多能互补分布式能源关键技术发展研究
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摘要：构建清洁、低碳、高效的能源供给体系，开创安全高效的能源消费新局面是中国能源转型的方向和目标。其中，多能互补系统可以充分地利用分布式能源和可再生能源，对提升可再生能源消纳比例和提高能源综合利用效率具有重要意义。综述了目前中国国内外多能互补分布式能源主要技术的原理及特点，并重点介绍了燃气分布式能源、分布式光伏、蓄能系统、热泵技术等。
关键词：多能互补;燃气分布式;分布式光伏;蓄能
中图分类号：TKOI
文献标识码：A
DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.032
1 引言
中国能源正处于从总量扩张向提质增效转变的全新发展阶段，构建清洁低碳能源供给体系将成为中国能源发展的方向和目标。其中，多能互补系统可以充分地利用分布式能源和可再生能源，对提升可再生能源消纳比例和提高能源综合利用效率具有重要意义。
多能互补分布式能源与传统供能系统很大的区别在于其丰富多样的电源形式，主要涵盖燃气轮机、内燃机、小水电、风力发电、光伏发电以及地热发电等。此外还可配置储能设备，如飞轮储能、电池储能、超导储能、超级电容储能等多种形式储能。分布式能源从空间、时间和特性上将多种能源进行整合互补，缓解整个系统波动，提升供能可靠性。
2 中国国内发展现状
多能互补包括终端一体化集成供能系统和风光水火储多能互补系统两种类型。为构建优良的多能互补分布式智慧能源系统，中国国内外研究团队不仅在多种能源组合方面尝试各种配置，在分布式电源、储能等方面也进行不断创新。分布式电源指规模容量较小，产生的电能不需要大规模、远距离输送，与用户就近布置，直接进行就地消纳的微小型发电系统[1]，其一般包括传统发电模块、可再生能源发电模块等。相对于传统电源，分布式电源系统简单，各组件互相独立，容易控制，对负荷变动的适应性强，拥有很好的调峰能力。同时由于采用了新兴发电模块与引入了可再生能源，对温室气体及固体废弃物减排也有很大的促进作用。近年来，由于具有以上优点，分布式电源发展迅速，包括就近供电、海岛供电、保障供电、备用电源、“黑起动”电源等。
储能技术是借助某种设备，将电能转换成另外形式存在的能量并储存，在必要时再将所储存的能量转换成电能，目前电能储存主要包括机械、电磁和电化学储能三种形式。储能系统利用变流器完成同交流母线的能量交换，可消除光伏与风电输出功率的波动影响，确保电池充放电功能，变流器中能量可以进行双向流动。为了实现削峰填谷，稳定输出，保证供电质量，并在必要时进行微网孤岛运行，储能设备必须具备大容量、高效率转化的能力。目前储能技术得到越来越广泛的关注，应用范围日益扩大。
3 多能互補分布式能源关键技术
多能互补是指按照不同资源条件和用能对象，多种能源互相补充、协同供应，以满足用户用能需求。
3.1 燃气分布式能源
燃气分布式能源指以天然气为主要燃料，在用户端就近布置，通过冷热电三联供技术实现能源梯级利用[2]的能源供应模式。典型的燃气分布式能源系统包括原动机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、制冷设备等。天然气在原动机（燃气轮机/内燃机/微型燃气轮机等）燃烧后，带动发电机进行发电，其中排出的高温烟气余热可以依据终端用户的需求采用多种利用形式，可以经过余热利用设备的换热过程，将水加热成高温水蒸气，高温水蒸气再进入蒸汽轮机内推动叶片旋转，然后通过发电机发电;从余热利用设备中排出的低温烟气可通过烟气驱动吸收式热泵来提供热水，而从蒸汽轮机排出的中温蒸汽可驱动热泵来提供冷量和热量。
燃气分布式能源相对于传统的能源供应模式，其对能量进行了梯级高效利用，实现了冷、热、电的同时供应。充分利用了发电余热，由于电力和冷热量供应距离较短，能源的综合利用效率可达到70% - 90%。同时，燃气分布式能源系统可作为大电网的有效补充，提高能源供应的安全性，同时对天然气和电力具有双重“削峰填谷”的作用。另外，燃气分布式能源系统可大幅度减少二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，节能减排效果显著。
3.2 分布式光伏
光伏发电借助太阳能电池，利用光生伏特效应，把太阳光能直接转化为电能[3]。分布式光伏是在用户侧就近布置，以自发自用、余电上网为原则，以平衡调节配电系统为特征的光伏发电装置。它以就近发电、并网、使用为原则，不仅可以有效提高光伏电站发电量，还能有效解决长距离传输的损耗问题。目前城市建筑物屋顶光伏应用最为广泛，同时光伏车棚、幕墙光伏等光伏建筑一体化也在不断推广。
目前，分布式光伏应用与新能源汽车紧密结合，利用车棚的屋面资源建设光伏车棚，同时同步配套建设充电桩，对新能源汽车进行充电。光伏车棚所发电量除供给车辆使用外，多余的电量供上网，从而减缓城市的用电压力，实现社会效益和环境效益的双赢。
3.3 蓄能系统
