分布式能源效率评价浅议

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【摘要】现代化的生活离不开能源，现代化的发展也离不开电力。在介绍几种分布式能源的基础上，对分布式能源效率评价指标进行分析，最后给出结论。

现代化的生活离不开能源，现代化的发展也离不开电力。我国是人口大国，也是大力大国，2010年的发电总量超过美国。我国的能源供应和用能分布不匹配，西北地区是能源供应地，东部沿海是主要用能区域，这导致了我国的西电东输，北电南送的格局。当然，智能电网的发展能够提高电力输送的效率，减少损耗，但是现实却是电网事故无法完全避免；国家能源“十二五”规划明确提出要重视节能优先战略，提高能源生产和利用效率。大力发展分布式能源，是提高电能效率的有效途径。

一、分布式能源及分类

（一）分布式能源定义

对于分布式能源，不同机构和组织基于不同角度提出来不同的定义，主要表示分布于用户端的能源的综合利用系统；其中，一次性能源以液体或气体为主，可再生能源为辅，表示多源输入；二次能源以电力、冷力（热力）形态为主，代表多源输出，能效综合效率达到70%以上。因此，我们这里借用徐建中、邓建玲（2014）给出的定义，分布式能源是指靠近用户侧，由不同模块化设备组成的提供多种形式能源的供应系统 [1]。分布式能源具有靠近用户侧的特点，因此能够提高能源系统的安全性，减少意外事件造成的损失。

（二）分布式能源分类

目前，靠近用户端的发电方式有多种，在实际应用中，按照发电容量分为大型（≥MW）、中型（100kW-1MW）和小型（

1、太阳能光伏发电

地球上目前使用的能源从根本上说都来自于太阳能，比如石油、天然气也是以往太阳能的累积。现在所讲的太阳能一般是指当前接受的太阳辐射到地球的能源。太阳内部的核聚变产生的能量巨大，辐射到地球的能源仅仅为总能量的1/22000000，太阳每秒钟辐射到地球的能源为500 万吨煤。如果太阳能量能够完全利用，地球上一年的能量消耗只需太阳15分钟的能量传输。

太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应直接将太阳光能转换成电能，这是一种新型的发电系统。太阳能光伏系统的发电容量，能够任意组合，最适合用户端客户的分散使用，还是一种清洁能源，可进行独立微网发电，也可以并网发电。我国在1958年便着手太阳能电池的研究，1971年将其应用于东方红2号卫星上，1973年后将其应用在地面上。我国的光伏产业发展快速，已经形成了较完整的产业体系。我国的太阳能资源丰富，国土面积的三分之二年日照时间达到2300小时以上，每年陆地表面接收的太阳能量约为17000亿吨标准煤。从长远来看，我国丰富的荒漠资源将是重要的能源宝地。太阳能光伏发电分为独立光伏发电系统和并网光伏系统，独立光伏发电系统仅靠太阳能电池供电；并网光伏系统将太阳电池发出的直流电变换成交流电，且与电网并联。

2、风力发电

风力发电是将风能经由机械能而转换成电能的过程。根据风力发电有不同的运行方式，主要有独立运行和并网运行，还有互补运行等方式。独立运行直接将风力发电产生的电能利用蓄电池储存起来，然后供用户使用。这种方式的成本较高，因为储能设施造价高昂，但是适用性较强，可以供主电网输送不到的地区，如牧区海岛等区域，其单机容量可以达到数百千瓦。并网运行是指将风力发电的电能经过变压器全部输送至主电网，这种方式适合在风力资源丰富的地区，比如沿海地区。互补运行方式是指将风力发电与其他发电方式互补，比如风力―太阳能光伏，风力――燃料电池，风力―柴油机组等，该种方式能够保证供电的连续性和稳定性，降低离网型的用户的发电成本，提高利用资源的利用率。

3、燃料电池发电

燃料电池是直接将化学能转化为直流电能的装置。其工作原理：当氢基燃料（如天然气）与氧气结合生成水时，氢离子和氧离子会发生定向移动，形成电路电流，好比是电解水的逆过程。实际上，燃料并不需要燃烧，通过电化学过程完成了化学能向电能的转化。目前主要有5中燃料电池，即PEM、AFC、PAFC、SOFC和MCFC，其中PAFC是目前应用最广的燃料电池。燃料电池具有很多优点，首次，在能量转化过程中，燃料电池的副产品是二氧化碳和热水，这些副产品还可以综合循环利用，其发电效率远高于传统发电效率；其次，废物排放量较小，属于清洁型能源利用方式；最后，安装简单，成本较低，效用较高。

