1.2 分布式发电技术

分布式发电技术利用各种可用资源进行小规模的分布式发电，其分类方式有多种。按使用的能源分类，分布式发电技术可分为：①利用可再生能源发电，如光伏发电技术、风力发电技术、生物质发电技术；②燃用化石能源发电，如燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术，燃料电池发电技术；③利用二次能源及垃圾燃料等发电，如氢能发电技术。

1.2.1 光伏发电技术

光伏（Photo-Voltaic, PV）发电技术是一种将太阳光辐射能通过光伏效应，经光伏电池直接转换为电能的发电技术，它向负荷直接提供直流电或经逆变器将直流电转变成交流电供人们使用。光伏发电系统除了其核心部件光伏电池、电池组件、光伏阵列外，往往还有能量变换、控制与保护以及能量储存等环节。光伏发电技术经过多年发展，目前已获得很大进展，并在多方面获得应用。目前的光伏发电系统大多为小规模、分散式独立发电系统或中小规模并网光伏发电系统，基本上均属于分布式发电的范畴。光伏发电系统的建设成本至今仍然很高，发电效率也有待提高，目前商业化单晶硅和多晶硅的电池效率为13%～17%（薄膜光伏电池的效率为7%～10%），影响了光伏发电技术的规模应用。但由于光伏发电是在白天发电，它所发出的电力与负荷的最大电力需要有很好的相关性，因此今后必将获得大量应用。

太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个p-n结构成的。当太阳光照射到p-n结时，一部分被反射，其余部分被p-n结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热，另一部分以光子的形式与组成p-n结的原子价电子碰撞，产生电子空穴对，在p-n结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向n区，空穴驱向p区，从而使得n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴，在p-n结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消内建电场外，还使p型层带正电，n型层带负电，在n区和p区之间的薄层产生光生电动势，这种现象称为光生伏打效应。若分别在p型层和n型层焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过，如此形成一个电池元件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换。

单体光伏电池的输出电流、电压和功率分别只有几安、几伏和几瓦，即使组装成组件，将电池串联、并联起来，输出功率也不大。使用时往往将多个组件组合在一起，形成所谓的模块化光伏电池阵列。

光伏发电具有无需燃料、环境友好、无转动部件、维护简单、维护费用低、由模块组成、可根据需要构成及扩大规模等突出优点，其应用范围十分广泛，如可用于太空航空器、通信系统、微波中继站、光伏水泵、边远地区的无电缺电区以及城市屋顶光伏发电等。光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器、储能元件（蓄电池组等）、直流-交流逆变器（DC-AC逆变器）、配电设备和电缆等组成，如图1-1所示。

一般可将光伏发电系统分为小规模分散式独立供电系统和中小规模并网发电系统，以及光伏发电与小风电和柴油发电机等构成的混合供电系统。并网系统可不用蓄电池等储能元件，但独立供电系统中的储能元件是不可缺少的，因此光伏发电系统各部分的作用和功能对不同系统而言并不完全相同。

1.2.2 风力发电技术

我国自20世纪50年代开始实施风力发电，最初是用于农村和牧区的家庭自用小风力发电机，之后在新疆、内蒙古、吉林、辽宁等省建立了一些容量在10kW以下的小型风电场，还在西藏、青海等地建立了一些由小型风力发电、光伏发电和柴油机发电共同构成的联合发电系统。这些小型发电系统往往远离大电力系统而以分散的独立小电力系统的形式运行，因此可归入分布式发电的范畴。在国外，也有在城市郊区建设少量（几台）大单机容量（1MW以上）的风力发电机组，并接入低压配电网。这些风力发电也可归入分布式发电的范畴。

风能是一种干净的、储量丰富和可再生的能源。风能发电的主要形式有两种：一是独立运行，二是风力并网发电。小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100W～5kW，通常不超过10kW。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2～3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连接齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。

