基于多能互補的綜合能源利用技術(shù)概述

引言

隨著(zhù)我國社會(huì )的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，各行各業(yè)對能源的需求越來(lái)越大，對能源供應的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。而傳統化石能源大規模使用帶來(lái)的環(huán)境污染和全球氣候變暖的壓力也日益加大，且隨著(zhù)全球能源需求的不斷增長(cháng)，化石能源還將面臨短缺和枯竭的問(wèn)題。為了滿(mǎn)足能源可持續發(fā)展的目標，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用已逐漸成為當前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。

可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能和生物質(zhì)能等，一方面具有綠色環(huán)保、取之不盡的優(yōu)點(diǎn)，另一方面也存在著(zhù)波動(dòng)較大、隨機性強的弊端。在近期技術(shù)水平條件下，單一采用某一種可再生能源供能會(huì )在發(fā)電并網(wǎng)和滿(mǎn)足用戶(hù)負荷需求等方面遇到諸多挑戰。而采用多能互補的方式，可以根據供應側的資源條件和需求側的用能特性，采取多種能源相互補充的方式，因地制宜、綜合利用，使各種能源種類(lèi)間形成良性互動(dòng)，取長(cháng)補短，彌補單一能源供應方式的不足，促進(jìn)能源的清潔高效、安全可靠生產(chǎn)和供應。

多能互補包含兩層含義，即不同種類(lèi)能源的互補利用（如化石能源和可再生能源互補），或一種類(lèi)能源的不同形式的互補利用（如化石能源的煤和天然氣互補，可再生能源的風(fēng)能和太陽(yáng)能互補等）。另外，還可以根據互補效果，分為時(shí)間互補、熱互補和熱化學(xué)互補三類(lèi)。多能互補是分布式能源發(fā)展的重要方式，本文基于互補效果分類(lèi)，對目前正在應用和研究發(fā)展的多能互補技術(shù)進(jìn)行綜述，以期對分布式能源的發(fā)展提供參考意見(jiàn)。

多能源互補利用技術(shù)

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時(shí)間互補

（1）風(fēng)光互補

可再生能源一般都具有周期性變化的特點(diǎn)，如對于我國的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源，冬季風(fēng)大、太陽(yáng)輻照強度小，夏季風(fēng)小、太陽(yáng)能輻照強度大，二者在時(shí)間上存在著(zhù)天然的互補性。將風(fēng)能與太陽(yáng)能光伏進(jìn)行互補，不僅可以提高電能輸出的安全可靠性，降低對電網(wǎng)系統的不利影響，還可以共用輸電設備，提高電網(wǎng)通道容量的使用率，降低通道建設成本。風(fēng)光互補發(fā)電系統主要由風(fēng)力發(fā)電機組、太陽(yáng)能光伏板陣列、控制器、蓄電池、逆變器等部分組成。根據當地資源條件，合理配置光伏電池組和風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電量配比，是進(jìn)一步優(yōu)化電能輸出質(zhì)量的關(guān)鍵。對于終端型的供能系統，尤其是農村或偏遠山村，風(fēng)資源和太陽(yáng)能資源都較好時(shí)，風(fēng)能與太陽(yáng)能互補運行也是解決該地區供電問(wèn)題的有效途徑。目前，風(fēng)光互補發(fā)電系統在微小型發(fā)電設備上已有廣泛應用，如給通信基站、路燈、LED顯示屏等設備供電。

（2）風(fēng)光水互補

風(fēng)光水互補充分利用常規水電日調節以上的調節能力，把風(fēng)電或光伏發(fā)電或二者一起產(chǎn)能轉化為水庫蓄水的勢能，并在時(shí)間上進(jìn)行重新分配。風(fēng)光水互補發(fā)電系統不需要配備蓄電池，就可以實(shí)現穩定地發(fā)電供電。風(fēng)能和太陽(yáng)能除了能與水電站進(jìn)行互補運行外，還能以風(fēng)光互補抽水蓄能電站的形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。其主體設備有風(fēng)力發(fā)電機、光伏電池、逆變器、抽水機、蓄水池（上調節池）、補充水源（下調節池）、水輪發(fā)電機組等。風(fēng)光互補抽水蓄能電站憑借其高效率的儲能和快速反應能力，可以有效解決風(fēng)能和太陽(yáng)能能量密度低、出力不穩定的問(wèn)題，同時(shí)對水資源的要求也不至于過(guò)高。在大型風(fēng)電或光伏基地配套建設一定規模的抽水蓄能電站，既可以提高太陽(yáng)能、風(fēng)能的利用率，同時(shí)又減小送電規模，節省輸變電工程投資。對于風(fēng)電而言，經(jīng)計算分析，按風(fēng)電輸送規模配置30%左右的抽水蓄能電站是經(jīng)濟合理的。

