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分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及前景
作者: 吳靖 江昊收錄來源: 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院(310027)【摘要】本文從當(dāng)今世界分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用背景入手，介紹了分布式發(fā)電技術(shù)的分類及與集中式供電系統(tǒng)相比的有利之處，分析了該技術(shù)在國內(nèi)、外的發(fā)展現(xiàn)狀及前景。
現(xiàn)在全世界供電系統(tǒng)是以大機組、大電網(wǎng)、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統(tǒng)。雖然全世界90%的電力負荷都由這種集中單一的大電網(wǎng)供電，但是當(dāng)今社會對能源與電力供應(yīng)的質(zhì)量與安全可靠性要求越來越高，大電網(wǎng)由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。由于大電網(wǎng)中任何一點的故障所產(chǎn)生的擾動都會對整個電網(wǎng)造成較大影響，嚴重時可能引起大面積停電甚至是全網(wǎng)崩潰，造成災(zāi)難性后果，這樣的事故在國外時有發(fā)生；而且這種大電網(wǎng)又極易受到戰(zhàn)爭或恐怖勢力的破壞，嚴重時將危害國家的安全，如科索沃戰(zhàn)爭和剛剛結(jié)束的海灣戰(zhàn)爭等；另外集中式大電網(wǎng)還不能跟蹤電力負荷的變化，而為了短暫的峰荷建造發(fā)電廠其花費是巨大的，經(jīng)濟效益也非常低。根據(jù)西方國家的經(jīng)驗：大電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合是節(jié)省投資，降低能耗，提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方法。
1 分布式發(fā)電的簡介
分布式發(fā)電指的是在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的發(fā)電機組(一般低于30MW)，以滿足特定用戶的需要，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，或者同時滿足這兩個方面的要求。這些小的機組包括燃料電池，小型燃氣輪機，或燃氣輪機與燃料電池的混合裝置。由于靠近用戶提高了服務(wù)的可靠性和電力質(zhì)量。技術(shù)的發(fā)展，公共環(huán)境政策和電力市場的擴大等因素的共同作用使得分布式發(fā)電成為新世紀重要的能源選擇。
通過分布式發(fā)電和集中供電系統(tǒng)的配合應(yīng)用有以下優(yōu)點：
(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)中各電站相互獨立，用戶由于可以自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模停電事故，所以安全可靠性比較高；
(2)分布式發(fā)電可以彌補大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，在意外災(zāi)害發(fā)生時繼續(xù)供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補充；
(3)可對區(qū)域電力的質(zhì)量和性能進行實時監(jiān)控，非常適合向農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)，發(fā)展中的中、小城市或商業(yè)區(qū)的居民供電，可大大減小環(huán)保壓力；
(4)分布式發(fā)電的輸配電損耗很低，甚至沒有，無需建配電站，可降低或避免附加的輸配電成本，同時土建和安裝成本低；
(5)可以滿足特殊場合的需求，如用于重要集會或慶典的(處于熱備用狀態(tài)的)移動分散式發(fā)電車；
(6)調(diào)峰性能好，操作簡單，由于參與運行的系統(tǒng)少，啟�？焖伲阌趯崿F(xiàn)全自動。
2 分布式發(fā)電的分類
根據(jù)所使用一次能源的不同，分布式發(fā)電可分為基于化石能源的分布式發(fā)電技術(shù)、基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)以及混合的分布式發(fā)電技術(shù)。
(1)基于化石能源的分布式發(fā)電技術(shù)主要由以下三種技術(shù)構(gòu)成：①往復(fù)式發(fā)動機技術(shù)：用于分布式發(fā)電的往復(fù)式發(fā)動機采用四沖程的點火式或壓燃式，以汽油或柴油為燃料，是目前應(yīng)用最廣的分布式發(fā)電方式。但是此種方式會造成對環(huán)境的影響，最近通過對其技術(shù)上的改進，已經(jīng)大大減少了躁音和廢氣的排放污染。②微型燃氣輪機技術(shù)：微型燃氣輪機是指功率為數(shù)百千瓦以下的以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機。但是微型燃氣輪機與現(xiàn)有的其它發(fā)電技術(shù)相比，效率較低。滿負荷運行的效率只有30%，而在半負荷時，其效率更是只有10%～15%，所以目前多采用家庭熱電聯(lián)供的辦法利用設(shè)備廢棄的熱能，提高其效率。目前國外已進入示范階段，其技術(shù)關(guān)鍵主要是高速軸承、高溫材料、部件加工等。③燃料電池技術(shù)：燃料電池是一種在等溫狀態(tài)下直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾娀瘜W(xué)裝置。燃料電池工作時，不需要燃燒，同時不污染環(huán)境，其電能是通過電化學(xué)過程獲得的。在其陽極上通過富氫燃料，陰極上面通過空氣，并由電解液分離這兩種物質(zhì)。在獲得電能的過程中，一些副產(chǎn)品僅為熱、水和二氧化碳等。氫燃料可由各種碳氫源，在壓力作用下通過蒸汽重整過程或由氧化反應(yīng)生成。因此它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀的分布式電源。