4、生物质能发电

生物质能发电的能源来源于生物质，是将生物质能转化为其他能量形式（如沼气、酒精、燃气等），然后利用通用的发电技术，将电能供给给用户使用。生物质能发电有以下优点：其一，可以利用当地丰富的生物能源，比如麦秸，动物粪便等，节省了从外输入能源的成本，节约了资源；其二，生物质能发电设备容量相对较小，可以独立有运行，可以解决偏远地区或电网触不到的地区的用电；其三，生物能源属于可再生的，其发电的污染较小，对环境的伤害相对小一些。

5、微型燃气轮发电

微型燃气轮机是一种小型气轮机，一般以液体燃油为燃料，如，天然气，汽油、柴油等，这是应用较普遍的分布式发电电源。微型燃气轮机的发电功率范围一般在千瓦以下，发电效率约为30%，热电联产效率可达到75%。微型燃气轮机的工作原理是：在回热器内预热的高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，产生的高温燃气带动发电机发电，发电机先产生高频率交流电，然后将其转换成高压直流电，最后转换成60Hz/480V的交流电供应给用户使用。

6、其他能源发电

除了上面所说的能源发电之外，还有海洋能和地热能发电。海洋能包括波浪能、潮汐能、、海流能、海水盐差能等。目前，比较成的技术是是潮汐能发电。潮汐能发电与水力发电相类似，就是利用海水造成的水位差带动水轮机来发电。地热能来自地球内部，熔融岩浆以及放射性物质产生热能，属于可再生能源，地热发电与火力发电类似，不同的地方是地热发电的能源来自于地下热水和蒸汽。

二、分布式能源效率的评价指标

对于分布式能源效率评价，我们这里以典型的冷热电联产为分析对象。

（一）一次能源利用率（（PER）

这里采用的分布式发电技术是微型燃气轮发电，采用气体燃料（天然气等）。一次能源利用率 （PER ，Primary Energy Ratio）是属于非常直观的评价指标，它是基于物理热力学第一定律，不考虑能量的质的差别，公式为：，式中，Qe表示，系统总的发电量（kWh）；Qh表示系统总供热量（kWh）；Qc表示系统总制冷量（kWh）；Gu表示系统的燃料消耗总量（m3/h）；Hu表示燃料的低位发热量（kJ/m3）。

1、分产系统能源利用率

在传统上分产系统一般是指电网供电、锅炉（燃气）供热、电制冷机供冷，其一次能源消耗量为：

；

分产系统一次能源利用率为：

式中，ηb表示锅炉效率；ηce表示电网效率与发电效率乘积；COPec表示电制冷机性能系数；PERb=ηb，表示锅炉供热系统的一次能源利用率；PERb=ηce，表示发电系统的一次能源利用率；PERec=COPer・ηer，表示电制冷系统的一次能源利用率。

2、联产系统能源利用率

联产系统可以利用余热进行供热、制冷，其一次能源利用率为：

式中，ηle表示联产系统的发电效率；Qf表示联产系统的总能源消耗量。

（二）节能率

节能率=节能量/原燃料消耗量。在此，表示联产系统相对于分产系统的节能率，以PES表示，公式为：

（三）效率

效率也称二次能耗率，指系统各种能量之和与燃料的热能的比值。这是从物理热力学第二定律来对用能效率进行衡量的指标，重视能量的质。效率可以表示为：，式中：Ew表示系统总供电量（kW）；Eh表示系统输出有用热量（kW）；Ec表示系统输出有用冷量（kW）；Qge表示燃料总值（kW）。

三、结论

选取不同能源效率评价指标来衡量分布式能源的效率，结论会有所不同，有时甚至会出现大相径庭的结果。对冷（热）电联产的效率评价准则分为两类，一类是根据物理热力学第一定律，不考虑质的差别，常用的有一次能源利用率、节能率；另一类是根据物理热力学第二定律，考虑质的差别，如效率。目前，应用较多，效率评价相对简单的指标是第一类，尤其以一次能源利用率指标评价和仿真的研究较多。

参考文献

[1]徐建中，邓建玲.分布式能源定义及其特征[J].华电技术，2014，01：3.

[2]王敏，丁明.分布式发电及其效益.合肥工业大学学报，2004，7（4）：354-358

[3]雷亚洲.风力发电与电力市场.电力系统自动化，2005，29（10）：1-5

[4]毕道治.中国燃料电池的发展.电源技术，2000，24（2）：103-107

[5]刘万琨.微型燃气轮机和分布式电源.东方汽轮机，2004，5（3）：26-41

[6]蒋润花.分布式能源系统研究[D].中国科学院研究生院（工程热物理研究所）， 2009.

作者简介

应炬锋（1978-），男，浙江仙居人，中国人民大学经济学院博士生。研究方向：能源经济学，网络经济学.