主要可再生能源及其分布式系統的構建

任建興，劉青榮，楊涌文，朱群志

(上海電力學院能源與環境工程學院，上海 200090)

能源是一個國家、地區經濟發展的重要基礎.分布式能源是智能電網建設的一個重要組成部分.智能電網包括電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度6大環節，其中發電環節是智能電網的源頭.國家能源中長期發展規劃明確指出，要加快智能電網建設，提高電網的資源優化配置能力，以滿足國家快速增長的能源需求，保障能源安全［1］.由于我國的能源消耗70%以上為化石能源煤炭，煤炭的過量消耗必然會產生環境污染等諸多問題，但是可再生能源是取之不盡用之不竭的，因此未來我國能源消費結構將朝清潔化、低碳化方向發展.按照發電煤耗折算，“十二五”末，非化石能源的消費比重將超過11%，以可再生能源為主體的分布式能源系統將具有更廣闊的發展空間［2，3］.

1 可再生能源的主要種類

能源可以分為非再生能源和可再生能源兩大類型.在工業生產和人們日常生活中所消耗的能源主要是化石能源，即不可再生的能源;可再生能源主要包括太陽能、風能、生物質能和水能等.分布式能源系統主要以太陽能和風能為主.在能源供需矛盾日益突出的今天，太陽能和風能可以作為最主要的可再生能源加以利用.

1.1 太陽能

太陽能是太陽光的輻射能量.太陽能的利用主要有被動式利用光熱轉換和光電轉換兩種方式，目前光電轉換即光伏發電已得到廣泛應用.太陽能的特點如下:

(1)無所不在 有太陽光照射的地方就有太陽能的存在，太陽能不受地域的限制，無論陸地、高山和海洋處處皆有，且無須開采和運輸;

(2)綠色清潔 開發利用太陽能不會導致環境污染，是一種最為清潔的能源之一，在環境污染越來越嚴重的今天，開發和利用太陽能是保證能源有效供給的重要措施;

(3)能源儲存量巨大 太陽能能量巨大，每年到達地球表面的太陽輻射能大約相當于1.3×1016t標準煤，是世界上最具開發意義的能源;

(4)取之不盡 根據目前太陽所產生的能源速率估算，太陽能的貯量能夠維持百億年，因此太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源;

(5)能流密度低且供給不穩定 太陽能輻射到達地球表面的總量雖然很高，但單位面積上太陽能輻射的能量比較少，即太陽能能流密度低，而且還受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制，以及晴、陰、云、雨等氣候隨機因素的影響，具有不穩定性［4，5］.

1.2 風 能

風是地球上的一種自然現象，是地球表面大量空氣流動所產生的動能.由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣含量的不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區流動而生成風.風能資源決定于風能密度和可利用的小時數.風能密度與風速的3次方和空氣密度成正比.據有關數據表明，全世界的風能總量大約1.3×1011kW，我國的風能總量大約1.6×109kW.由此可知，我國大力開發利用風能具有十分重要的現實意義.

風能的利用一般可以通過風車來提取.當風吹動風輪時，風力帶動風輪繞軸旋轉，使風能轉化為機械能，再由機械能轉化為電能或其他能量.風能轉化量的大小直接與空氣密度、風輪掃過的面積和風速的平方成正比.風能的特點如下.

(1)能源潔凈 風能來源廣，利用風能不會對大氣環境產生污染.

(2)穩定性較差 風能也和太陽能類似，存在不穩定性.風速不穩定，產生的能量大小也不穩定.風能的利用受地理位置和氣候條件變化的限制，不同位置、不同氣候條件下的風能隨時間的變化而改變.

(3)能量轉換效率較低 相對而言，風能的能量轉化效率低，發電成本高.

2 可再生能源分布式系統的構建

分布式能源系統是分散在用戶端或靠近用戶端的，以高效節能技術和能量梯級利用為核心的能源系統.其產生的電力優先滿足自身用戶的需求，當電力有富裕時，系統并網向網上供電;當自身發電不足時，部分電力從電網輸入.由于分布式能源系統能夠全部或部分滿足自身電力負荷的要求，從電力輸配網輸入的電能較少，因此對電力輸配網的依存度相對較低，有利于供電網的安全、穩定運行.

構建分布式能源系統的電源，一般由多種類型的電源點組成，如可再生能源風能、太陽能、生物質能，以及燃氣輪機和燃氣內燃機等提供的動能.目前以可再生能源——風能、太陽能為主體的可再生分布式能源系統得到了越來越廣泛的應用［6，7］.

2.1 太陽能光伏發電

在分布式能源系統中，太陽能的利用是一個重要的組成部分.而太陽能利用則以太陽能光伏發電為主要形式.太陽能光伏發電系統主要由4個部分構成:

(1)太陽電池方陣 由多個太陽電池組件組合而成，產生負載所需要的電能;

(2)蓄電池組 由若干個蓄電池經串聯組成的電能儲存裝置;

(3)控制器 主要對整個系統進行有效控制，并對系統的輸入和輸出功率起到協調作用;

(4)逆變器 是將太陽電池方陣產生的直流電轉換為交流電的設備.