以调节方式作为标准进行划分，大型风电机组可以分为3类：定桨失速、变桨变速、主动失速。定桨距失速型风电机组的基本原理是：若风速超过额定风速，此时叶片表面会出现漩涡，从而导致叶片升力下降，通过这种方式来对风轮旋转速度进行调节，并最终限制发电机输出功率。此种类型的风电机组的基本特征是，叶片固定在轮载上，难以实施变桨调节，仅可以借助空气动力来改变桨叶的升阻比，以此来确定风机的安全运转，而发电机的实际输出主要借助叶片失速特点来控制。主动失速型定桨距机组是从定桨距失速型机组向变桨距控制机组发展中的中间产物。定桨失速型风电机在对叶片进行失速调节过程中，主要依据的是风速的变化，和翼型设计的关联性非常强，只要风速达到额定风速，那么无论风机输出功率如何，叶片都会产生失速现象，因此，在风机失速的时候，风机输出功率的取值并不固定。鉴于此，主动失速型风电机组被人们发明出来，该风电机组的基本特征是：基本设计和定桨失速型风电机组类似，但在控制系统与叶片结构当中，设计了主动失速桨距角调节功能。变桨变速型风电机组该风电机组的基本特点是：风机叶片借助轮毂和回转支承来装配，通过变桨控制系统的调节，叶片能够进行绕轴转动，在对叶片桨距角进行调节以后，风机的功率也会发生相应的调整。

1.2.3 生物质发电技术

生物质（Biomass）能源由于其数量巨大，环境污染小，并具有可再生性，成为目前比较好的选择之一。生物质能发电是生物质能利用的主要方式之一，它主要利用农业、林业和工业废弃物、甚至城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化等方式发电。生物质（Biomass）发电系统是以生物质为能源的发电工程总称，包括沼气发电、薪柴发电、农作物秸秆发电、工业有机废料和垃圾焚烧发电等。这类发电的规模和特点受生物质资源的制约。可用于转化为能源的主要生物质资源包括薪柴、农作物秸秆、人畜粪便、酿造废料、生活和工业的有机废水及有机垃圾等。生物质发电系统装置主要包括以下几部分。

1）能源转换装置。不同生物质发电工程的能源转换装置是不同的，如垃圾焚烧电站的转换装置为焚烧炉，沼气发电站的转换装置为沼气池或发酵罐。

2）原动机。如垃圾焚烧电站用汽轮机，沼气电站用内燃机等。

3）发电机。

4）其他附属设备。

生物质发电的工艺流程如图1-2所示。

生物质发电的优点包括：①生物质是可再生的，因此其能源资源不会枯竭；②粪便、垃圾、有机废弃物对环境是有污染的，大量的农作物秸秆在农田里燃烧会造成大气污染和一定的温室效应，如用于发电则可化害为利，变废为保；③由于生物质资源比较分散，不易收集，能源密度低，因此所用发电设备的装机容量一般也较小，比较适合作为小规模的分布式发电，体现了发展循环经济和能源综合利用的方针，是能源利用的极好形式，同时也解决了部分电力需求。

针对当前我国生物质能发电转换规模小、资源利用率低的现状，相关部门可以采取以下措施：①加大可再生资源开发的宣传力度。通过文字、图片、影视、现场试验、实地参观等感性的方式向广大的群众宣传，提高他们对可再生资源的认识，理解生物质发电对国家、社会和个人的作用。②政府支持，法律保障。我国的生物质能发电尚处于发展初期，还有许多的困难需要克服，其益于环境的外部经济性往往无法通过市场调节来实现。此外，建议通过立法，强制电力公司建设供应或购买（上网）再生能源电力，以吸引民间资本，提高生物质能发电投资商的信心。③加快对国外先进技术、装置的吸收转化，提高技术水平。在引进国外技术设备的同时，应积极进行消化吸收和技术改进，以适应我国国情。同时，应积极加大我国在生物质方面的研究力度，在政策上和资金上大力支持。④示范试点，逐步推广。逐步加强示范推广工作，确定并扶持一批可再生能源开发利用的示范点或示范区，在获取足够多的经验后，再逐步推广。

1.2.4 燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术

燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术是以天然气、煤气层或沼气等为常用燃料，以燃气轮机（Gas Turbine或Combustion Turbine）、内燃机（Gas Engine或Internal Combustion Reciprocating Engines）和微燃机（Micro-turbine）等为发电动力的发电系统。

1．燃气轮机

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的工作过程是，压气机（即压缩机）连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

燃气轮机有轻型燃气轮机和重型燃气轮机两种类型。轻型燃气轮机为航空发动机的转型，有装机快、体积小、启动快、快速反应性能好、简单循环效率高，适合在电网中调峰、调节或应急备用。重型燃气轮机为工业型燃机，优点是运行可靠、排烟温度高、联合循环效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。

