多能互補分布式能源關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究

梁晶　趙強　王世朋

摘要：構(gòu)建清潔、低碳、高效的能源供給體系，開創(chuàng)安全高效的能源消費新局面是中國能源轉(zhuǎn)型的方向和目標(biāo)。其中，多能互補系統(tǒng)可以充分地利用分布式能源和可再生能源，對提升可再生能源消納比例和提高能源綜合利用效率具有重要意義。綜述了目前中國國內(nèi)外多能互補分布式能源主要技術(shù)的原理及特點，并重點介紹了燃?xì)夥植际侥茉?、分布式光伏、蓄能系統(tǒng)、熱泵技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：多能互補;燃?xì)夥植际?分布式光伏;蓄能

中圖分類號：TKOI

文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.032

1 引言

中國能源正處于從總量擴張向提質(zhì)增效轉(zhuǎn)變的全新發(fā)展階段，構(gòu)建清潔低碳能源供給體系將成為中國能源發(fā)展的方向和目標(biāo)。其中，多能互補系統(tǒng)可以充分地利用分布式能源和可再生能源，對提升可再生能源消納比例和提高能源綜合利用效率具有重要意義。

多能互補分布式能源與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)很大的區(qū)別在于其豐富多樣的電源形式，主要涵蓋燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機、小水電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及地?zé)岚l(fā)電等。此外還可配置儲能設(shè)備，如飛輪儲能、電池儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容儲能等多種形式儲能。分布式能源從空間、時間和特性上將多種能源進行整合互補，緩解整個系統(tǒng)波動，提升供能可靠性。

2 中國國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

多能互補包括終端一體化集成供能系統(tǒng)和風(fēng)光水火儲多能互補系統(tǒng)兩種類型。為構(gòu)建優(yōu)良的多能互補分布式智慧能源系統(tǒng)，中國國內(nèi)外研究團隊不僅在多種能源組合方面嘗試各種配置，在分布式電源、儲能等方面也進行不斷創(chuàng)新。分布式電源指規(guī)模容量較小，產(chǎn)生的電能不需要大規(guī)模、遠距離輸送，與用戶就近布置，直接進行就地消納的微小型發(fā)電系統(tǒng)[1]，其一般包括傳統(tǒng)發(fā)電模塊、可再生能源發(fā)電模塊等。相對于傳統(tǒng)電源，分布式電源系統(tǒng)簡單，各組件互相獨立，容易控制，對負(fù)荷變動的適應(yīng)性強，擁有很好的調(diào)峰能力。同時由于采用了新興發(fā)電模塊與引入了可再生能源，對溫室氣體及固體廢棄物減排也有很大的促進作用。近年來，由于具有以上優(yōu)點，分布式電源發(fā)展迅速，包括就近供電、海島供電、保障供電、備用電源、“黑起動”電源等。

儲能技術(shù)是借助某種設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)換成另外形式存在的能量并儲存，在必要時再將所儲存的能量轉(zhuǎn)換成電能，目前電能儲存主要包括機械、電磁和電化學(xué)儲能三種形式。儲能系統(tǒng)利用變流器完成同交流母線的能量交換，可消除光伏與風(fēng)電輸出功率的波動影響，確保電池充放電功能，變流器中能量可以進行雙向流動。為了實現(xiàn)削峰填谷，穩(wěn)定輸出，保證供電質(zhì)量，并在必要時進行微網(wǎng)孤島運行，儲能設(shè)備必須具備大容量、高效率轉(zhuǎn)化的能力。目前儲能技術(shù)得到越來越廣泛的關(guān)注，應(yīng)用范圍日益擴大。

3 多能互補分布式能源關(guān)鍵技術(shù)

多能互補是指按照不同資源條件和用能對象，多種能源互相補充、協(xié)同供應(yīng)，以滿足用戶用能需求。

3.1 燃?xì)夥植际侥茉?/p>

燃?xì)夥植际侥茉粗敢蕴烊粴鉃橹饕剂?，在用戶端就近布置，通過冷熱電三聯(lián)供技術(shù)實現(xiàn)能源梯級利用[2]的能源供應(yīng)模式。典型的燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)包括原動機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發(fā)電機、制冷設(shè)備等。天然氣在原動機（燃?xì)廨啓C/內(nèi)燃機/微型燃?xì)廨啓C等）燃燒后，帶動發(fā)電機進行發(fā)電，其中排出的高溫?zé)煔庥酂峥梢砸罁?jù)終端用戶的需求采用多種利用形式，可以經(jīng)過余熱利用設(shè)備的換熱過程，將水加熱成高溫水蒸氣，高溫水蒸氣再進入蒸汽輪機內(nèi)推動葉片旋轉(zhuǎn)，然后通過發(fā)電機發(fā)電;從余熱利用設(shè)備中排出的低溫?zé)煔饪赏ㄟ^煙氣驅(qū)動吸收式熱泵來提供熱水，而從蒸汽輪機排出的中溫蒸汽可驅(qū)動熱泵來提供冷量和熱量。

