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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(jī)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(fù)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(diǎn)的故障所產(chǎn)生的擾動都會對整個(gè)電網(wǎng)造成較大影響，嚴(yán)重時(shí)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(shí)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(yán)重時(shí)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(fù)荷的變化，而為了短暫的峰荷建造發(fā)電廠其花費(fèi)是巨大的，經(jīng)濟(jì)效益也非常低。根據(jù)西方國家的經(jīng)驗(yàn)：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(jī)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(jì)運(yùn)行，或者同時(shí)滿足這兩個(gè)方面的要求。這些小的機(jī)組包括燃料電池，小型燃?xì)廨啓C(jī)，或燃?xì)廨啓C(jī)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(kuò)大等因素的共同作用使得分布式發(fā)電成為新世紀(jì)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(diǎn)：
(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)中各電站相互獨(dú)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(bǔ)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，在意外災(zāi)害發(fā)生時(shí)繼續(xù)供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補(bǔ)充；
(3)可對區(qū)域電力的質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(yùn)行的系統(tǒng)少，啟�？焖�，便于實(shí)現(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(jī)技術(shù)：用于分布式發(fā)電的往復(fù)式發(fā)動機(jī)采用四沖程的點(diǎn)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(jìn)，已經(jīng)大大減少了躁音和廢氣的排放污染。②微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)：微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)。但是微型燃?xì)廨啓C(jī)與現(xiàn)有的其它發(fā)電技術(shù)相比，效率較低。滿負(fù)荷運(yùn)行的效率只有30%，而在半負(fù)荷時(shí)，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(jìn)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(shí)，不需要燃燒，同時(shí)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?xì)湓矗趬毫ψ饔孟峦ㄟ^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(jì)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(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，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(dú)立與并網(wǎng)運(yùn)行兩類，前者為微型或小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)步很快，單機(jī)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(gè)重要的方向是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標(biāo)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(shí)，也能提供熱能或同時(shí)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(jì)性。
3 分布式發(fā)電在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r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(jì)幾年后，新一代的微汽輪機(jī)(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(jī)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(jì)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(gè)10年之后，美國的分布式發(fā)電市場裝機(jī)容量估計(jì)每年將達(dá)5×109～6×109W，為解決這個(gè)巨大的缺口，美國能源部提出了以下幾個(gè)涉及分布式發(fā)電技術(shù)的計(jì)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(jì)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(jì)發(fā)展很不平衡，對于廣大經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)來說，特別是農(nóng)牧地區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū)，要形成一定規(guī)模的、強(qiáng)大的集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和很長的時(shí)間周期，能源供應(yīng)嚴(yán)重制約這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而分布式發(fā)電技術(shù)則剛好可以彌補(bǔ)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(yuǎn)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
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