淺析對分布式能源效率的認識

現代化的生活離不開能源，現代化的發(fā)展也離不開電力。在介紹幾種分布式能源的基礎上，對分布式能源效率評價指標進行分析，最后給出結論。 現代化的生活離不開能源，現代化的發(fā)展也離不開電力。我國是人口大國，也是大力大國，2010年的發(fā)電總量超過美國。我國的能源供應和用能分布不匹配，西北地區(qū)是能源供應地，東部沿海是主要用能區(qū)域，這導致了我國的西電東輸，北電南送的格局。當然，智能電網的發(fā)展能夠提高電力輸送的效率，減少損耗，但是現實卻是電網事故無法完全避免;國家能源“十二五”規(guī)劃明確提出要重視節(jié)能優(yōu)先戰(zhàn)略，提高能源生產和利用效率。大力發(fā)展分布式能源，是提高電能效率的有效途徑。 一、分布式能源及分類 (一)分布式能源定義 對于分布式能源，不同機構和組織基于不同角度提出來不同的定義，主要表示分布于用戶端的能源的綜合利用系統(tǒng);其中，一次性能源以液體或氣體為主，可再生能源為輔，表示多源輸入;二次能源以電力、冷力(熱力)形態(tài)為主，代表多源輸出，能效綜合效率達到70%以上。因此，我們這里借用徐建中、鄧建玲(2014)給出的定義，分布式能源是指靠近用戶側，由不同模塊化設備組成的提供多種形式能源的供應系統(tǒng)。分布式能源具有靠近用戶側的特點，因此能夠提高能源系統(tǒng)的安全性，減少意外事件造成的損失。 (二)分布式能源分類 目前，靠近用戶端的發(fā)電方式有多種，在實際應用中，按照發(fā)電容量分為大型(≥MW)、中型(100kW-1MW)和小型(<100kW)三種。實際上，我們更關心的實際分布式能源發(fā)電所采用一次能源和采用的技術接口，因此，根據發(fā)電采用的技術，將分布式能源分為以下幾類： 1、太陽能光伏發(fā)電 地球上目前使用的能源從根本上說都來自于太陽能，比如石油、天然氣也是以往太陽能的累積?，F在所講的太陽能一般是指當前接受的太陽輻射到地球的能源。太陽內部的核聚變產生的能量巨大，輻射到地球的能源僅僅為總能量的1/22000000，太陽每秒鐘輻射到地球的能源為500萬噸煤。如果太陽能量能夠完全利用，地球上一年的能量消耗只需太陽15分鐘的能量傳輸。 太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池的光伏效應直接將太陽光能轉換成電能，這是一種新型的發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)電容量，能夠任意組合，最適合用戶端客戶的分散使用，還是一種清潔能源，可進行獨立微網發(fā)電，也可以并網發(fā)電。我國在1958年便著手太陽能電池的研究，1971年將其應用于東方紅2號衛(wèi)星上，1973年后將其應用在地面上。我國的光伏產業(yè)發(fā)展快速，已經形成了較完整的產業(yè)體系。我國的太陽能資源豐富，國土面積的三分之二年日照時間達到2300小時以上，每年陸地表面接收的太陽能量約為17000億噸標準煤。從長遠來看，我國豐富的荒漠資源將是重要的能源寶地。太陽能光伏發(fā)電分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網光伏系統(tǒng)，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)僅靠太陽能電池供電;并網光伏系統(tǒng)將太陽電池發(fā)出的直流電變換成交流電，且與電網并聯。 2、風力發(fā)電 風力發(fā)電是將風能經由機械能而轉換成電能的過程。根據風力發(fā)電有不同的運行方式，主要有獨立運行和并網運行，還有互補運行等方式。獨立運行直接將風力發(fā)電產生的電能利用蓄電池儲存起來，然后供用戶使用。這種方式的成本較高，因為儲能設施造價高昂，但是適用性較強，可以供主電網輸送不到的地區(qū)，如牧區(qū)海島等區(qū)域，其單機容量可以達到數百千瓦。并網運行是指將風力發(fā)電的電能經過變壓器全部輸送至主電網，這種方式適合在風力資源豐富的地區(qū)，比如沿海地區(qū)。互補運行方式是指將風力發(fā)電與其他發(fā)電方式互補，比如風力―太陽能光伏，風力――燃料電池，風力―柴油機組等，該種方式能夠保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，降低離網型的用戶的發(fā)電成本，提高利用資源的利用率。 3、燃料電池發(fā)電 燃料電池是直接將化學能轉化為直流電能的裝置。其工作原理：當氫基燃料(如天然氣)與氧氣結合生成水時，氫離子和氧離子會發(fā)生定向移動，形成電路電流，好比是電解水的逆過程。實際上，燃料并不需要燃燒，通過電化學過程完成了化學能向電能的轉化。