（3）風(fēng)能-天然氣互補

可再生能源隨時(shí)間的波動(dòng)除了采用不同可再生能源之間的互補運行來(lái)減弱以外，還可以通過(guò)與化石燃料進(jìn)行互補利用的方式來(lái)進(jìn)行調節。與風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源相適應的化石燃料互補發(fā)電設備要求具備較低的發(fā)電成本、適當的單機容量和較高的部分負荷效率。在現有技術(shù)條件下，比較可行的常規發(fā)電設備是以天然氣為燃料的燃料輪機和內燃機，組成的系統可以稱(chēng)之為風(fēng)能（或光伏）-天然氣互補供能系統。對于這類(lèi)互補供能系統（以風(fēng)能-天然氣為例），首先要研究當地的風(fēng)能資源以確定風(fēng)場(chǎng)裝機和互補發(fā)電設備容量的合理比例和優(yōu)化。另外，還要考慮如何提高互補系統的運行經(jīng)濟性，主要的關(guān)鍵技術(shù)包括風(fēng)電場(chǎng)短期風(fēng)速預估和非線(xiàn)性隨機優(yōu)化調度等。

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熱互補

（1）太陽(yáng)能-地熱能互補

雖然太陽(yáng)能到達地球表面的輻射總量很大，但是能流密度較低，為了滿(mǎn)足一定規模的發(fā)電量，集熱系統占地面積大，成本高；且受太陽(yáng)輻照強度變化的影響，系統發(fā)電不穩定。地熱能的單獨持續開(kāi)發(fā)也會(huì )造成地熱資源品質(zhì)過(guò)快降低，導致熱效率不斷下降。將太陽(yáng)能和地熱能進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，就能有效改善電站熱力性能，提高發(fā)電效率，降低太陽(yáng)能發(fā)電成本。且在我國干熱巖地熱資源較好的西部地區，太陽(yáng)輻照強度大，具備較好的互補條件。太陽(yáng)能-地熱能互補發(fā)電的方式主要分為兩種，第一種是在已有的地熱發(fā)電系統中，增加太陽(yáng)能集熱裝置，用于提高蒸汽產(chǎn)量或蒸汽溫度，增加系統的發(fā)電量；或者在發(fā)電量不變的條件下，降低地熱水的質(zhì)量流量，從而延長(cháng)地熱儲層的使用壽命。第二種是以太陽(yáng)能發(fā)電系統為主，地熱水通過(guò)換熱器預熱進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器的循環(huán)工質(zhì)。根據太陽(yáng)能和地熱資源的不同，基于“溫度對口，梯級利用”的原則靈活選擇不同的互補集成方式。

（2）太陽(yáng)能-生物質(zhì)能熱互補

與太陽(yáng)能或風(fēng)能等其他種類(lèi)可再生能源相比，生物質(zhì)能是一種少有的以實(shí)物形態(tài)存在的可再生能源，具有易于貯存和運輸的特點(diǎn)。發(fā)展至今，生物質(zhì)熱發(fā)電技術(shù)在我國已是一項十分成熟的技術(shù)。太陽(yáng)能獨立熱發(fā)電技術(shù)在當前技術(shù)條件下，存在著(zhù)投資成本較高，年均發(fā)電效率較低的問(wèn)題。將生物質(zhì)能與太陽(yáng)能進(jìn)行互補并用于發(fā)電，不僅可以有效解決太陽(yáng)能利用不穩定的問(wèn)題，降低開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能熱發(fā)電的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險，還可以節省生物質(zhì)燃料、保障生物質(zhì)資源的供應。整個(gè)互補系統主要由生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐、太陽(yáng)能集熱器和汽輪機發(fā)電機組三部分構成。在太陽(yáng)輻照充足時(shí)，采用生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐和太陽(yáng)能集熱器聯(lián)合運行的模式；在沒(méi)有太陽(yáng)輻照或不足時(shí)，由生物質(zhì)鍋爐單獨提供蒸汽推動(dòng)汽輪機發(fā)電?？梢?jiàn)，太陽(yáng)能和生物質(zhì)能不僅有熱互補的效果，也有時(shí)間上的互補。與生物質(zhì)熱互補的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統有槽式、塔式、槽-塔結合三種方式。

