分布式能源站(分布式能源站是以小小模分布化)

 

一次能源是指自然界中本身就存在的天然能源；二次能源则是指经过一次能源加工后转化为我们日常所需的另一种形态的生活资源。

为了避免能源枯竭与环境污染对人类社会产生更进一步的危害，各国必须改变生产和利用能源的方式。自第二次工业革命以来，电力作为一种高效、清洁且可实现多种能源相互转换的能源利用形式，在世界经济社会发展中发挥着越来越重要的作用。它是当今世界中能源最重要的转化形式，是国民经济乃至国家安全的重要保障。越来越多的一次能源被转换为电力的形式加以利用，很多可再生的清洁能源也只有转换成电能才能广泛地得到应用。电力和能源是紧密联系在一起的，因此，能源变革的实现也必将以电力产业的变革为重点。

传统的发电模式以火力发电为主，其发电量在总发电量中所占比重为70%以上，而火力发电输出的电能大多由化石能源的燃烧所产生的热能转换而成。为了遵循可持续发展的原则，世界各国都在积极寻求新型可持续的电力供应技术，借以替代传统的发电方式。其中水力发电利用水位落差产生廉价无污染的电力，但可能会造成生态破坏；核能发电不会造成空气污染，但发电成本较高，且一旦发生核事故，将造成严重的危害；风力发电将风能转换为电能发出，光伏发电则是将太阳能转换为电能发出，而风能、太阳能都是清洁能源，且都具有取之不尽、用之不竭的优点。但由于风能、太阳能具有随机性、波动性特征，为了最大程度地利用这些间歇性可再生能源，并解决资源在空间上分布不均衡的问题，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，学者们相继提出了微电网技术、智能电网技术，促使传统电网逐步向智能电网过渡。

然而，智能电网的物理实体主要是电力系统，能量在智能电网中只能以电能一种形式传输和使用，不同能源之间的传输仍旧是独立进行的，电能、天然气、热能、冷能等的传输互不干扰，有着各自的传输网络。从能源消耗方面而言，虽然通过支持可再生能源的接入，分布式发电技术能够减少火力发电在发电总量中所占的比重，但用户对于除了电能以外的其他能源的需求(如热能、冷能等)却依旧消耗着大量的化石能源，因此光靠分布式发电不能够完全缓解目前能源紧张的问题，分布式能源的大规模高效利用依旧难以实现。因此，综合天然气、电能、热能等各个能源网络进行混合供能，以便实现多种能源子系统之间的协调规划、优化运行，协同管理、交互响应和互补互济，这是满足系统内多元化用能需求、有效提升能源利用效率、促进能源可持续发展的必然趋势。

分布式能源是立足本地资源，平衡终端需求，区域性能源（冷、热、电）的产、储、配、供、控一体化服务体系，包括太阳能、风能、海洋能、水能、热能、煤、石油、天然气、生物质能、氢能。

从总装机容量比例与实际发电比例看，弃风弃光的情况严重。

2016年我国能源消费结构：

当前能源发展与需求的四大矛盾。传统能源电力建设集中在生产侧，特点是大型集约、统发统配，垄断经营。忽略了配电侧的建设，无法满足差异用户的需求。必然需要出现一种建设在终端用户侧的，能实现按需设计、按需生产，就近配给、就近消费，终端节能、终端控制，区域自我平衡循环的新型能源。因此发展分布式能源有着重要的战略意义。

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国家能源局印发《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》：

天然气分布式能源 是指利用天然气为能源，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，综合能源利用效率可达70~90%。

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天然气分布式能源主要用户市场：

天然气分布式能源经济性影响因素：

光伏发电的分类：

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分布式光伏供能流程：

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光伏发电的发展趋势：

趋势1：2017年一季度新增装机容量721万kW，与2016年一季度同期基本持平，但建设地区明显由西部向中东部转移。

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趋势2：分布式光伏发电装机容量异军突起，市场份额大幅增加。