燃气轮机技术十分成熟，其性能也在逐步改进、完善。一般大容量的燃气轮机（如30MW以上）的效率较高，即使无回热利用，效率也可达40%。特别是燃气-蒸汽联合循环发电技术更为完善，目前已有燃气、蒸汽集于一体的单轴机组，装置净效率可提高到58%～60%。这种联合循环式燃气余热的蒸汽轮机具有凝汽器、真空泵、冷却水系统等，使结构趋于复杂，因此容量小于10MW的燃气轮机往往不采用燃气-蒸汽联合循环的发电方式。燃气轮机发电的优点是：每兆瓦的输出成本较低，效率高，单机容量大，安装迅速（只需几个月时间），排放污染小，启动快，运行成本低，寿命较长。目前，以天然气为燃料的燃气轮机应用极其广泛。

2．内燃机

内燃机是通过在热功转换空间内部的燃烧过程将燃料中的化学能转变为热能，并通过一定的机构使之再转化为机械功的一种热力发动机。

内燃机的工作原理是将燃料与压缩空气混合，点火燃烧，使其推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。由于较低的初期投资，柴油发电机在容量低于5MW的发电系统中占据了主导地位。然而随着对排放的要求越来越高，天然气内燃机的市场占有量不断提升，其性能也在逐步提高。在效率方面，相同转速条件下，柴油发电机有较高的压缩比，因而具有更高的发电效率。天然气内燃机发电机组瞬时负荷的反应能力较差，但却能较好地对恒定负荷供电。柴油发电机由于其较高的功率密度，在同样的输出功率下，比天然气内燃机发电机体积更小；对于相同的输出功率，柴油发电机比天然气内燃机发电机更经济。然而，由于按产生相同热量比较，天然气较柴油更便宜，因此对于恒定大负荷系统，包括初期投资和运行费用在内，使用天然气发电机可能会更经济。尽管天然气内燃机发电机的效率没有柴油机发电机高，但在热电联供系统中却有更高的效率，各种燃料类型的内燃机发电效率在34%～41%、热效率在40%～50%，因此总效率可以达到90%，而柴油发电机只有85%。

在分布式发电系统中，内燃机发电技术是较为成熟的一种。它的优点包括初期投资较低，效率较高，适合间歇性操作，且对于热电联供系统有较高的排气温度等。另外，内燃机的后期维护费用也相对低廉。往复式发电技术在低于5MW的分布式发电系统中很有发展前景，其在分布式发电系统中的安装成本大约是集中式发电的一半。除了较低的初期成本和较低的生命周期运营费用外，内燃机发电技术还具有更高的运行适应性。目前，内燃机发电技术广泛应用在燃气、电力、供水、制造、医院、教育以及通信等行业。

3．微燃机

微燃机是指发电功率在几百千瓦以内（通常为100～200kW），以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的小功率燃气轮机。微燃机由径流式叶轮机械、单筒形燃烧室和回热器构成，可分为单轴型和分轴型两种。微燃机与燃气轮机的区别主要为：

1）微燃机输出功率较小，其轴净输出功率一般低于200kW。

2）微燃机使用单级压气机和单级径流涡轮。

3）微燃机的压比是3:1～4:1，而不是燃气轮机的13:1～15:1。

4）微燃机转子与发电机转子同轴，且尺寸较小。

微燃机发电系统由燃烧系统、涡轮发电系统和电力电子控制系统组成。助燃用的洁净空气通过高压空气压缩机加压同时加热到高温高压，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧。燃烧后的高温高压气体到涡轮机中膨胀做功，驱动发电机。发电机随转轴以很高的速度（50000～100000r/min）旋转，从而产生高频交流电，再利用电力电子装置，将高频交流电通过整流装置转换为直流电，再经逆变器将直流电转换为工频交流电。

微燃机技术涉及高转速的涡轮转子、高效紧凑的回热器、无液体润滑油的空气润滑轴承、微型无绕线的磁性材料发电机转子、低污染燃烧技术、高温高强度材料及可变频交直流转换的发电控制技术等。

微燃机可长时间工作，且仅需要很少的维护量，可满足用户基本负荷的需求，也可作为备用调峰以及用于废热发电装置。另外，微燃机体积小、重量轻、结构简单、安装方便、发电效率高、燃料适应性强、燃料消耗率低、噪声低、振动小、环保性好、使用灵活、启动快、运行维护简单。基于这些优势，微燃机正得到越来越多的应用，特别适合用于微电网。

