分布式能源定义及其特征

徐建中，邓建玲

(1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100044;2.中国华电集团公司，北京 100011)

0 引言

现代化的发展离不开电力建设，电力已经成为人类生产、生活中最方便的动力来源。我国是一个电力大国，2010年的总发电量已超过美国，2012年的总装机容量已与美国持平。由于我国一次能源主要分布于西北部地区，而用电区域在东南沿海，造成全国性西电东送、北电南送的局面，因此，我国智能电网发展以坚强网架为基础，大力推进电网智能化建设。但不论电网多么强大，电网的事故概率还是存在的，美国的电网发生过多次大面积停电事故，我国南方在冰雪灾害发生时也曾发生过倒塔和停电事故。2012年，国务院通过的《能源发展“十二五”规划》中提出，要加快能源生产和利用方式变革，强化节能优先战略，全面提高能源开发转化和利用效率，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系。分布式能源发展是保证电网安全备用、提高电网能源利用效率、减少环境污染、提高负荷调节速率的重要保证。

1 分布式能源定义

所谓分布式能源，世界各种研究组织或机构从不同的角度和方向给出了不同的理解和定义，主要指分布在用户端的能源综合利用系统，一次能源以气体或液体燃料为主、以可再生能源为辅的多能源输入，二次能源以直供用户端的电力、热(冷)力、干燥、海水淡化、燃料提质等多能输出，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用。由于系统采用了温度对口、梯级利用的原则，在系统效率方面，年均综合效率可达70%以上;在能源的安全性和可靠性方面，由于靠近用户端，提高了系统的整体安全性，甚至可保证电网事故情况下重要区域的能源供应;在环境保护方面，通过系统效率的提高、可再生能源的部分利用和污染物的资源化处理等，实现了最低值排放的环保目标。表1给出了分布式能源的不同定义。

表1 分布式能源的不同定义

对于分布式能源的理解，上述定义均具有代表性和权威性，也从不同方面表达了分布式能源的真实含义。除此以外，国内还有不少学者和专家发表过不同的分布式能源定义。上述定义中以国家能源局的描述最为简洁，在此基础上推荐的定义如下:靠近用户侧，由不同模块化设备组成的提供多种形式能源的供应系统。

2 分布式能源站的主要特征

基于各国内专家、学者对分布式能源的相关描述，可将分布式能源站的主要特征归纳为3个方面:分布式能源站与电网的关系;分布式能源站与冷、热用户的关系;能源站的自身特征。

2.1 灵活的并网或离网运行模式

分布式能源是一种建在用户端的能源供应形式，分布式能源站是以资源、环境效益最大化为目标而确定方式和容量的系统，将用户的多种能源需求和环境资源进行配置，采用需求应对式的设计和模块化的配置，独立地输出电、热、冷等能量的供应系统。单台、套机组的容量可分为兆瓦级、千瓦级和百瓦级，因而发电机输出电压等级相对较低。当用户端没有电网时(如没有电网的海岛)，系统可自组成微网，以提供稳定的电力供应;当用户端有电网时(如负荷集中区或电网末梢)，分布式能源站可以独立运行，电网的电量可作为备用电源;分布式能源站也可以直接并网运行。根据现有的电网控制和保护技术，对于上述3种情况，都可以采取充分的技术措施，保证微电网的安全、可靠和独立运行，保证并网条件下分布式能源站系统和电网之间的相互安全，当分布式能源站和电网各自发生故障时，都可以彼此安全切除和脱离，保证自身和对方的安全。

2.2 减少输配电等投资和能量传输损失

分布式能源系统是一种新型能源系统，由于靠近用户，因而减少了输、配电系统的投资，分布式能源站的规模一般都不大，因而输出电压等级不高，适合于接入中、低压端口，直接完成电能的使用，减少了电网的升压、传输和降压的过程，减小了电网能量的传输损失。伴随热电联产的冷、热量直接面向用户，按照用户需求就近供冷、供热和供生活热水等，在热力传输过程中，无论是输送母管，还是用户侧的楼宇建筑中，都可以用1套系统完成夏季制冷和冬季供热，这也间接减少了设备投资，因此，分布式能源站是更高效、更可靠的能源系统。

2.3 从生产到应用的持续平衡特征

国内有一种将分布式太阳能光伏发电系统作为能源站的说法，实际上，简单的太阳能光伏系统不可能作为一个能源站存在，因为单一的太阳能光伏系统难以完成24 h的连续供电，电能的品质也存在问题，一个独立的供能系统要成为分布式能源站，该系统必须具有连续提供电力和其他能量的特征。安装在用户端以气体燃料为主、以可再生能源为辅的高效冷、热电联供系统，它能够连续提供电力，发电后产生的余热及转换后的制冷等能源产品直接和用户相连，实现同步的生产和使用。从一次能源和可再生能源的输入，到能源的转换、二次能源的同步应用，其过程必须满足生产和应用的持续平衡条件。

2.4 为重要用户提供能源备用

分布式能源站可以建在负荷中心区域，可以建在电网的末梢端，也可以建在无电源的海岛。这些区域的重要电源用户一般不能出现大面积和长时间停电，当发生冰灾或地震等自然灾害时，如果出现输电线路倒塔，则会发生大面积停电，造成不可估量的经济损失，更严重的是还会造成通信、医疗救助等重大安全事故。由于分布式能源站多采用燃气机组，启动速度快，常规火电机组的负荷率为2%～3%，调峰机组的正常负荷率也只有5%，而燃气机组的负荷率能达到10%，因此，如果事故区域有分布式能源站，则可能在最短时期内不依靠大电网，直接启动供电和供冷、热能量，保护最重要的用电户，在第一时间提供生命安全、通信安全等重要用户的急需。