冷热电联产的含义与现状：

CCHP：Combined Cooling HeatingPower系统又称热电冷联产系统，分布式冷热电联产系统是能源综合梯级利用的解决方案，总的能源利用率可以达到75%～90%。

燃气分布式能源系统经济性评价：热电VS冷电

客观现实的评价：

热电联产：节能、经济性较高；冷电联产：不节能，经济性不高；

输配效率：电＞燃气≥热水≥蒸汽＞冷水；

余热利用：燃料（燃煤还是燃气）与热媒具体分析。

CCHP生产过程中的用能分析：

节约好比燕衔泥，浪费犹如河缺口，能源连着你我他，低碳生活靠大家。节能低碳意义大，行动落实靠大家，关灯节水多步行，绿水青天笑脸迎。

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能源互联网研究现状：

2008 年，美国国家科学基金项目资助了北卡罗莱纳州立大学的黄勤教授研发的未来可再生电能传输与管理(the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management，FREEDM)系统，该系统支持可再生分布式能源的即插即用，利用能源路由器优化能源分配；另外，该系统利用固态变压器实现分布式能源、负荷和储能装置的接入，利用智能配电系统软件实现了对分布式能源、负荷和储能装置的管理；并设置了创新性的故障保护装置。德国联邦政府经济和技术部于2008 年发起了名为E-Energy的技术创新促进计划，开发了基于能量传输系统的信息和通信控制技术，且使用智能电表为系统的网络节点提供必要信息；并推出了适用于双向系统的ICT(Information and Communication Technology)解决方案，从而首次实现了以产定销模式的实际应用。

欧盟于2011年启动了未来智能能源互联网(Future Internet for SmartEnergy，FINSENY)项目，旨在使未来的能源互联网实现自动化故障修复、功率分析控制以及电网维护的功能，并为其构建改进的ICT 平台。2010年，日本开展了智慧能源共同体示范工程，提出了一个需求侧响应能源系统，并推动了生产者与用户间能源共同利用模式的形成，且系统中创造性地引入了智能热能供应链，借以实现各建筑间的热能共享。韩国首尔市政府于2011年发布了智慧首尔2015计划，期望从智能电网、云计算、绿色交通信息化以及智能环境等方面，实现智能绿色城市的信息化发展目标。

结合基于多智能体的一致算法，提出了一种应用于能源互联网分布式电机中的新的分布式协调控制器，从而使能源互联网能够作为旋转备用系统运行。

国内研究现状：

2014 年，全球能源互联网发展合作组织主席刘振亚提出了构建全球能源互联网、实施清洁替代和电能替代的发展思路，期望建设以特高压电网为骨干网架(通道)、以输送清洁能源为主、全球互联的坚强智能电网。

多能源混合供能系统是由单一供能向能源互联网发展的重要过渡，因此国内学者在多能源混合供能领域开展了较多研究。

《关于推进互联网+智慧能源发展的指导意见》发改能源〔2016〕392号，定义互联网+智慧能源（以下简称能源互联网）是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网理念、先进信息技术与能源产业深度融合，正在推动能源互联网新技术、新模式和新业态的兴起。

能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑，对提高可再生能源比重，促进化石能源清洁高效利用，提升能源综合效率，推动能源市场开放和产业升级，形成新的经济增长点，提升能源国际合作水平具有重要意义。

在国家氢燃料电池车示范城市，重点在重卡、物流车辆需求密集区，因地制宜建设分布式电制氢加氢站和充电站融合的综合能源服务站。

能源互联网的内涵：

能源互联网基本框架：

能源互联网由电力网络、天然气网络、供热供冷系统、分布式发电单元、储能设备、燃气轮机、燃料电池、锅炉、制冷机等部分组成，支持光能、风能、天然气、电能、热能、冷能等不同能源间的相互转换，实现了一次能源侧的多种能源利用率最大化，满足了用户侧的多样性需求，并保证了配电网、供热供冷网络的安全、稳定运行。