蓄能其实就是指能量的储存，是把一种能量利用某种装置和介质转换成另一种形式的能量并储存的循环过程，在将来必要时以所需的能量形式释放使用。多能互补系统中由于供能侧与负荷侧的能源供求关系直接影响系统能否实现高效运行，蓄能系统可以保证能源系统的稳定运行，而且还能达到调和供需矛盾的作用。当用户负荷波动较大时，由于蓄能系统发挥了供需关系中的缓冲作用，可以使整个大系统仍然以高效率运行，确保全能量供应系统的整体性能。
蓄能主要包括储电、蓄热（冷）等多种类型。储电指借助物理、化学方法等技术，将能量储存起来并在需要时释放使用，一般由变流器（ PCS）、储能电池和升压变组成[4]。变流器可实现电能的双向转换：在充电状态时，变流器作为整流器将电能从交流变成直流储存到储能装置中;在放电状态时，变流器作为逆变器将储能装置储存的电能从直流变为交流，输送到电网。 工程中常用的蓄热（冷）方式主要有液体显热蓄热、固体显热蓄热、相变蓄热、吸收式蓄热等[5]。如斜温层蓄水罐等液体显热蓄热技术目前相对成熟，其利用液体蓄热介质温差存储热量，效率较高，且成本低，但蓄热密度较小。箱变蓄热是利用箱变潜热储存热量，蓄热密度大，目前已有应用案例。固体显热蓄热是采用鹅卵石或混凝土等材料，利用温差蓄存热量，取热量及温度品味不稳定。吸收式化学需能理论及实验研究还处于发展探索阶段，市场上尚无成熟产品。
3.4 余热回收热泵
燃气分布式能源系统主要原动机设备有燃气轮机、燃气内燃机，也是系统主要的余热来源[6]。就燃气内燃机而言，余热形式有烟气、高温缸套水、中冷水、滑油冷却热，烟气温度一般在300 - 500℃之间，高温缸套水温度一般在85 -95℃，中冷水温度一般在40 - 50℃，滑油冷却热通过高温缸套水带走;就燃气轮机而言，余热形式为烟气，温度一般在450 - 600℃间。常见燃气分布式系统通过锅炉烟气余热利用设备可将排烟温度降低到80 - 120℃，这仍会造成部分能量浪费，影响系统综合能源利用效率。热泵技术作为一种可以将低位热能提升至高品位并加以再利用的设备，可进一步回收余热，在节能方面有良好应用前景。燃气分布式系统中，可通过烟气余热回收热泵技术，进一步挖掘余热潜力，将排烟温度可降低至40℃以下后将烟气排至室外;而热泵系统的进水由低温水提高至中温水后用于系統应用，由此提高系统综合能源利用效率，提高项目综合收益。
能源站在发电供热的同时，有大量的乏汽冷凝热（约20%）通过冷却塔排放到大气中，通过溴化锂吸收式热泵可有效回收乏汽冷凝热。由于吸收式热泵能将低温水的温度提升至比较高的温度，且机组单机供热量大，适合于北方集中供暖系统以及工艺用热和锅炉补水加热。在热泵加热一次网回水场景中，可抽取汽轮机低压蒸汽作为溴化锂吸收式热泵机组的驱动热源，回收发电系统乏汽冷凝热，将一次网回水温度从50℃提高至80℃供热。在不发生燃料消耗、不减少电厂发电量的情况下，可增加供热能力30%以上;在热泵加热锅炉给水场景中，可抽取汽轮机低压蒸汽作为溴化锂吸收式热泵机组的驱动热源，回收发电系统乏汽冷凝热来加热锅炉水，以减少锅炉能耗。
3.5 污水源热泵
污水源热泵系统是通过污水换热器与中介水进行换热，中介水进入热泵，通过电能驱动热泵主机，冬季从水资源中提取低品质热能，通过热网供给采暖及生活热水系统;夏季将水资源中的低品质冷能“汲取”出来，经管网供给室内供冷系统，给室内提供空调制冷，充分利用污水能量。
污水具有水处理量大、水源稳定、冬暖夏凉等特点，城市污水作为冷热源为污水源热泵提供能量[7]。按污水热能提取方式可分为直接利用式和间接利用式。热泵空调机组换热器中的制冷剂与污水直接进行换热，提取其中热量或冷量，称之为直接换热式热泵空调系统;通过热交换器使污水与某种中间介质进行热交换，随后通过中间介质同制冷剂换热的系统，称之为间接换热式热泵空调系统。直接换热系统制热效率高、系统简单、系统寿命低、机组清洗周期短;间接换热系统制热效率低、系统复杂、使用寿命长、清洗周期长。
4 小结
随着绿色发展理念及国家能源发展战略行动计划的稳步推进与落实，可再生能源+清洁能源的多能源互补终端一体化供能系统将呈现快速增长趋势。多能互补分布式能源系统将各种先进技术深度融合，实现能源的优化配比与协调。随着国家、社会的发展，对当前已有关键技术的研发及相关技术存在的核心问题攻坚将更加深入，同时相伴随的需要克服的新技术屏障也会不断出现，但可以肯定，今后更先进、全面的技术也一定会不断涌现。
参考文献：
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[4]曹生允.电池储能的两级式功率变换系统研究[D].南宁：广西大学，2014.
[5]王智辉.热化学蓄热系统研究进展[J].新能源进展，2015，3 （4）： 289-298.
[6]黄妮娜，李培元，应炬锋.燃气分布式系统的经济性分析[J].分布式能源，2016，1（2）： 61-66.
[7]王继斌.污水源热泵技术的应用与发展前景[J].西部皮革.2016，38 （2）：3.
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