燃?xì)夥植际侥茉聪鄬τ趥鹘y(tǒng)的能源供應(yīng)模式，其對能量進行了梯級高效利用，實現(xiàn)了冷、熱、電的同時供應(yīng)。充分利用了發(fā)電余熱，由于電力和冷熱量供應(yīng)距離較短，能源的綜合利用效率可達到70% - 90%。同時，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)可作為大電網(wǎng)的有效補充，提高能源供應(yīng)的安全性，同時對天然氣和電力具有雙重“削峰填谷”的作用。另外，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)可大幅度減少二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，節(jié)能減排效果顯著。

3.2 分布式光伏

光伏發(fā)電借助太陽能電池，利用光生伏特效應(yīng)，把太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能[3]。分布式光伏是在用戶側(cè)就近布置，以自發(fā)自用、余電上網(wǎng)為原則，以平衡調(diào)節(jié)配電系統(tǒng)為特征的光伏發(fā)電裝置。它以就近發(fā)電、并網(wǎng)、使用為原則，不僅可以有效提高光伏電站發(fā)電量，還能有效解決長距離傳輸?shù)膿p耗問題。目前城市建筑物屋頂光伏應(yīng)用最為廣泛，同時光伏車棚、幕墻光伏等光伏建筑一體化也在不斷推廣。

目前，分布式光伏應(yīng)用與新能源汽車緊密結(jié)合，利用車棚的屋面資源建設(shè)光伏車棚，同時同步配套建設(shè)充電樁，對新能源汽車進行充電。光伏車棚所發(fā)電量除供給車輛使用外，多余的電量供上網(wǎng)，從而減緩城市的用電壓力，實現(xiàn)社會效益和環(huán)境效益的雙贏。

3.3 蓄能系統(tǒng)

蓄能其實就是指能量的儲存，是把一種能量利用某種裝置和介質(zhì)轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量并儲存的循環(huán)過程，在將來必要時以所需的能量形式釋放使用。多能互補系統(tǒng)中由于供能側(cè)與負(fù)荷側(cè)的能源供求關(guān)系直接影響系統(tǒng)能否實現(xiàn)高效運行，蓄能系統(tǒng)可以保證能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，而且還能達到調(diào)和供需矛盾的作用。當(dāng)用戶負(fù)荷波動較大時，由于蓄能系統(tǒng)發(fā)揮了供需關(guān)系中的緩沖作用，可以使整個大系統(tǒng)仍然以高效率運行，確保全能量供應(yīng)系統(tǒng)的整體性能。

蓄能主要包括儲電、蓄熱（冷）等多種類型。儲電指借助物理、化學(xué)方法等技術(shù)，將能量儲存起來并在需要時釋放使用，一般由變流器（ PCS）、儲能電池和升壓變組成[4]。變流器可實現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換：在充電狀態(tài)時，變流器作為整流器將電能從交流變成直流儲存到儲能裝置中;在放電狀態(tài)時，變流器作為逆變器將儲能裝置儲存的電能從直流變?yōu)榻涣?，輸送到電網(wǎng)。

工程中常用的蓄熱（冷）方式主要有液體顯熱蓄熱、固體顯熱蓄熱、相變蓄熱、吸收式蓄熱等[5]。如斜溫層蓄水罐等液體顯熱蓄熱技術(shù)目前相對成熟，其利用液體蓄熱介質(zhì)溫差存儲熱量，效率較高，且成本低，但蓄熱密度較小。箱變蓄熱是利用箱變潛熱儲存熱量，蓄熱密度大，目前已有應(yīng)用案例。固體顯熱蓄熱是采用鵝卵石或混凝土等材料，利用溫差蓄存熱量，取熱量及溫度品味不穩(wěn)定。吸收式化學(xué)需能理論及實驗研究還處于發(fā)展探索階段，市場上尚無成熟產(chǎn)品。

3.4 余熱回收熱泵

燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)主要原動機設(shè)備有燃?xì)廨啓C、燃?xì)鈨?nèi)燃機，也是系統(tǒng)主要的余熱來源[6]。就燃?xì)鈨?nèi)燃機而言，余熱形式有煙氣、高溫缸套水、中冷水、滑油冷卻熱，煙氣溫度一般在300 - 500℃之間，高溫缸套水溫度一般在85 -95℃，中冷水溫度一般在40 - 50℃，滑油冷卻熱通過高溫缸套水帶走;就燃?xì)廨啓C而言，余熱形式為煙氣，溫度一般在450 - 600℃間。常見燃?xì)夥植际较到y(tǒng)通過鍋爐煙氣余熱利用設(shè)備可將排煙溫度降低到80 - 120℃，這仍會造成部分能量浪費，影響系統(tǒng)綜合能源利用效率。熱泵技術(shù)作為一種可以將低位熱能提升至高品位并加以再利用的設(shè)備，可進一步回收余熱，在節(jié)能方面有良好應(yīng)用前景。燃?xì)夥植际较到y(tǒng)中，可通過煙氣余熱回收熱泵技術(shù)，進一步挖掘余熱潛力，將排煙溫度可降低至40℃以下后將煙氣排至室外;而熱泵系統(tǒng)的進水由低溫水提高至中溫水后用于系統(tǒng)應(yīng)用，由此提高系統(tǒng)綜合能源利用效率，提高項目綜合收益。