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分布式发电单元：

分布式发电单元主要由风力发电、光伏发电等可再生能源发电设备组成，它是将光能、风能等清洁能源转换为便于传输和利用的电能的核心装置。

风力发电的基本原理为：风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，从而将风的动能转换为机械能；而风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电，从而将机械能转换为电能。当前风力发电系统中主要有恒速恒频异步发电机、变速恒频双馈异步发电机和变速恒频直驱永磁同步发电机三大风力发电机型，其中变速恒频系统能在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速比、最大功率点运行，是当今的主流风力发电系统。

太阳能光伏发电的原理是光伏效应：当光伏电池受到太阳光照射时，半导体内产生电子-空穴对，即光生载流子，将光子中的能量转化为电子的能量；在P-N结内建电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被驱向P区，产生与内建电场方向相反的光生电场；光生电场使势垒降低，产生N区指向P区的光生电动势，从而实现了光能向电能的转换。

图1. 能源互联网基本框架

储能设备：

在能源互联网中，每一个能源网络都配备了相应的储能设备，可将多余的能源存储起来，并在必要时刻释放存储的能源加以利用，从而提高能源利用效率。其中，电力网络利用电化学储能装置存储电能，天然气网络利用储气设备存储天然气，供热网络和供冷网络则分别利用蓄热装置以及蓄冷装置存储热能和冷能。

电化学储能又称为蓄电池储能，它的充放电原理如下：蓄电池充电时，利用外部的电能使电池内部活性物质再生，从而将电能转换为化学能存储；蓄电池放电时，电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应，从而将存储的化学能转换为电能向外输送。目前的电化学储能装置主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、钒液流电池、锌空气电池、氢镍电池、燃料电池以及超级电容器等等。

目前的天然气存储方式主要包括气态存储以及液态存储两种方式。气态存储方式包括储气罐储气、地下储气库储气、管道储气、压缩天然气储气等，其中储气罐储气有低压储气罐储气和高压储气罐储气两种方式；地下储气库又分为四种形式：利用枯竭油气田地层穴储气、利用含水多孔地层储气、利用岩

盐地穴储气和利用废弃煤矿井储气；液态存储方式即液化天然气储气，将天然气用低温常压的方法冷却至零下162˚C 以下，从而转化为液态天然气存储，能够大幅度提升天然气存储量。其他新兴的天然气存储技术还有水合物储气技术以及天然气吸附储存技术等。

储热技术是一种以储热材料为媒介，将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来，并在需要的时候释放的技术，主要分为显热储热、潜热储热与热化学储热三类。其中，显热储热是利用材料物质自身比热容，通过温度的变化来进行热量的存储与释放；潜热储热又称为相变储热，它利用材料的自身相变过程吸热、放热来实现热量的存储与释放；热化学储热则利用物质间的可逆化学反应或者化学吸附反应、脱附反应的吸热、放热进行热量的存储与释放。

蓄冷技术是一种利用蓄能介质将冷量储蓄起来，并在用户需求高峰期时将冷量释放的技术，包括水蓄冷技术、冰蓄冷技术以及化合物蓄冷技术等等。其中水蓄冷技术属于显热蓄冷技术，包括多槽混和连接式(迷宫式)、多槽分层连接式、温差分层式、移动布水分层式四种；冰蓄冷技术属于相变潜热蓄冷技术，它经历了由静态冰蓄冷到动态冰蓄冷的发展过程；化合物蓄冷技术目前还未成熟，实际应用较少。

燃气轮机：

燃气轮机是一种旋转式热力发动机，它以连续流动的燃气为工质，能够将燃料的化学能转变为转子机械能。燃气轮机由压气机、燃烧室、燃气透平三个主要部分组成。燃机轮机常用于驱动发电机，构成燃气轮机发电机组，以将天然气的化学能转换为电能。其工作原理如下：空气进入压气机，经过逐级压缩进入燃烧室，与喷入的天然气混合燃烧，产生高温燃气；然后燃气进入透平中做功，推动燃气透平叶轮转动的同时带动发电机旋转发电；燃气经燃烧、做功后产生的高温排气可通过换热设备放热以回收利用部分余热。

