[科普中国]-分布式供电技术

分布式供电主要方式

分布式发电方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式（CHP），或冷热电三联产方式（CCHP）；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式等。表1列出了主要的分布式供电方式。在产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源，而随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，于20世纪60年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升；同时，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，虽然可再生能源是取之无尽的洁净能源，但其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，可再生能源一次投资较大，经济性差；而化石能源的发电技术不仅更加成熟，而且效率更高。因此，作为分布式供电的发电技术，化石能源是主要方向。

分类分布式电源大都为分散的小规模电源，根据发电所用的燃料进行划分，主要包括各种可再生新能源分布式电源(太阳能、风能、生物质能、小水电、海洋能等)和燃用化石能源的微型燃气轮机等。

(1)燃用化石能源的微型燃气轮机

微型燃气轮机(microturbine)是一类新发展起来的，以天然气、丙烷、汽油、柴油等化石能源为主要燃料的小型热力发动机，功率范围一般为20—500kW。它的发电效率虽然不高，但可实现热电互联运行，提高化石能源利用率，且具有很好的可操控性和连续性，是目前开发的最具有商业竞争力的分布式电源之一。微型燃气轮机的工作原理如右图所示。

由上图可以看出:空气先由离心式压缩机压缩为高压气体，然后在回热器内被涡轮机排放的热气预热后作为氧化剂进入燃烧器内与燃料混合燃烧，燃烧后的高温燃气作为气动力推动向心式涡轮机做功，从而带动发电机发电。涡轮机做功后排放的余热气体除了预热高压空气外，还通过热交换器向外界供热，从而实现了能源的多级利用和热电联产。

与柴油机发电机组相比，微型燃机具有以下一系列先进技术特征：

（1）运动部件少，结构简单紧凑，重量轻，是传统燃机的1/4；

（2）可用多种燃料，燃料消耗率低、排放低，尤其是使用天然气；

（3）低振动、低噪音、寿命长、运行成本低；

（4）设计简单、备用件少、生产成本低；

（5）通过调节转速，即使不是满负荷运转，效率也非常高；

（6）可遥控和诊断；

（7）可多台集成扩容。

因此，先进的微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供电的最佳方式，使电站更靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。制造商们相信，一旦达到适当的批量，微型燃气轮机有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电装置相比，微型燃气轮机是一种更好的环保型发电装置。

(2)太阳能发电

太阳能发电又分为太阳能热能发电和光伏发电2类。太阳能热能发电原理与传统的热发电相似，只不过这里产生蒸汽动力的热源为通过集热器收集来的太阳能;太阳能光伏发电利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。太阳能发电技术受地域限制性小、建设灵活、无污染，发展潜力巨大。目前我国太阳能电池的产量约为1100MW，居世界第1位。但是太阳能发电也存在能量密度较低，容易受天气等因素影响，初期投入成本高等不利因素，这些都是我们未来分布式太阳能发电技术研究、改进的方向。

(3)风力发电机组

风力发电技术是通过风电动力装置将风能转化为机械能，再经过风电机组转化为电能的技术，所发电力经整流、逆变或与电网直接连接。目前先进的变速风力发电系统具备效率可调整和可优化的特点，能够最大限度地利用风能。

大中型风电机组并网发电，已经成为世界风能利用的主要形式。但是风力发电可靠性还不高，这是掣肘风力发电技术大规模并网应用的一个关键性因素，也是今后风力发电技术的重要研究方向。

针对以上所述的太阳能与风力发电各自优缺点，近年发展起来的风—光互补发电系统可将二者合理配置，兼顾可靠性的提高和运行成本的降低。右图为风—光互补发电系统结构示意图。

该系统利用太阳能电池组和风力发电机将交流电通过整流装置变为直流电储存到蓄电池中。当负载需要供电时，控制器将储存的直流电通过通过逆变器供给交流负载。而对于直流负载来说，则通过斩波装置获得电能。

(4)海洋能发电站

海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能等多种能源形态，但整体而言海洋能发电技术还处于初步发展阶段，相比而言，潮汐能的应用规模最大。

(5)地热发电

地热发电是以地下热水和蒸汽为动力源，其工作原理与火力发电相似。相对于太阳能热力发电和风能发电的不稳定性来说，地热能发电的输出功率较为稳定，但受地域限制性大。对于地热资源丰富的地区，地热发电是解决当地电能问题的一个不错选择。

(6)生物质能发电机组

生物质能发电是将生物质转化为可驱动发电机的能量形式(如沼气、燃气、燃油、酒精等)，再按照常规发电技术进行发电。生物质能分布最为广泛，总量十分丰富，常常可以“变废为宝”，尤其是在山区、农村等农业地区应用前景广阔。

(7)燃料电池

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。它的工作原理是电解水的逆过程，即通过氢和氧的化合释放出电能，排放物为水蒸气，因此对环境无污染且无噪声。但是成本较高，目前还不能广泛地作商业化应用。燃料电池系统如右图所示。

