分布式能源系统是相对传统的集中式能源系统而言的。传统的集中式能源系统采用大容量设备、集中生产,然后通过专门的输送设施(大电网、大热网等)将各种能量输送给较大范围内的众多用户;而分布式能源系统则是直接面向用户,按用户的需求就地生产并供应能量,具有多种功能,可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统,即能满足多种特殊需求的供电要求。近年来,分布式能源系统在数据中心中获得广泛应用并具有良好的发展势头。

　　
　1 分布式能源系统的种类

 分布式能源系统的种类如图1所示。

1.1 可再生能源发电系统

(1)太阳能发电系统

①太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统是一种利用光伏电池的光生伏打效应,把光能直接变为电能的发电方式。太阳能光伏发电系统由光伏组件、蓄电池组、控制器和逆变器四部分组成,典型结构如图2所示。随着太阳能电池成本的不断降低(到2020年,预测造价约为每千瓦4000美元),太阳光伏发电将呈现出良好的发展前景。

②太阳能光热发电系统

光热发电是通过“光-热-功”的转化过程实现发电的一种技术。太阳能光热发电系统由集热器(集热场)、蓄热器和汽轮发电机组所组成,其典型结构如图3所示。太阳辐射能被定日镜反射后被集热器(锅炉)所吸收。集热器中传热介质(水或有机介质、金属钠)吸热而汽化,蒸汽进入汽轮机组作功发电并将电能供用户直接使用或并入电网。为保证电站工作稳定,还需设有蓄热器,以供阴云蔽日或阳光不足的傍晚使用。

目前,太阳能光热发电系统的总效率可达15%～20%,最高工作温度500℃(水,有机介质)或1000℃(液态钠)。

(2)风力发电系统

风力发电是风能利用的主要形式。风力发电机既可单独供电,也可与其他发电方式(如柴油机发电、微型燃气轮机等)复合,向一个单位或一个地区供电,或者将电力并入常规电网运行。风力发电系统的典型结构如图4所示。

地球上可利用的风能为2×10^7MW,特别是在临海地区和内陆山口地区,风力资源十分集中。我国西部地区风力资源丰富,例如新疆达坂城已建成我国最大的风力发电站,装机容量为3300kW,是地区性分布式能源系统的重要组成之一,将在我国西部大开发中发挥重要作用。

(3)生物质能发电系统

生物质是指由植物光合作用而产生的有机物质。光合作用将太阳能转换为化学能而存储于生物质中。所以生物质能实际上是物质所具有的化学能。据测算,地球上每年由光合作用而生成的生物质能达到3×10^21J,它在分布式能源中占有重要的份额。

生物质能的利用与转换,除了效率较低的直接燃烧提供热能以外,主要是通过生物转换(微生物发酵)和化学转换(热解与气化)将生物质变成液体燃料(甲醇、乙醇)、气体燃料(甲烷)或固体燃料(焦炭)。醇类液体燃料和甲烷气既可以作为发电厂的燃料,又可以作为燃料电池的燃料,从而实现生物质能的动力利用。由于生物质能量多面广且各地都存在,所以生物质能的开发利用对分布式能源系统的发展有重大意义。

图5所示为东芝开发的组合使用风力、太阳热及生物质等可再生能源作为热能源的双循环发电技术的原理图。该项技术开发的目的在于解决风力及太阳能等可再生能源发电输出会因气象条件而发生变化,对输电网影响较大的课题。通过组合使用加热及蒸发沸点较低的介质、利用其蒸汽转动蒸汽涡轮发电机的双循环发电,以实现不受自然条件影响、稳定地供应电力。同时还可供应温水。

(4)地热发电系统

地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能,然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称之为地热发电。地热发电原理与一般火电并无根本的区别,有所不同之处是地热电站用“天然地热锅炉”,从而代替由火电站燃烧化石燃料的化学能转变为热能的过程。作为地下锅炉热能的载热体可以是蒸汽或热水,它们的温度和压力要比火电站的高压锅炉生产的蒸汽温度和压力低得多,由于地热锅炉里的地热液体类型、温度、压力和焓的不同,地热发电方式也不一样。目前开发的地热资源主要是蒸汽型和热水型两类,因此地热发电也分为两大类。

①蒸汽型地热发电系统

蒸汽型地热发电是把高温

地热蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电。在引入之前,先要把地热蒸汽中的水滴、砂粒与岩屑分离和清除干净。蒸汽型地热发电系统的典型结构如图6所示。

②热水型地热发电系统

热水型地热发电是当前地热发电的主要方式。目前已采用的循环有两种,它们是:高压热水从地热井中抽至地面闪蒸锅炉内,由于压力突然降低,热水会发生沸腾,闪蒸出蒸汽。蒸汽进入汽轮发电机组作功发电。闪蒸后剩下的热水以及汽轮机中的凝结水可以供给其他热用户利用。利用后的热水再回灌到地层内。这种系统适合于地热水质较好且不凝气体含量较少的地热资源。热水型地热发电系统的典型结构如图7所示。