4．热电联产与冷热电三联产

热电联产（Combined Heat and Power, CHP）是指热能与电能的联合生产。CHP系统已在能源密集工业（如造纸、纸浆和石油等）应用了一百多年，满足了他们对于蒸汽和电力的需求。生产电能的动力装置的排热与余热用于工业生产供热与冬季采暖，使不同品质的能量得到阶梯利用。燃煤热电联产的能源利用率达到70%以上，而即便当今世界上最高效率的燃煤发电产厂，也只有50%的效率。为进一步提高能源利用效率，在热电联产的基础上，发展起来了通过锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电的冷热电三联产技术，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽，生产冷水用于空调或工艺冷却，便于减少冷凝损失、降低煤耗、提高能源利用率。

1.2.5 燃料电池发电技术

燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学装置，它直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。燃料电池按照电解质的不同，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池的分类及特性参见表1-1。

燃料电池在技术上尚未完全过关，电池寿命有限，材料价格也较贵。尽管国外已有各种类型和容量的商品化燃料电池可供选择，但目前在国内基本上处于实验室阶段，尚无大规模的国产商业化产品可用。

燃料电池发电技术在电动汽车等领域有所应用，其工艺流程如图1-3所示。

燃料电池作为一种高效、清洁的新能源技术，以其无与伦比的优越性已经受到世界各国政府和科研机构的高度重视，是当今科技界最前沿的研究热点之一。燃料电池涉及电化学以及电催化、热力学、膜科学与工程、微尺度传热与传质学、多相流体力学、自动控制等诸多学科，是典型的学科交叉技术。

1.2.6 分布式储能技术

当分布式发电以独立或孤岛方式运行时，储能系统是必不可少的，因此电能储存技术和设备正越来越多地受到人们的关注。储能技术可以把分布式能源进行聚集式储存，即便能源生产是离散的，能源的使用依然是集中式和高密度的。机械能、热能、化学能、电能、核能等主要类型的能量，都能储存在一些普通种类的能量形式中，但储能技术能够应用于从煤炭到风能任何形式的能源供应，也能够设置于从交通到供暖的任何用途当中。储能技术包含本体技术与应用技术，本体技术是储能技术的基础。储能本体形式按照能量储存形式，可以分为机械储能、电磁储能、化学储能和相变储能。机械储能至今未实现大规模商业化应用。其中，压缩空气储能相对比较成熟，飞轮储能尚处于研发阶段。截至目前，其他机械储能装机量为1.57GW，但与快速增长的储热和电化学储能相比，增长较为缓慢。机械储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能。化学储能目前来看主要有电化学储能、氢储能等；电化学储能又包括锂离子电池、液流电池、铅酸电池、钠硫电池等典型的二次电池体系，以及新兴的二次电池体系（钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池等）。分布式储能有多种方式或载体，例如电池、飞轮、抽水、超级电容以及压缩空气等，而电池储能方式在千瓦级至兆瓦级储能具有其他储能方式不可比拟的优势。锂离子电池储能作为电池储能最具前景的方式之一，小容量单体成组或成网在储能系统的安全性，可靠性和可管性方面有着大容量单体不可比拟的优势，这一点已被众多实际应用证实，例如特斯拉Model S电动力汽车采用了8127节18650（即直径为18mm、高为65mm的圆柱形电池）小容量单体电池。

不同工况提出的储能技术需求不同，应结合储能本体的技术特点进行储能选型。按照放电时间尺度划分，储能技术可分为功率型储能和能量型储能。功率型储能适用于短时间内对功率需求较高的场合，如微电网离网运行时暂态支撑；能量型储能适用于对能量需求较高的场合，如抑制分布式电源的功率波动、提升分布式能源汇聚效应等。

由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件组成的电网接入装置成为储能系统的两大部分。储能装置主要实现能量的储存、释放或快速功率交换。电网接入装置实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换，实现电力调峰、能源优化、提高供电可靠性和电力系统稳定性等功能。储能系统的容量范围比较宽，从几十千瓦到几百兆瓦；放电时间跨度大，从毫秒级到小时级；应用范围广，贯穿整个发电、输电、配电、用电系统；大规模电力储能技术的研究和应用才刚起步，是一个全新的课题，也是国内外研究的热点领域。