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分布式發(fā)電系統的應用及前景
作者: 吳靖 江昊收錄來(lái)源: 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院(310027)【摘要】本文從當今世界分布式發(fā)電系統的應用背景入手，介紹了分布式發(fā)電技術(shù)的分類(lèi)及與集中式供電系統相比的有利之處，分析了該技術(shù)在國內、外的發(fā)展現狀及前景。
現在全世界供電系統是以大機組、大電網(wǎng)、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統。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，但是當今社會(huì )對能源與電力供應的質(zhì)量與安全可靠性要求越來(lái)越高，大電網(wǎng)由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿(mǎn)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(dòng)都會(huì )對整個(gè)電網(wǎng)造成較大影響，嚴重時(shí)可能引起大面積停電甚至是全網(wǎng)崩潰，造成災難性后果，這樣的事故在國外時(shí)有發(fā)生；而且這種大電網(wǎng)又極易受到戰爭或恐怖勢力的破壞，嚴重時(shí)將危害國家的安全，如科索沃戰爭和剛剛結束的海灣戰爭等；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(chǎng)其花費是巨大的，經(jīng)濟效益也非常低。根據西方國家的經(jīng)驗：大電網(wǎng)系統和分布式發(fā)電系統相結合是節省投資，降低能耗，提高系統安全性和靈活性的主要方法。
1 分布式發(fā)電的簡(jiǎn)介
分布式發(fā)電指的是在用戶(hù)現場(chǎng)或靠近用電現場(chǎng)配置較小的發(fā)電機組(一般低于30MW)，以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的需要，支持現存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，或者同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)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(hù)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(chǎng)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(guò)分布式發(fā)電和集中供電系統的配合應用有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)分布式發(fā)電系統中各電站相互獨立，用戶(hù)由于可以自行控制，不會(huì )發(fā)生大規模停電事故，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)安全穩定性的不足，在意外災害發(fā)生時(shí)繼續供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補充；
(3)可對區域電力的質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，非常適合向農村、牧區、山區，發(fā)展中的中、小城市或商業(yè)區的居民供電，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(méi)有，無(wú)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(mǎn)足特殊場(chǎng)合的需求，如用于重要集會(huì )或慶典的(處于熱備用狀態(tài)的)移動(dòng)分散式發(fā)電車(chē)；
(6)調峰性能好，操作簡(jiǎn)單，由于參與運行的系統少，啟�？焖�，便于實(shí)現全自動(dòng)。
2 分布式發(fā)電的分類(lèi)
根據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)構成：①往復式發(fā)動(dòng)機技術(shù)：用于分布式發(fā)電的往復式發(fā)動(dòng)機采用四沖程的點(diǎn)火式或壓燃式，以汽油或柴油為燃料，是目前應用最廣的分布式發(fā)電方式。但是此種方式會(huì )造成對環(huán)境的影響，最近通過(guò)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微型燃氣輪機技術(shù)：微型燃氣輪機是指功率為數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有的其它發(fā)電技術(shù)相比，效率較低。滿(mǎn)負荷運行的效率只有30%，而在半負荷時(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(guò)電化學(xué)過(guò)程獲得的。在其陽(yáng)極上通過(guò)富氫燃料，陰極上面通過(guò)空氣，并由電解液分離這兩種物質(zhì)。在獲得電能的過(guò)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(guò)蒸汽重整過(guò)程或由氧化反應生成。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(chēng)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)構成：①太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)：太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導體材料的光電效應直接將太陽(yáng)能轉換為電能。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規模靈活、無(wú)污染、安全可靠、維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是此種分布發(fā)電技術(shù)的成本非常高，所以現階段太陽(yáng)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用。(2)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉化為電能的發(fā)電技術(shù)，可分為獨立與并網(wǎng)運行兩類(lèi)，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(guò)150kW。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)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(lái)，形成復合式發(fā)電系統。目前已有多種形式的復合式發(fā)電系統被提出，其中一個(gè)重要的方向是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標分布式供能系統，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為分布式供能系統。其在生產(chǎn)電力的同時(shí)，也能提供熱能或同時(shí)滿(mǎn)足供熱、制冷等方面的需求。與簡(jiǎn)單的供電系統相比，分布式供能系統可以大幅度提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統的熱經(jīng)濟性。
3 分布式發(fā)電在國內外的發(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(lái)分布式供能系統的有用單元。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(mǎn)足工業(yè)、商業(yè)、居住和交通應用的一系列要求。預計幾年后，新一代的微汽輪機(10～250kW)可以完全商業(yè)化，為調峰和小公司余熱發(fā)電提供了新機會(huì )。
在美國國內到2020年，由于新的能源需求與老的電廠(chǎng)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(mǎn)足市場(chǎng)需要，下一個(gè)10年之后，美國的分布式發(fā)電市場(chǎng)裝機容量估計每年將達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料，在不久以后，分布式發(fā)電技術(shù)將在美國得到相當的發(fā)展。
(2)在我國，隨著(zhù)經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，我國集中式供電網(wǎng)的規模迅速膨脹。這種發(fā)展所帶來(lái)的安全性問(wèn)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)達的農村地區來(lái)說(shuō)，特別是農牧地區和偏遠山區，要形成一定規模的、強大的集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和很長(cháng)的時(shí)間周期，能源供應嚴重制約這些地區的經(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村地區風(fēng)力資源十分豐富，像內蒙古已經(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，這種無(wú)污染綠色能源可以減輕當地的環(huán)境污染。在可再生能源分布式發(fā)電系統中的除風(fēng)力發(fā)電外，還有太陽(yáng)能光伏電池、中小水電等都是解決我國偏遠地區缺電的良好辦法。因此，應引起足夠的重視。
在我國城鎮，分布式發(fā)電技術(shù)作
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