2.5 立足本地条件采用多能源输入形式

分布式能源站采用何种燃料，宜根据当地条件进行选择，天然气是选择之一。欧洲地区和美国境内遍布天然气干网和分支管网。随着我国的天然气管网气源的普及，天然气的应用也越来越广泛。其他如煤层气、生物质燃气等都可利用，燃气机组联供系统是分布式能源站的主要形式。柴油也是可用的燃料之一，以柴油供能的分布式能源站在没有天然气资源的边疆、海岛等地区得到了应用。除了一次能源外，可再生能源也是最好的补充，应立足本地条件，选择合适的可再生能源。工业园区和商业集中区除了采用屋顶形式的太阳能光伏发电外，还可以采用现场就近其他工业废气、废热以及多余压差等综合利用。而边远地区和海岛地区可选择光伏、小水电、风电、海洋能、地热能、生物质燃料等补充发电。可再生能源的补充供能形式，提高了系统综合利用效率，达到环保减排的目的。

2.6 以多能输出满足用户不同需求

用户的需求是多样化的，分布式能源站除了提供电力外，还需要提供不同品质的工业蒸汽、采暖用汽以及大型冷库制冷、食品干燥、车间湿度调控等工作所需求的能量，例如海水淡化设备所需要的能量必须由海岛分布式能源站提供。直接满足用户多种需求，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充，实现资源利用最大化是系统设置的目的。这些多能的输出在不同时间段输出的能量是不同的，而且用户端的冷、热量需求变化大，对于多能输出装置最大的难题是热力系统的平衡，而多能源输入和现代蓄能技术又提供了保持热力系统平衡的手段，因此，在分布式能源站中，应提出新的热力计算方法，确立输入、输出条件的推荐原则，以解决系统能量时空平衡问题，是整个分布式能源站系统拟定阶段的关键工作。

2.7 能量的梯级利用和高效系统

通过系统优化平衡，能大大提高分布式能源站年综合利用效率。所谓系统优化，是指在多能源输入和输出条件下，分析各种输出能的最大值，以满足用户的能量的需求。如何做到既满足需求，保证系统效率最大，又兼顾经济性和成本?首先，在能源的转换过程中，“温度对口、梯级利用”是重要原则，通过采取高温度段的能量用于发电和中、低温度段的能量用于不同用户的方法，可使热能的能效利用率达到最大;其次是主发电设备的正确选型，中小型燃气轮机、轻型燃气轮机、燃气发动机、柴油发动机等机型的使用，应根据分布式能源站的容量等级和用户冷热用量进行综合比较后进行选型，目前正在研发生产的斯特林机、热声发动机以及单/双螺杆机等设备，都是解决中温度段的余热利用的关键设备;最后，储能技术的应用也是提高系统综合效率的方法之一，包括电储存和热储存，当用户需求能量和生产能量严重不匹配时，可考虑改变蓄能方式。由于蓄热、换热理论的研究不断发展，蓄热和保温材料技术水平日益提高，储能技术的实际应用已成为可能。如以往的蓄热设备日温降约为20℃，采用新技术保温设备日温降可控制在2～3℃。

2.8 设备的小型化和模块化的特征

分布式能源站靠近用户端，具有小规模、小容量、模块化和分散式特点，输出的冷、热、电能可直接输送到邻近用户。我国长期以来执行的是国家四部委(国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局)颁发的计基础〔2000〕1268号文《关于发展热电联产的规定》，而现今的分布式能源站和原有的电站完全不同，因此在项目立项申报、开工建设、生产运行方面必须打破原有思路，根据分布式能源站的特点提出新的审批原则和建设思路。国外很多分布式能源站和商场、宾馆建筑大多数都融为一体，纽约机场的分布式能源站甚至和机场大厅都是一体建筑，这样的布置显现了靠近用户端的理念，若仍沿用以往的观念不利于我国分布式能源的发展。

3 分布式能源的适用对象

分布式能源技术是能源发展的重要方向，具有能源利用效率高、环境负面影响小、系统可靠性高和经济效益好的特点。我国是一个工业生产大国，从生产产品的绝对量来分析，2012年的生产能力是美国的1.5倍。我国的工业产业园、学区、特殊产业群以及大型电、热、冷联用企业众多，新型城镇化建设刚起步，分布式能源的发展和应用有着广阔的市场，这些区域的建设规模可考虑采用兆瓦级的容量;由于我国地少人多，大型连片建筑群以及众多电网末梢端的小型城镇的重要用户，可建设10 kW级以上、兆瓦级以下容量规模的分布式能源站;10 kW级以下的分布式能源站可用于1户或若干户独立集居地的小型用户。需要强调的是，我国地域广阔，在广大偏远地区、高原地区、各类海岛以及气候条件恶劣地区的驻军地，可以因地制宜地采用小型模块化的分布式能源站。

4 结束语

分布式能源具有节能、减排、安全、灵活等多重优点，是一种清洁能源。我国“十二五”规划明确提出，要大力促进分布式能源系统的推广和应用，分布式能源技术将是中国可持续发展的必然选择。