目前主要有5中燃料電池，即PEM、AFC、PAFC、SOFC和MCFC，其中PAFC是目前應用最廣的燃料電池。燃料電池具有很多優(yōu)點，首次，在能量轉化過程中，燃料電池的副產品是二氧化碳和熱水，這些副產品還可以綜合循環(huán)利用，其發(fā)電效率遠高于傳統(tǒng)發(fā)電效率;其次，廢物排放量較小，屬于清潔型能源利用方式;最后，安裝簡單，成本較低，效用較高。 4、生物質能發(fā)電 生物質能發(fā)電的能源來源于生物質，是將生物質能轉化為其他能量形式(如沼氣、酒精、燃氣等)，然后利用通用的發(fā)電技術，將電能供給給用戶使用。生物質能發(fā)電有以下優(yōu)點：其一，可以利用當地豐富的生物能源，比如麥秸，動物糞便等，節(jié)省了從外輸入能源的成本，節(jié)約了資源;其二，生物質能發(fā)電設備容量相對較小，可以獨立有運行，可以解決偏遠地區(qū)或電網觸不到的地區(qū)的用電;其三，生物能源屬于可再生的，其發(fā)電的污染較小，對環(huán)境的傷害相對小一些。 5、微型燃氣輪發(fā)電 微型燃氣輪機是一種小型氣輪機，一般以液體燃油為燃料，如，天然氣，汽油、柴油等，這是應用較普遍的分布式發(fā)電電源。微型燃氣輪機的發(fā)電功率范圍一般在千瓦以下，發(fā)電效率約為30%，熱電聯產效率可達到75%。微型燃氣輪機的工作原理是：在回熱器內預熱的高壓空氣在燃燒室與燃料混合燃燒，產生的高溫燃氣帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機先產生高頻率交流電，然后將其轉換成高壓直流電，最后轉換成60Hz/480V的交流電供應給用戶使用。 6、其他能源發(fā)電 除了上面所說的能源發(fā)電之外，還有海洋能和地熱能發(fā)電。海洋能包括波浪能、潮汐能、、海流能、海水鹽差能等。目前，比較成的技術是是潮汐能發(fā)電。潮汐能發(fā)電與水力發(fā)電相類似，就是利用海水造成的水位差帶動水輪機來發(fā)電。地熱能來自地球內部，熔融巖漿以及放射性物質產生熱能，屬于可再生能源，地熱發(fā)電與火力發(fā)電類似，不同的地方是地熱發(fā)電的能源來自于地下熱水和蒸汽。二、分布式能源效率的評價指標 對于分布式能源效率評價，我們這里以典型的冷熱電聯產為分析對象。 (一)一次能源利用率((PER) 這里采用的分布式發(fā)電技術是微型燃氣輪發(fā)電，采用氣體燃料(天然氣等)。一次能源利用率(PER，PrimaryEnergyRatio)是屬于非常直觀的評價指標，它是基于物理熱力學第一定律，不考慮能量的質的差別，公式為：，式中，Qe表示，系統(tǒng)總的發(fā)電量(kWh);Qh表示系統(tǒng)總供熱量(kWh);Qc表示系統(tǒng)總制冷量(kWh);Gu表示系統(tǒng)的燃料消耗總量(m3/h);Hu表示燃料的低位發(fā)熱量(kJ/m3)。 1、分產系統(tǒng)能源利用率 在傳統(tǒng)上分產系統(tǒng)一般是指電網供電、鍋爐(燃氣)供熱、電制冷機供冷，其一次能源消耗量為： 分產系統(tǒng)一次能源利用率為： 式中，ηb表示鍋爐效率;ηce表示電網效率與發(fā)電效率乘積;COPec表示電制冷機性能系數;PERb=ηb，表示鍋爐供熱系統(tǒng)的一次能源利用率;PERb=ηce，表示發(fā)電系統(tǒng)的一次能源利用率;PERec=COPer?ηer，表示電制冷系統(tǒng)的一次能源利用率。 2、聯產系統(tǒng)能源利用率 聯產系統(tǒng)可以利用余熱進行供熱、制冷，其一次能源利用率為： 式中，ηle表示聯產系統(tǒng)的發(fā)電效率;Qf表示聯產系統(tǒng)的總能源消耗量。 (二)節(jié)能率 節(jié)能率=節(jié)能量/原燃料消耗量。在此，表示聯產系統(tǒng)相對于分產系統(tǒng)的節(jié)能率，以PES表示，公式為： (三)效率 效率也稱二次能耗率，指系統(tǒng)各種能量之和與燃料的熱能的比值。這是從物理熱力學第二定律來對用能效率進行衡量的指標，重視能量的質。效率可以表示為：，式中：Ew表示系統(tǒng)總供電量(kW);Eh表示系統(tǒng)輸出有用熱量(kW);Ec表示系統(tǒng)輸出有用冷量(kW);Qge表示燃料總值(kW)。 三、結論 選取不同能源效率評價指標來衡量分布式能源的效率，結論會有所不同，有時甚至會出現大相徑庭的結果。對冷(熱)電聯產的效率評價準則分為兩類，一類是根據物理熱力學第一定律，不考慮質的差別，常用的有一次能源利用率、節(jié)能率;另一類是根據物理熱力學第二定律，考慮質的差別，如效率。目前，應用較多，效率評價相對簡單的指標是第一類，尤其以一次能源利用率指標評價和仿真的研究較多。