(2)基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)主要由以下幾種技術(shù)構(gòu)成：①太陽能光伏發(fā)電技術(shù)：太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點。但是此種分布發(fā)電技術(shù)的成本非常高，所以現(xiàn)階段太陽能發(fā)電技術(shù)還需要進行技術(shù)改進，以降低成本而適合于廣泛應(yīng)用。(2)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，可分為獨立與并網(wǎng)運行兩類，前者為微型或小型風(fēng)力發(fā)電機組，容量為100W～10kW，后者的容量通常超過150kW。近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進步很快，單機容量在2MW以下的技術(shù)已很成熟。
(3)混合的分布式發(fā)電技術(shù)通常是指兩種或多種分布式發(fā)電技術(shù)及蓄能裝置組合起來，形成復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)。目前已有多種形式的復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)被提出，其中一個重要的方向是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標分布式供能系統(tǒng)，通常簡稱為分布式供能系統(tǒng)。其在生產(chǎn)電力的同時，也能提供熱能或同時滿足供熱、制冷等方面的需求。與簡單的供電系統(tǒng)相比，分布式供能系統(tǒng)可以大幅度提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。
3 分布式發(fā)電在國內(nèi)外的發(fā)展狀況與前景
(1)在美國，容量為1kW到10MW分布式電源發(fā)電和儲能單元正在成為未來分布式供能系統(tǒng)的有用單元。由于分布式電源的高可靠性、高質(zhì)量、高效率以及靈活性，故可滿足工業(yè)、商業(yè)、居住和交通應(yīng)用的一系列要求。預(yù)計幾年后，新一代的微汽輪機(10～250kW)可以完全商業(yè)化，為調(diào)峰和小公司余熱發(fā)電提供了新機會。
在美國國內(nèi)到2020年，由于新的能源需求與老的電廠的退役，估計要增加1.7×10?12?kW·h的電，幾乎是近20年增量的2倍。為滿足市場需要，下一個10年之后，美國的分布式發(fā)電市場裝機容量估計每年將達5×109～6×109W，為解決這個巨大的缺口，美國能源部提出了以下幾個涉及分布式發(fā)電技術(shù)的計劃，包括燃料電池、分布式發(fā)電渦輪技術(shù)、燃料電池和渦輪的混合裝置等�？梢灶A(yù)料，在不久以后，分布式發(fā)電技術(shù)將在美國得到相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。
(2)在我國，隨著經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，我國集中式供電網(wǎng)的規(guī)模迅速膨脹。這種發(fā)展所帶來的安全性問題不容忽視。由于各地經(jīng)濟發(fā)展很不平衡，對于廣大經(jīng)濟欠發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)來說，特別是農(nóng)牧地區(qū)和偏遠山區(qū)，要形成一定規(guī)模的、強大的集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和很長的時間周期，能源供應(yīng)嚴重制約這些地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。而分布式發(fā)電技術(shù)則剛好可以彌補集中式發(fā)電的這些局限性。在我國西北部廣大農(nóng)村地區(qū)風(fēng)力資源十分豐富，像內(nèi)蒙古已經(jīng)形成了年發(fā)電量1億kW·h的電量，除自用外，還可送往北京地區(qū)，這種無污染綠色能源可以減輕當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境污染。在可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)中的除風(fēng)力發(fā)電外，還有太陽能光伏電池、中小水電等都是解決我國偏遠地區(qū)缺電的良好辦法。因此，應(yīng)引起足夠的重視。
在我國城鎮(zhèn)，分布式發(fā)電技術(shù)
作為集中供電方式技術(shù)不可缺少的重要補充，將成為未來能源領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。而在分布式發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、前景最為明朗的，應(yīng)該首推熱電冷三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，因為對于中國大部分地區(qū)的住宅、商業(yè)大樓、醫(yī)院、公用建筑、工廠來說，都存在供電和供暖或制冷需求，很多都配有備用發(fā)電設(shè)備，這些都是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標分布式供能系統(tǒng)的廣闊市場。
4 結(jié)論
如果說電力市場化是電力行業(yè)的重大改革，那么分布式發(fā)電可認為是電力行業(yè)的重大技術(shù)改革，兩者共同作用將使未來世界的電力行業(yè)呈現(xiàn)全新的面貌。隨著電力體制改革的發(fā)展，分布式發(fā)電也可為一些用戶提供一種"自立"的選擇，使其更能適應(yīng)易變的電力市場。此外，由于分布式發(fā)電設(shè)施的安裝周期短，不需要現(xiàn)存的基礎(chǔ)設(shè)施，而且與大型的中央電站及發(fā)電設(shè)施相比總投資較少，因此在電力競爭性市場建立后分布式發(fā)電的作用將會日益明顯和重要，從而可與現(xiàn)有電力系統(tǒng)結(jié)合形成一個高效、靈活的電力系統(tǒng)，提高整個社會的能源利用率，提高整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和電力質(zhì)量。
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