能源站在發(fā)電供熱的同時，有大量的乏汽冷凝熱（約20%）通過冷卻塔排放到大氣中，通過溴化鋰吸收式熱泵可有效回收乏汽冷凝熱。由于吸收式熱泵能將低溫水的溫度提升至比較高的溫度，且機組單機供熱量大，適合于北方集中供暖系統(tǒng)以及工藝用熱和鍋爐補水加熱。在熱泵加熱一次網(wǎng)回水場景中，可抽取汽輪機低壓蒸汽作為溴化鋰吸收式熱泵機組的驅(qū)動熱源，回收發(fā)電系統(tǒng)乏汽冷凝熱，將一次網(wǎng)回水溫度從50℃提高至80℃供熱。在不發(fā)生燃料消耗、不減少電廠發(fā)電量的情況下，可增加供熱能力30%以上;在熱泵加熱鍋爐給水場景中，可抽取汽輪機低壓蒸汽作為溴化鋰吸收式熱泵機組的驅(qū)動熱源，回收發(fā)電系統(tǒng)乏汽冷凝熱來加熱鍋爐水，以減少鍋爐能耗。

3.5 污水源熱泵

污水源熱泵系統(tǒng)是通過污水換熱器與中介水進行換熱，中介水進入熱泵，通過電能驅(qū)動熱泵主機，冬季從水資源中提取低品質(zhì)熱能，通過熱網(wǎng)供給采暖及生活熱水系統(tǒng);夏季將水資源中的低品質(zhì)冷能“汲取”出來，經(jīng)管網(wǎng)供給室內(nèi)供冷系統(tǒng)，給室內(nèi)提供空調(diào)制冷，充分利用污水能量。

污水具有水處理量大、水源穩(wěn)定、冬暖夏涼等特點，城市污水作為冷熱源為污水源熱泵提供能量[7]。按污水熱能提取方式可分為直接利用式和間接利用式。熱泵空調(diào)機組換熱器中的制冷劑與污水直接進行換熱，提取其中熱量或冷量，稱之為直接換熱式熱泵空調(diào)系統(tǒng);通過熱交換器使污水與某種中間介質(zhì)進行熱交換，隨后通過中間介質(zhì)同制冷劑換熱的系統(tǒng)，稱之為間接換熱式熱泵空調(diào)系統(tǒng)。直接換熱系統(tǒng)制熱效率高、系統(tǒng)簡單、系統(tǒng)壽命低、機組清洗周期短;間接換熱系統(tǒng)制熱效率低、系統(tǒng)復(fù)雜、使用壽命長、清洗周期長。

4 小結(jié)

隨著綠色發(fā)展理念及國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃的穩(wěn)步推進與落實，可再生能源+清潔能源的多能源互補終端一體化供能系統(tǒng)將呈現(xiàn)快速增長趨勢。多能互補分布式能源系統(tǒng)將各種先進技術(shù)深度融合，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配比與協(xié)調(diào)。隨著國家、社會的發(fā)展，對當(dāng)前已有關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及相關(guān)技術(shù)存在的核心問題攻堅將更加深入，同時相伴隨的需要克服的新技術(shù)屏障也會不斷出現(xiàn)，但可以肯定，今后更先進、全面的技術(shù)也一定會不斷涌現(xiàn)。

參考文獻：

[1]王崢，梁偉，陳思佳.分布式電源接入城市配電網(wǎng)規(guī)則分析[J].中國電力，2013，46（7）：43-46.

[2]白雪.“十三五”天然氣分布式能源或迎快速發(fā)展[J].中國石化，2017（ 1）： 77-78.

[3]鄭道.并網(wǎng)光伏電站電能質(zhì)量測試研究[J].電氣時代，2015 （6）： 50-51.

[4]曹生允.電池儲能的兩級式功率變換系統(tǒng)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2014.

[5]王智輝.熱化學(xué)蓄熱系統(tǒng)研究進展[J].新能源進展，2015，3 （4）： 289-298.

[6]黃妮娜，李培元，應(yīng)炬鋒.燃?xì)夥植际较到y(tǒng)的經(jīng)濟性分析[J].分布式能源，2016，1（2）： 61-66.

[7]王繼斌.污水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景[J].西部皮革.2016，38 （2）：3.