1.2 天然气分布式能源系统

天然气分布式能源是指分布在用户端,主要使用天然气为燃料,冷热电联产、实现能源梯级利用,是清洁、高效、灵活的能源供应系统,是天然气高效利用的重要方式。天然气分布式能源系统利用发电以后产生的烟气余热实现夏季供冷、冬季供热,且一年四季供应生活热水,能节约大量空调用电,所发电力除满足自身需求外,就近上网,替代部分煤电。具有能效高(综合能源利用效率在70%以上)、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点。

目前,常用的天然气分布式能源系统有热电联产系统(CHP)、冷热电三联供系统(CCHP)和建筑冷热电联产系统(BCHP)等几种形式。

(1)热电联产系统(CHP)

热电联产(CHP)是从同一燃料中产生热与电,其典型结构如图8所示。

热电联产系统(CHP)现已逐渐的被冷热电三联供系统(CCHP)所替代。

(2) 冷热电三联供系统(CCHP)

天然气冷热电三联供主要是利用十分先进的燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气进行发电,对发电做功后的余热进一步进行回收,用来制冷、供暖和供应生活热水。这是一种高效节能环保的新型能源利用方案,在欧美已有约二十年的发展时期,并方兴未艾,被确认是能源将来的发展方向。

冷热电三联供主要由两部分组成——发电系统和余热回收系统,发电部分以燃气内燃机、燃气轮机或微燃机为主,近年来还发展有外燃机和燃料电池。余热回收部分包括余热锅炉和余热直燃机等,其典型结构如图9所示。

(3)建筑(楼宇)冷热电联产系统(BCHP)

楼宇冷热电联产(Building Cooling Heating Power,简称BCHP)是由一套系统解决建筑物电、冷、热等全部需要的建筑能源系统。BCHP可以是为单个建筑提供能源的较小型系统,也可以是为区域内多个建筑提供能源的分布式能源系统。建筑(楼宇)冷热电联产系统(BCHP)的典型结构如图10所示。

燃料电池作为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式,被誉为21世纪清洁、高效的动力源,受到人们广泛的关注,燃料电池技术也在飞速地发展。

燃料电池是用一种特定的燃料,通过一种质子交换膜(PEM Proton Exchange Membrane)和催化层(CLCatalyst Layer)而产生电流的一种装置,这种电池只要外界源源不断地供给燃料(例如氢气或甲醇),就可以提供持续电能。它的工作原理,是利用一种叫质子交换膜的技术,使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极将氢气催化分解成为质子,这些质子通过质子交换膜到达阴极,在氢气的分解过程中开释出电子,电子通过负载被引出到阴极,这样就产生了电能。

燃料电池和微型燃气轮机复合系统用天然气或甲烷作燃料,燃气轮机作为能源利用的前置级,其排气用来加热进入燃料电池的空气和燃料。燃料电池是固体氧化物,工作温度700～1000℃。该燃料电池和微型燃气轮机复合供电系统具有下列优点:可以在无电力供应的地区使用;系统可保持自稳定运行;启动方便、快捷;SO2和NO2的排放量很少,是一种很有发展前景的分布式能源系统。由于这种复合系统可以用天然气作为燃料,本文将燃料电池列入天然气分布式能源系统之中,不在另辟一节加以说明。

2 分布式能源系统的特点
　　
分布式能源系统是集中式供能系统的有力补充。它有以下四个主要特征:

①作为服务于当地的能量供应中心,它直接面向当地用户的需求,布置在用户的附近,可以简化系统提供用户能量的输送环节,进而减少能量输送过程的能量损失与输送成本,同时增加用户能量供应的安全性。

②由于它不采用大规模、远距离输出能量的模式,而主要针对局部用户的能量需求,系统的规模将受用户需求的制约,相对目前传统的集中式供能系统而言均为中、小容量。

③随着经济、技术的发展,特别是可再生能源的积极推广应用,用户的能量需求开始多元化;同时伴随不同能源技术的发展和成熟,可供选择的技术也日益增多。分布式能源系统作为一种开放性的能源系统,开始呈现出多功能的趋势,既包含多种能源输入,又可同时满足用户的多种能量需求。

④人们的观念在不断转变,对能源系统不断提出新的要求(高效、可靠、经济、环保、可持续性发展等),新型的分布式能源系统通过选用合适的技术,经过系统优化和整合,可以更好地同时满足这些要求,实现多个功能目标。

分布式能源系统的优势在于冷热电联产,所以除了动力设备外,还得有一个系统。例如,最常规的办法是利用广义的内燃机的排气余热通过余热锅炉产生蒸汽供热,同时通过吸收式制冷设备供冷。通常是简单或回热循环燃气轮机的冷热电联产。但要保证联产系统能满足很大范围变工况下的任意冷、热、电输出需求(这是联产系统的关键科技课题之一),上述系统是难以做到的。这时可用程循环(回注蒸汽循环,有时也称STIG循环)加上补燃,就可以使热电联产系统能够在任意热、电数值的匹配要求下,高效安全运行。对冷、热、电联产的情况,为达到广阔范围的冷、热、电输出,上述程循环加补燃,在原则上也是合适的,但可用范围的具体数字尚待研究。