优点与集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。

1、满足特殊场合的需求

分布式供电可以满足特殊场合的需求，如：不适宜铺设电网的西部等偏远地区或散布的用户；对供电安全稳定性要求较高的特殊用户如医院、银行等；能源需求较为多样化的用户，需要电力的同时还需要热或冷能的供应。因为它最大的优点是不需远距离输配电设备，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或热电冷三联产，提高能源利用率。

2、安全稳定性方面

分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足：在世界上大型火电厂建设的趋势有增无减之时，电网的急速膨胀对供电安全与稳定性带来很大威胁，而各种形式的小型分布式供电系统，使国民经济、国家安全至关重要而又极为脆弱的纽带--大电网，不再孤立和笨拙。

3、大大地提高供电可靠性

直接安置在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下，可维持重要用户的供电。分布式供电方式为能源的综合梯级利用提供了可能：常规的集中供电方式能量形式相对单一，当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用，而分布式供电方式以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。

4、开辟新的方向

分布式供电方式为可再生能源的利用开辟了新的方向：相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散性强，而且目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，作为集中供电手段是不现实的。而分布式供电方式为可再生能源利用的发展提供了新的动力。我国的可再生能源资源丰富，发展可再生能源是21世纪减少环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然要求，因此为充分利用量多面广的可再生能源发电，方便安全地向偏僻少能源地区供电，现在建设可再生能源分布式供电的呼声渐渐高涨。

存在问题还应指出，对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题：合理调整能源结构、进一步提高能源利用效率、改善能源产业的安全性、解决环境污染，单一的大电网集中供电解决上述问题存在困难，而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因此，大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合，被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统，成为21世纪电力工业的发展方向。这就是说，世界电力工业已经开始向传统电力工业的模式告别，走向依靠大型发电站和小型分布式供电广泛结合的过渡的“分散式”电力系统，从而大大改善供电效率、供电品质和减轻当今电力行业对环境影响形成的负担、减少兴建和改善输配电线路。而且，由于近来发生的加州供电危机，国外有的观点甚至认为今后在大力发展分布式供电的情况下，大型中心电站将走向衰落。1

分布式供电发展方向虽然回热等有效提高微型燃气轮机系统热转功效率的手段得到应用，微型燃机发电效率已从17%~20%上升到当前的26%~30%，但以微型燃气轮机作为动力的简单的分布式供电系统的热转功效率依然远小于大型集中供电电站。如何有效提高分布式供电系统的能量利用效率是当前分布式供电技术发展所面临的主要障碍之一。

正如常规的集中供电电站可以通过功热并供提高能源利用率一样，分布式供电系统在用户需要的情况下，同样可以在生产电力的同时提供热能或同时满足供热、制冷两方面的需求。而后者则成为一种先进的能源利用系统-冷热电三联产系统。与简单的供电系统相比，冷热电三联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性。因此，三联产技术是目前分布式供电发展的主要方向之一。

目前我国正处在经济高速发展时期，提高资源综合利用效率，是我国能源工业能否持续支撑国家现代化建设的关键所在。我国能源利用水平距世界发达国家还有很大的差距，日益增长的电力需求远未得到满足，“大机组、大电厂、大电网”的大规模、集中式的电网供电依然是我国目前能源工业的主要发展方向。

但是，我国需要分布式供电。这是因为：

（1）我国幅员辽阔，但物产资源相对贫乏，而且经济发展不平衡。对于西部等偏远、落后地区而言，由于其远离经济发达地区，形成一定规模的、强大的集中式西北电网系统需要很长时间和巨额的投资，这无法满足目前西部经济快速发展的需要。而分布式供电系统可以借助西部天然气资源丰富、可再生能源有多种多样的优势，在短时间内，以较小的投资为代价，为西部经济发展提供有利的支撑；对于东南沿海经济发达地区，由于生活水平的日益提高，已经出现了类似于西方发达国家的对于能源产品需求多样化的趋势，与集中式供电相比，分布式供电可以为解决上述问题提供更加圆满的方案。

（2）随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题是不容忽视的，如纽约市、台湾岛二次大停电已为我们敲响了警钟。为了及时抑制这种趋势的蔓延，只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式供电结合在一起，构架更加安全稳定的电力系统。

（3）纵观西方发达国家的能源产业的发展过程，可以发现：它经历了从分布式供电到集中式供电，又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，随着社会的发展，我国能源产业也将面临类似的问题。因此，虽然从目前能源产业的发展情况来看，集中式供电是我国能源系统发展的主要方向，但从长远看，构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理的能源系统，增加电网的质量和可靠性，将为我国能源产业的发展打下坚实的基础。

所以，我国近期应发展大机组、大电厂，同时，不失时机、因地制宜地兴建分布式供电设施。可以预见，随着西部大开发的深入进行，特别是“西气东输”工程的开展，我国沿线区域和边远地区的分布式供电将得到极大的发展。2