太陽電池方陣是太陽能光伏發電系統最為重要的組成部分.目前應用最廣的太陽電池材料是晶體硅太陽電池，它由N型和P型半導體材料組成，如圖1所示.

太陽電池種類主要有單晶硅、多晶硅晶硅系列和薄膜晶硅系列，如圖2，圖3，圖4所示.單晶硅、多晶硅晶硅系列電池的厚度大約為200～300 μm，分為兩個區域:一是正電荷區;二是負電荷區.薄膜晶硅系列電池非常薄，約為1 μm，其顯著特點是形狀可以根據需要而改變.目前國內生產的晶硅系列太陽電池效率約為10% ～15%，工作壽命約為 20 年［3］.

圖2 單晶硅板

圖3 多晶硅板

圖4 薄膜電池板

2.2 風力發電機組

風力發電機組的形式一般可分為兩類，即:水平軸式和垂直軸式.水平軸式風力發電機組又分為升力型和阻力型兩種.一般多采用升力型水平軸風力發電機組.水平軸風力發電機組通常由風輪、變速器、發電機、風向傳感元件、伺服電機、控制器等裝置組成.垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機的風輪形式存在較大的差異.垂直軸風力發電機能隨風向改變而轉動，其結構設計簡單，這是垂直軸風力發電機的一大優勢.但在風輪尺寸、重量和成本一定的條件下，垂直軸風力發電機提供的輸出功率較低，因此大功率的風力發電機組一般采用水平軸式機組.

3 可再生分布式能源系統的構建

分布式能源系統是一種新型的能源供給方式，其優點是在負荷集中區域就地發電，就地使用，不但節省了集中大電網長距離、大容量的輸電線纜，減少了線損，而且故障可以就地處理，有利于大電網的安全運行;系統規模相對較小，配置比較簡單，系統自身損耗小，發電收益率可達90%以上［8-11］.

根據電力負荷的不同類型與要求，分布式能源系統的構建形式也存在較大差異.對于一般住宅建筑，可再生分布式能源系統主要以太陽能的光伏發電為主，如圖5所示［3］.

圖5 光伏發電分布式能源系統

在建筑物的頂部布置晶硅系列的太陽電池方陣，建筑物所需的電力負荷由太陽能光伏發電和外部電網供電組成的分布式能源系統提供.太陽能光伏發電系統由太陽電池方陣、逆變器、控制器、電氣箱和電表組成，當光伏發電系統發電功率大于建筑用電負荷時，剩余電力向電網供電，如果小于用電負荷，不足部分則由電網供電.這種供電模式能夠有效地利用可再生能源，以降低電網供電負荷，提高電網安全性.

對于大型公共建筑或其他電力負荷相對比較集中的區域，可以考慮導入多類型可再生分布式能源系統，如圖6所示.整個系統由可再生能源太陽能發電、風力發電，以及常規能源天然氣驅動的內燃機、燃料電池發電系統組成.根據公共建筑或用能區域對能源的需求，采用以可再生能源太陽能發電、風力發電為主體，內燃機和燃料電池為輔的能源供給系統，能夠實現熱、冷、電3聯供，以提高能源利用率，降低電網負荷，使電網的運行更趨安全穩定.

圖6 多類型可再生分布式能源系統

4 結語

對于一般住宅建筑，可再生分布式能源系統的構建主要以太陽能的光伏發電為主;對于大型公共建筑或其他電力負荷相對比較集中的區域，分布式能源系統的構建以多類型可再生能源太陽光發電、風力發電和常規能源天然氣驅動的內燃機、燃料電池發電系統為主.

［1］騰訊科技.中國太陽能［EB/OL］.［2009－08－31］http://news.qq.com/a/20090831/002593.htm.

［2］潘雯瑞，任建興.秸稈生物質燃料燃燒特性分析［J］.上海電力學院學報，2010，26(2):131-134.

［3］北極星電力網新聞中心.2009～2010年國內外風電產業發展報告解讀［EB/OL］.［2011－01－26］http://news.bjx.com.cn/html/20110126/268262.shtml.

［4］NEDO.有利于環保的高效風能利用［EB/OL］.［2011－03－ 01］http://app2.infoc.nedo.go.jp/kaisetsu/neg/neg03/index.html.

［5］姚均田，鄭莆燕，柴國旭.分布式聯產系統相關問題的研究［J］.上海電力學院學報，2010，26(6):545-549.

［6］張雪梅，胡小堅，李偉奇.微型燃氣輪機分布式能源系統動態能耗分析與優化應用［J］.熱力發電，2010(1):1-5.

［7］翁一武，翁史烈，蘇明.以微型燃氣輪機為核心的分布式供能系統［J］.中國電力，2003，36(3):136-140.

［8］CARPINELL G，CELLI G，PILO F，et al.Distributed generation siting and sizing under uncertainty［C］//IEEE Power Tech Proceedings，Porto，Sept.，2001:7-13.

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［10］侯健敏，周德群.分布式能源研究綜述［J］.沈陽工程學院學報:自然科學版，2008，4(4):289-293.

［11］MORENO-Munoz A，de-la-ROSA J J G，LOPEZ-Rodriguez M A.Improvement of power quality using distributed generation［J］.Electrical Power and Energy Systems，2010(32):1 069-1 076.