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燃料电池是用一种特定的燃料,通过一种质子交换膜(PEM Proton Exchange Membrane)和催化层(CL Catalyst Layer)而产生电流的一种装置,这种电池只要外界源源不断地供给燃料(例如氢气或甲醇),就可以提供持续电能。它的工作原理,是利用一种叫质子交换膜的技术,使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极将氢气催化分解成为质子,这些质子通过质子交换膜到达阴极,在氢气的分解过程中开释出电子,电子通过负载被引出到阴极,这样就产生了电能。

燃料电池和微型燃气轮机复合系统用天然气或甲烷作燃料,燃气轮机作为能源利用的前置级,其排气用来加热进入燃料电池的空气和燃料。燃料电池是固体氧化物,工作温度700～1000℃。该燃料电池和微型燃气轮机复合供电系统具有下列优点:可以在无电力供应的地区使用;系统可保持自稳定运行;启动方便、快捷;SO2和NO2的排放量很少,是一种很有发展前景的分布式能源系统。由于这种复合系统可以用天然气作为燃料,本文将燃料电池列入天然气分布式能源系统之中,不在另辟一节加以说明。

分布式能源系统的特点

分布式能源系统是集中式供能系统的有力补充。它有以下四个主要特征:

1、作为服务于当地的能量供应中心,它直接面向当地用户的需求,布置在用户的附近,可以简化系统提供用户能量的输送环节,进而减少能量输送过程的能量损失与输送成本,同时增加用户能量供应的安全性。

2、由于它不采用大规模、远距离输出能量的模式,而主要针对局部用户的能量需求,系统的规模将受用户需求的制约,相对目前传统的集中式供能系统而言均为中、小容量。

3、随着经济、技术的发展,特别是可再生能源的积极推广应用,用户的能量需求开始多元化;同时伴随不同能源技术的发展和成熟,可供选择的技术也日益增多。分布式能源系统作为一种开放性的能源系统,开始呈现出多功能的趋势,既包含多种能源输入,又可同时满足用户的多种能量需求。

4、人们的观念在不断转变,对能源系统不断提出新的要求(高效、可靠、经济、环保、可持续性发展等),新型的分布式能源系统通过选用合适的技术,经过系统优化和整合,可以更好地同时满足这些要求,实现多个功能目标。

分布式能源系统的优势在于冷热电联产,所以除了动力设备外,还得有一个系统。例如,最常规的办法是利用广义的内燃机的排气余热通过余热锅炉产生蒸汽供热,同时通过吸收式制冷设备供冷。通常是简单或回热循环燃气轮机的冷热电联产。但要保证联产系统能满足很大范围变工况下的任意冷、热、电输出需求(这是联产系统的关键科技课题之一),上述系统是难以做到的。这时可用程循环(回注蒸汽循环,有时也称STIG循环)加上补燃,就可以使热电联产系统能够在任意热、电数值的匹配要求下,高效安全运行。对冷、热、电联产的情况,为达到广阔范围的冷、热、电输出,上述程循环加补燃,在原则上也是合适的,但可用范围的具体数字尚待研究。

分布式能源的发展前景

由于分布式能源系统的初期投资大,通常需要优质燃料;同时要有比较稳定的冷、热、电用户,主要是第三产业,如数据中心和住宅用户;要求具有环保性能较好的特点等等。所以,它在我国比较适合应用的地区显然是经济比较发达的地区。

从地域分布来说,主要是珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区等。这些地方是我国现在经济高速发展的黄金宝地,也是应该“先环保起来”的地区,而且经济上也确是有可能适宜使用分布式能源系统的地方。另外,分布式能源系统既然是“分布”,也就是说与大电厂、大电网不一样,不是由一小批经验丰富的技术人员集中运行管理,而是分散式运行管理,这就要求使用区域的总体科技文化水平和素养较高。

在我国,分布式能源系统的应用还存在一些不足之处:

1、负荷分析不够全面、准确、细致。对分布式能源系统的设计,负荷分析是非常必要的,如果对建筑的负荷统计或估算不够细致,就会对运行产生相当大的影响。例如,北京次渠项目中,燃机发电量80kW,余热直燃机功率20万kCal,设计电负荷为320kW,供热、供冷面积为2800平方米,但实际电负荷只有不足30kW,微燃机只能处于低出力工况,导致燃机发电效率很低,整个系统的电热比很低,最终导致了一次能源的利用效率降低,失去了分布式能源系统的最初设计意义。所以在今后的分布式能源系统设计工作中,负荷分析工作务必要做到细致、准确。

2、对于过渡季节,分布式能源系统利用不充分。对于分布式能源站,冷热负荷一般是通过利用燃机的余热获得,由于夏季和冬季具有稳定的冷、热负荷,余热需求量较大,动力设备可以保持比较稳定的运行状态,而在春季和秋季,无较大的冷热负荷需求,可能就会使整个系统处于低效运行状态或停运状态,降低了系统的效率和使用率。

3、缺乏权威的评价标准。分布式能源系统是一个多能量产品输出的复杂系统,所以如何对系统进行整体评价成为研究的重点和难点。由于冷热电是不同的产品,很难直接进行定量比较,目前的评价准则主要有火雨效率、节能率、折合发电效率等几种,但这些评价方法本质上都是对冷热电根据不同的标准分别进行评价。根据分布式能源系统的能量梯级利用特点建立系统评价标准对分布式能源系统的研究将具有非常重要的意义。

4、需要进一步加强天然气的价格稳定机制。由于分布式能源系统燃烧的是高品质的清洁能源,其运行成本受燃料价格的影响特别大，尽管一个热力匹配完好的冷热电三联供系统其经济性也并不一定好。所以稳定的价格机制也是影响分布式能源站推广的一个主要因素。

5、分布式能源站的并网、电价问题。目前,国家在财税和金融等方面还未出台相关的扶持政策,如电价补贴、接入系统投资、节能奖励等方面给予优惠政策,而且尚未制定和完善行业技术标准以及并网运行管理体系。如欧盟要求成员国支持分布式能源系统发展,在电网系统和税率上支持分布式能源系统,尽可能为高效小型分布式能源系统机组并网提供方便。欧洲委员会已经批准了强制购买热电联供和可再生能源发电的政策。所以，分布式能源站的大力推广，还需要政府在这方面加大对分布式能源的扶持力度。

原标题：浅析分布式能源系统

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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