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淺析對分布式能源效率的認(rèn)識

2015-08-27 13:54:17 論文網(wǎng)

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,對分布式能源效率評價指標(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。我國是人口大國,也是大力大國,2010年的發(fā)電總量超過美國。我國的能源供應(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。現(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號衛(wèi)星上,1973年后將其應(yīng)用在地面上。我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速,已經(jīng)形成了較完整的產(chǎn)業(yè)體系。我國的太陽能資源豐富,國土面積的三分之二年日照時間達(dá)到2300小時以上,每年陸地表面接收的太陽能量約為17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從長遠(yuǎn)來看,我國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存起來,然后供用戶使用。這種方式的成本較高,因?yàn)閮δ茉O(shè)施造價高昂,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,氫離子和氧離子會發(fā)生定向移動,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,對環(huán)境的傷害相對小一些。

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影l(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價指標(biāo)

對于分布式能源效率評價,我們這里以典型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)為分析對象。

(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價指標(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價指標(biāo)來衡量分布式能源的效率,結(jié)論會有所不同,有時甚至?xí)霈F(xiàn)大相徑庭的結(jié)果。對冷(熱)電聯(lián)產(chǎn)的效率評價準(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,效率評價相對簡單的指標(biāo)是第一類,尤其以一次能源利用率指標(biāo)評價和仿真的研究較多。




責(zé)任編輯: 李穎

標(biāo)簽:分布式能源效率

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