燃料电池：

燃料电池由正负电极以及电解质组成，是一种将化学能转化为电能的发电装置，其转化过程是一种不经过燃烧的电化学反应：当燃料电池处于工作状态时，燃料输入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生燃料氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。燃料电池包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

锅炉：

电锅炉是将电能转换为热能，使水加热以产生具有一定温度的热水或一定压力的蒸汽的电热装置。

电锅炉的工作原理是：首先由大功率电热元件通电发热，将电能转换为热能；或是由电磁感应元件先将电能转换为电磁能，再将电磁能转换为热能；其次利用热交换元件直接或间接地将传热媒介(如水)加热，产生热水或蒸汽。电锅炉的分类方式很多，但最基本的分类方法是：按照电热原理和电热元件不同，电热锅炉可分为电热管电热锅炉、电热棒电热锅炉、电热板电热锅炉、电极式电热锅炉、感应式电热锅炉等五大类。

燃气锅炉是以天然气为燃料，将天然气内部的化学能转换为热能的供热装置。其供热原理为：冷水由进水阀进入锅炉，经过内部燃烧室燃气燃烧加热后产生热水，热水通过循环水泵送入采暖散热器，通过辐射和对流换热来供暖；回水重新进入锅炉里面进行加热，然后重新流入散热器，如此循环往复的进行。

制冷机：

制冷机是一种能够将具有较低温度的被冷却物体的热量转移给环境介质从而获得冷量的机器，常见的制冷机包括压缩式制冷机、吸收式制冷机、蒸汽喷射式制冷机，半导体制冷等。

空调是一种典型的压缩式制冷机，空调制冷技术能够实现电能向冷能的转换。当前我国应用最为广泛的空调主要有热泵型空调器和电辅热泵型空调器两种类型，制冷原理均为循环逆卡诺原理：在空气源热泵技术的制冷过程中，通过自身收集热量效率高的特点，将低温热源集中并整合形成高温热源。当空调处于制热模式下时，室内是制热，室外是制冷；而当空调处于制冷模式下时，室内是制冷，室外是制热。目前的主流制冷剂仍然依靠人工合成的氟氯昂和一些碳氢化合物作为制冷剂原料，容易对臭氧层造成破坏。

吸收式制冷机组依靠吸收器–发生器组的作用完成制冷循环，采用二元溶液作为工质，其中低沸点组分用作制冷剂，利用它的蒸发来制冷；高沸点的组分用作吸收剂，利用它对制冷剂蒸汽的吸收作用来完成工作循环。常用的吸收式制冷机包括氨水吸收式制冷机和溴化锂吸收式制冷机两种。

P2G 技术：

P2G 技术是一种将电能转换为气体中蕴含的化学能的技术。P2G 技术的原理为：首先通过电解水产生氢气和氧气，从而将电能转换为氢能；再将生成的氢气进一步和二氧化碳结合，催化产生甲烷，从而将氢能转换为甲烷含有的化学能。甲烷是天然气最重要的成分，可以以一定的配比生成混合气体注入天然气网络进行运输或存储。P2G 技术的出现加强了电气网络和天然气网络的耦合，实现了能量由电气网络向天然气网络的流动。

能源互联网的关键技术：

能源互联网与传统能源区别：

分布式能源对能源互联网的作用：

第一步对现有电网进行改造，适应分布式能源接入；

第二步将现有分布式能源接入，实现推广前的初步探索，包括在输配、交易、效率等领域的提升；

第三步全面推广，将分布式能源大量推广并接入电网，推动能源互联网最终成型。

发展能源互联网是解决当今世界的能源短缺以及环境污染问题的必然趋势。能源互联网由电气系统、天然气网络、供热供冷系统、交通系统等耦合而成，结合了互联网技术、可再生能源技术等现代技术，是对智能电网的进一步发展和深化。

本文来源于互联网，素材及数据调用原作者：周升彧，胡林献；楼可炜。暖通南社整理编辑。

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