淺析對(duì)分布式能源效率的認(rèn)識(shí)

現(xiàn)代化的生活離不開能源，現(xiàn)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(chǔ)上，對(duì)分布式能源效率評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，最后給出結(jié)論。

現(xiàn)代化的生活離不開能源，現(xiàn)代化的發(fā)展也離不開電力。我國(guó)是人口大國(guó)，也是大力大國(guó)，2010年的發(fā)電總量超過美國(guó)。我國(guó)的能源供應(yīng)和用能分布不匹配，西北地區(qū)是能源供應(yīng)地，東部沿海是主要用能區(qū)域，這導(dǎo)致了我國(guó)的西電東輸，北電南送的格局。當(dāng)然，智能電網(wǎng)的發(fā)展能夠提高電力輸送的效率，減少損耗，但是現(xiàn)實(shí)卻是電網(wǎng)事故無法完全避免;國(guó)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(chǎn)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(duì)于分布式能源，不同機(jī)構(gòu)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(dá)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(cè)，由不同模塊化設(shè)備組成的提供多種形式能源的供應(yīng)系統(tǒng)。分布式能源具有靠近用戶側(cè)的特點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)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(shí)際上，我們更關(guān)心的實(shí)際分布式能源發(fā)電所采用一次能源和采用的技術(shù)接口，因此，根據(jù)發(fā)電采用的技術(shù)，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(xiàn)在所講的太陽能一般是指當(dāng)前接受的太陽輻射到地球的能源。太陽內(nèi)部的核聚變產(chǎn)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(yīng)直接將太陽光能轉(zhuǎn)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(jìn)行獨(dú)立微網(wǎng)發(fā)電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。我國(guó)在1958年便著手太陽能電池的研究，1971年將其應(yīng)用于東方紅2號(hào)衛(wèi)星上，1973年后將其應(yīng)用在地面上。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，已經(jīng)形成了較完整的產(chǎn)業(yè)體系。我國(guó)的太陽能資源豐富，國(guó)土面積的三分之二年日照時(shí)間達(dá)到2300小時(shí)以上，每年陸地表面接收的太陽能量約為17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，我國(guó)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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)僅靠太陽能電池供電;并網(wǎng)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(wǎng)并聯(lián)。

2、風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能而轉(zhuǎn)換成電能的過程。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電有不同的運(yùn)行方式，主要有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行，還有互補(bǔ)運(yùn)行等方式。獨(dú)立運(yùn)行直接將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能利用蓄電池儲(chǔ)存起來，然后供用戶使用。這種方式的成本較高，因?yàn)閮?chǔ)能設(shè)施造價(jià)高昂，但是適用性較強(qiáng)，可以供主電網(wǎng)輸送不到的地區(qū)，如牧區(qū)海島等區(qū)域，其單機(jī)容量可以達(dá)到數(shù)百千瓦。并網(wǎng)運(yùn)行是指將風(fēng)力發(fā)電的電能經(jīng)過變壓器全部輸送至主電網(wǎng)，這種方式適合在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，比如沿海地區(qū)?；パa(bǔ)運(yùn)行方式是指將風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式互補(bǔ)，比如風(fēng)力―太陽能光伏，風(fēng)力――燃料電池，風(fēng)力―柴油機(jī)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(wǎng)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(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電能的裝置。其工作原理：當(dāng)氫基燃料(如天然氣)與氧氣結(jié)合生成水時(shí)，氫離子和氧離子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，形成電路電流，好比是電解水的逆過程。實(shí)際上，燃料并不需要燃燒，通過電化學(xué)過程完成了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)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(yīng)用最廣的燃料電池。燃料電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，首次，在能量轉(zhuǎn)化過程中，燃料電池的副產(chǎn)品是二氧化碳和熱水，這些副產(chǎn)品還可以綜合循環(huán)利用，其發(fā)電效率遠(yuǎn)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(jiǎn)單，成本較低，效用較高。

4、生物質(zhì)能發(fā)電

生物質(zhì)能發(fā)電的能源來源于生物質(zhì)，是將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為其他能量形式(如沼氣、酒精、燃?xì)獾?，然后利用通用的發(fā)電技術(shù)，將電能供給給用戶使用。生物質(zhì)能發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn)：其一，可以利用當(dāng)?shù)刎S富的生物能源，比如麥秸，動(dòng)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(zhì)能發(fā)電設(shè)備容量相對(duì)較小，可以獨(dú)立有運(yùn)行，可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)或電網(wǎng)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(duì)環(huán)境的傷害相對(duì)小一些。

5、微型燃?xì)廨啺l(fā)電

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種小型氣輪機(jī)，一般以液體燃油為燃料，如，天然氣，汽油、柴油等，這是應(yīng)用較普遍的分布式發(fā)電電源。微型燃?xì)廨啓C(jī)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(lián)產(chǎn)效率可達(dá)到75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理是：在回?zé)崞鲀?nèi)預(yù)熱的高壓空氣在燃燒室與燃料混合燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈳?dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)先產(chǎn)生高頻率交流電，然后將其轉(zhuǎn)換成高壓直流電，最后轉(zhuǎn)換成60Hz/480V的交流電供應(yīng)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?zé)崮馨l(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(shù)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(dòng)水輪機(jī)來發(fā)電。地?zé)崮軄碜缘厍騼?nèi)部，熔融巖漿以及放射性物質(zhì)產(chǎn)生熱能，屬于可再生能源，地?zé)岚l(fā)電與火力發(fā)電類似，不同的地方是地?zé)岚l(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(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于分布式能源效率評(píng)價(jià)，我們這里以典型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)為分析對(duì)象。

(一)一次能源利用率((PER)

這里采用的分布式發(fā)電技術(shù)是微型燃?xì)廨啺l(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(píng)價(jià)指標(biāo)，它是基于物理熱力學(xué)第一定律，不考慮能量的質(zhì)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(chǎn)系統(tǒng)能源利用率

在傳統(tǒng)上分產(chǎn)系統(tǒng)一般是指電網(wǎng)供電、鍋爐(燃?xì)?供熱、電制冷機(jī)供冷，其一次能源消耗量為：

分產(chǎn)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(wǎng)效率與發(fā)電效率乘積;COPec表示電制冷機(jī)性能系數(shù);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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源利用率

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以利用余熱進(jìn)行供熱、制冷，其一次能源利用率為：

式中，ηle表示聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電效率;Qf表示聯(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)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(xué)第二定律來對(duì)用能效率進(jìn)行衡量的指標(biāo)，重視能量的質(zhì)。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(jié)論

選取不同能源效率評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量分布式能源的效率，結(jié)論會(huì)有所不同，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)大相徑庭的結(jié)果。對(duì)冷(熱)電聯(lián)產(chǎn)的效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則分為兩類，一類是根據(jù)物理熱力學(xué)第一定律，不考慮質(zhì)的差別，常用的有一次能源利用率、節(jié)能率;另一類是根據(jù)物理熱力學(xué)第二定律，考慮質(zhì)的差別，如效率。目前，應(yīng)用較多，效率評(píng)價(jià)相對(duì)簡(jiǎn)單的指標(biāo)是第一類，尤其以一次能源利用率指標(biāo)評(píng)價(jià)和仿真的研究較多。