3  分布式能源的发展前景
　　
由于分布式能源系统的初期投资大,通常需要优质燃料;同时要有比较稳定的冷、热、电用户,主要是第三产业,如数据中心和住宅用户;要求具有环保性能较好的特点等等。所以,它在我国比较适合应用的地区显然是经济比较发达的地区。

从地域分布来说,主要是珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区等。这些地方是我国现在经济高速发展的黄金宝地,也是应该“先环保起来”的地区,而且经济上也确是有可能适宜使用分布式能源系统的地方。另外,分布式能源系统既然是“分布”,也就是说与大电厂、大电网不一样,不是由一小批经验丰富的技术人员集中运行管理,而是分散式运行管理,这就要求使用区域的总体科技文化水平和素养较高。

在我国,分布式能源系统的应用还存在一些不足之处:

①负荷分析不够全面、准确、细致。对分布式能源系统的设计,负荷分析是非常必要的,如果对建筑的负荷统计或估算不够细致,就会对运行产生相当大的影响。例如,北京次渠项目中,燃机发电量80kW,余热直燃机功率20万kCal,设计电负荷为320kW,供热、供冷面积为2800平方米,但实际电负荷只有不足30kW,微燃机只能处于低出力工况,导致燃机发电效率很低,整个系统的电热比很低,最终导致了一次能源的利用效率降低,失去了分布式能源系统的最初设计意义。所以在今后的分布式能源系统设计工作中,负荷分析工作务必要做到细致、准确。

②对于过渡季节,分布式能源系统利用不充分。对于分布式能源站,冷热负荷一般是通过利用燃机的余热获得,由于夏季和冬季具有稳定的冷、热负荷,余热需求量较大,动力设备可以保持比较稳定的运行状态,而在春季和秋季,无较大的冷热负荷需求,可能就会使整个系统处于低效运行状态或停运状态,降低了系统的效率和使用率。

③缺乏权威的评价标准。

分布式能源系统是一个多能量产品输出的复杂系统,所以如何对系统进行整体评价成为研究的重点和难点。由于冷热电是不同的产品,很难直接进行定量比较,目前的评价准则主要有火雨效率、节能率、折合发电效率等几种,但这些评价方法本质上都是对冷热电根据不同的标准分别进行评价。根据分布式能源系统的能量梯级利用特点建立系统评价标准对分布式能源系统的研究将具有非常重要的意义。

④需要进一步加强天然气的价格稳定机制。由于分布式能源系统燃烧的是高品质的清洁能源,其运行成本受燃料价格的影响特别大，尽管一个热力匹配完好的冷热电三联供系统其经济性也并不一定好。所以稳定的价格机制也是影响分布式能源站推广的一个主要因素。

⑤分布式能源站的并网、电价问题。目前,国家在财税和金融等方面还未出台相关的扶持政策,如电价补贴、接入系统投资、节能奖励等方面给予优惠政策,而且尚未制定和完善行业技术标准以及并网运行管理体系。如欧盟要求成员国支持分布式能源系统发展,在电网系统和税率上支持分布式能源系统,尽可能为高效小型分布式能源系统机组并网提供方便。欧洲委员会已经批准了强制购买热电联供和可再生能源发电的政策。所以，分布式能源站的大力推广，还需要政府在这方面加大对分布式能源的扶持力度。

4 结束语
　　
目前,在数据中心中,应用较广且极有发展前途的是燃气冷热电三联供分布式供电系统。这是相对于集中供电网络系统而言的一种分散布置的小型供电热冷站,由用户所经营。

分布式能源系统靠近负荷(电、热、冷),采用较小型的能源机组向所在小区域联供热电冷。所采用的机组一般是以天然气为主要燃料(燃油为备用燃料)。其单台机组的发电量范围广(可从3～180MW),由于分布式能源系统可冷热电联供,燃料得到梯级利用,其热效可达70%～85%,电损耗低(2%～3%)。该分布式能源系统是一种以燃气作为能源,将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产系统,通常由发电机组、溴化锂吸收式冷(热)水机组和换热设备组成,即将高品位热能用于发电,发电机排放的低品位能源(烟气余热、热水余热)用于供热或制冷,实现能源的梯级利用,目的在于提高能源利用效率,减少碳化物及有害气体的排放。

虽然在相当长的时间内,分布式能源系统还难以成为我国主要供电、供热形式,但可以预见,随着我国经济社会快速发展,城镇化的迅速推进和作为城镇主体形态的城市群空间格局的形成,以及人民生活水平的提高,建设资源节约型和环境友好型社会的思想深入人心和全面落实,分布式能源系统将会在京、沪、广、深等发达地区有良好的发展前景。随着某些阻碍分布式能源系统应用的技术难点的解决以及国家政策的落实,分布式能源的发展及应用前景是极其光明的。