰、云、雨等氣候隨機因素的影響，具有不穩(wěn)定性［4，5］.

1.2 風(fēng) 能

風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能.由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣含量的不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動而生成風(fēng).風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的小時數(shù).風(fēng)能密度與風(fēng)速的3次方和空氣密度成正比.據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，全世界的風(fēng)能總量大約1.3×1011kW，我國的風(fēng)能總量大約1.6×109kW.由此可知，我國大力開發(fā)利用風(fēng)能具有十分重要的現(xiàn)實意義.

風(fēng)能的利用一般可以通過風(fēng)車來提取.當(dāng)風(fēng)吹動風(fēng)輪時，風(fēng)力帶動風(fēng)輪繞軸旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，再由機械能轉(zhuǎn)化為電能或其他能量.風(fēng)能轉(zhuǎn)化量的大小直接與空氣密度、風(fēng)輪掃過的面積和風(fēng)速的平方成正比.風(fēng)能的特點如下.

(1)能源潔凈 風(fēng)能來源廣，利用風(fēng)能不會對大氣環(huán)境產(chǎn)生污染.

(2)穩(wěn)定性較差 風(fēng)能也和太陽能類似，存在不穩(wěn)定性.風(fēng)速不穩(wěn)定，產(chǎn)生的能量大小也不穩(wěn)定.風(fēng)能的利用受地理位置和氣候條件變化的限制，不同位置、不同氣候條件下的風(fēng)能隨時間的變化而改變.

(3)能量轉(zhuǎn)換效率較低 相對而言，風(fēng)能的能量轉(zhuǎn)化效率低，發(fā)電成本高.

2 可再生能源分布式系統(tǒng)的構(gòu)建

分布式能源系統(tǒng)是分散在用戶端或靠近用戶端的，以高效節(jié)能技術(shù)和能量梯級利用為核心的能源系統(tǒng).其產(chǎn)生的電力優(yōu)先滿足自身用戶的需求，當(dāng)電力有富裕時，系統(tǒng)并網(wǎng)向網(wǎng)上供電;當(dāng)自身發(fā)電不足時，部分電力從電網(wǎng)輸入.由于分布式能源系統(tǒng)能夠全部或部分滿足自身電力負荷的要求，從電力輸配網(wǎng)輸入的電能較少，因此對電力輸配網(wǎng)的依存度相對較低，有利于供電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行.

構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)的電源，一般由多種類型的電源點組成，如可再生能源風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能，以及燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機等提供的動能.目前以可再生能源——風(fēng)能、太陽能為主體的可再生分布式能源系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用［6，7］.

2.1 太陽能光伏發(fā)電

在分布式能源系統(tǒng)中，太陽能的利用是一個重要的組成部分.而太陽能利用則以太陽能光伏發(fā)電為主要形式.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由4個部分構(gòu)成:

(1)太陽電池方陣 由多個太陽電池組件組合而成，產(chǎn)生負載所需要的電能;

(2)蓄電池組 由若干個蓄電池經(jīng)串聯(lián)組成的電能儲存裝置;

(3)控制器 主要對整個系統(tǒng)進行有效控制，并對系統(tǒng)的輸入和輸出功率起到協(xié)調(diào)作用;

(4)逆變器 是將太陽電池方陣產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備.

太陽電池方陣是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最為重要的組成部分.目前應(yīng)用最廣的太陽電池材料是晶體硅太陽電池，它由N型和P型半導(dǎo)體材料組成，如圖1所示.

太陽電池種類主要有單晶硅、多晶硅晶硅系列和薄膜晶硅系列，如圖2，圖3，圖4所示.單晶硅、多晶硅晶硅系列電池的厚度大約為200～300 μm，分為兩個區(qū)域:一是正電荷區(qū);二是負電荷區(qū).薄膜晶硅系列電池非常薄，約為1 μm，其顯著特點是形狀可以根據(jù)需要而改變.目前國內(nèi)生產(chǎn)的晶硅系列太陽電池效率約為10% ～15%，工作壽命約為 20 年［3］.

圖2 單晶硅板

圖3 多晶硅板

圖4 薄膜電池板

2.2 風(fēng)力發(fā)電機組

風(fēng)力發(fā)電機組的形式一般可分為兩類，即:水平軸式和垂直軸式.水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組又分為升力型和阻力型兩種.一般多采用升力型水平軸風(fēng)力發(fā)電機組.水平軸風(fēng)力發(fā)電機組通常由風(fēng)輪、變速器、發(fā)電機、風(fēng)向傳感元件、伺服電機、控制器等裝置組成.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機與水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪形式存在較大的差異.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機能隨風(fēng)向改變而轉(zhuǎn)動，其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，這是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的一大優(yōu)勢.但在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的條件下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機提供的輸出功率較低，因此大功率的風(fēng)力發(fā)電機組一般采用水平軸式機組.

3 可再生分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)建

分布式能源系統(tǒng)是一種新型的能源供給方式，其優(yōu)點是在負荷集中區(qū)域就地發(fā)電，就地使用，不但節(jié)省了集中大電網(wǎng)長距離、大容量的輸電線纜，減少了線損，而且故障可以就地處理，有利于大電網(wǎng)的安全運行;系統(tǒng)規(guī)模相對較小，配置比較簡單，系統(tǒng)自身損耗小，發(fā)電收益率可達90%以上［8-11］.

根據(jù)電力負荷的不同類型與要求，分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)建形式也存在較大差異.對于一般住宅建筑，可再生分布式能源系統(tǒng)主要以太陽能的光伏發(fā)電為主，如圖5所示［3］.

圖5 光伏發(fā)電分布式能源系統(tǒng)

在建筑物的頂部布置晶硅系列的太陽電池方陣，建筑物所需的電力負荷由太陽能光伏發(fā)電和外部電網(wǎng)供電組成的分布式能源系統(tǒng)提供.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池方陣、逆變器、控制器、電氣箱和電表組成，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率大于建筑用電負荷時，剩余電力向電網(wǎng)供電，如果小于用電負荷，不足部分則由電網(wǎng)供電.這種供電模式能夠有效地利用可再生能源，以降低電網(wǎng)供電負荷，提高電網(wǎng)安全性.

對于大型公共建筑或其他電力負荷相對比較集中的區(qū)域，可以考慮導(dǎo)入多類型可再生分布式能源系統(tǒng)，如圖6所示.整個系統(tǒng)由可再生能源太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，以及常規(guī)能源天然氣驅(qū)動的內(nèi)燃機、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成.根據(jù)公共建筑或用能區(qū)域?qū)δ茉吹男枨螅捎靡钥稍偕茉刺柲馨l(fā)電、風(fēng)力發(fā)電為主體，內(nèi)燃機和燃料電池為輔的能源供給系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱、冷、電3聯(lián)供，以提高能源利用率，降低電網(wǎng)負荷，使電網(wǎng)的運行更趨安全穩(wěn)定.

圖6 多類型可再生分布式能源系統(tǒng)

4 結(jié)語

對于一般住宅建筑，可再生分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)建主要以太陽能的光伏發(fā)電為主;對于大型公共建筑或其他電力負荷相對比較集中的區(qū)域，分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)建以多類型可再生能源太陽光發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和常規(guī)能源天然氣驅(qū)動的內(nèi)燃機、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為主.

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