（3）太陽(yáng)能-化石燃料熱互補

將太陽(yáng)能和常規化石能源互補，借助傳統電站的熱功轉換部件，實(shí)現“借雞生蛋”，也能有效降低太陽(yáng)能熱發(fā)電的投資成本。而且，當太陽(yáng)能不足時(shí)，互補系統仍然可以通過(guò)消耗化石燃料，滿(mǎn)足基本符合需求，從而降低大規模利用太陽(yáng)能熱發(fā)電的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險。按照化石燃料種類(lèi)的不同，太陽(yáng)能熱互補發(fā)電系統主要分為太陽(yáng)能與天然氣互補發(fā)電系統、太陽(yáng)能與煤互補發(fā)電系統。國際上研究較多的是太陽(yáng)能與天然氣的熱互補發(fā)電，根據集成的主要熱力循環(huán)的不同可分為天然氣簡(jiǎn)單補燃的太陽(yáng)能蒸汽朗肯循環(huán)、太陽(yáng)能空氣布雷頓循環(huán)和太陽(yáng)能互補的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。由于我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源特點(diǎn)，發(fā)展太陽(yáng)能和煤的互補發(fā)電系統更符合我國國情。光煤互補發(fā)電技術(shù)主要用于蒸汽朗肯循環(huán)中，利用槽式或線(xiàn)性菲涅爾聚光集熱器產(chǎn)生中低溫太陽(yáng)熱能，用來(lái)替代部分抽汽加熱鍋爐給水或直接產(chǎn)生蒸汽，從而減少汽輪機回熱抽氣量，增加電站出功，或者降低煤耗和污染物排放。光煤互補發(fā)電系統可以借助高容量高參數汽輪機提高太陽(yáng)能熱發(fā)電的效率，還能根據實(shí)際需要通過(guò)改變互補的局部結構使系統分別處于增大出功模式和節省燃料模式，且在輻照不足時(shí)可以通過(guò)調節抽汽流量維持系統穩定運行，具有較好的應用前景。

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熱化學(xué)互補

熱化學(xué)互補的特點(diǎn)在于通過(guò)吸熱型熱化學(xué)反應將熱能轉化為化學(xué)能，然后通過(guò)燃燒發(fā)電或多聯(lián)產(chǎn)等方式加以利用。熱化學(xué)互補技術(shù)主要是為了解決單獨太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)間歇性、不穩定、成本高、系統熱效率低等問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)將聚集的太陽(yáng)能轉化為燃料的化學(xué)能，可以實(shí)現太陽(yáng)能的蓄存和高效發(fā)電；同時(shí)產(chǎn)生的太陽(yáng)能燃料還可以實(shí)現遠距離輸送，實(shí)現太陽(yáng)能資源的地區性轉移。

（1）太陽(yáng)能熱分解水

太陽(yáng)能熱分解水主要分為直接熱分解水和熱化學(xué)循環(huán)分解水兩種形式。直接熱分解需要低壓高溫的環(huán)境才能提高水的分解率，在溫度和壓力分別為2225℃、0.05巴時(shí)，大約有25%的水發(fā)生分解。該技術(shù)雖然原理簡(jiǎn)單，但由于受到耐高溫材料和產(chǎn)物分離等問(wèn)題的限制，目前距離實(shí)際應用還有很多難題需要突破。熱化學(xué)循環(huán)分解水將水的分解過(guò)程分為多步進(jìn)行，將反應溫度降至600~950℃，提高了技術(shù)的可行性，且能夠實(shí)現產(chǎn)物的自然分離。目前存在的問(wèn)題包括集熱溫度高、制氫效率較低、反應器加工難度大等，因此也還是以實(shí)驗研究為主。

（2）太陽(yáng)能與天然氣熱化學(xué)互補

太陽(yáng)能與天然氣的互補利用一般通過(guò)天然氣重整和裂解熱化學(xué)反應進(jìn)行。天然氣的熱化學(xué)重整主要是甲烷與水蒸汽或CO2之間的催化反應，產(chǎn)物為合成氣（即CO和H2的混合物），反應溫度為850~1200℃，需要采用塔式太陽(yáng)能集熱器提供反應熱。聚光太陽(yáng)能驅動(dòng)的甲烷重整反應的反應溫度相比于甲烷裂解反應低200℃左右，且反應器的規模也更大。甲烷重整反應產(chǎn)生的合成氣存儲著(zhù)太陽(yáng)能，可借助燃氣輪機或燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)燃燒發(fā)電，有效降低CO2排放；另外，產(chǎn)生的合成氣還可以轉換為其他類(lèi)型的液體燃料或化工原料，如甲醇和二甲醚等。

（3）太陽(yáng)能與生物質(zhì)能熱化學(xué)互補

太陽(yáng)能聚光集熱為生物質(zhì)的氣化過(guò)程提供反應熱，從而實(shí)現二者的互補利用。根據生物質(zhì)氣化反應溫度和規?；a(chǎn)的要求，需要采用塔式太陽(yáng)能集熱鏡場(chǎng)聚焦產(chǎn)生800~1200℃的高溫熱來(lái)驅動(dòng)氣化反應，根據“化學(xué)能與物理能的綜合梯級利用”原理，產(chǎn)生的合成氣先用于生產(chǎn)甲醇等化工原料，未反應氣作為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的燃料用于發(fā)電，從而實(shí)現化工-動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)。目前，太陽(yáng)能與生物質(zhì)能熱化學(xué)互補的難點(diǎn)在于吸收/反應器中太陽(yáng)能集熱過(guò)程和生物質(zhì)氣化過(guò)程的耦合，包括直接輻射加熱和間接輻射加熱兩種方式。

（4）太陽(yáng)能與替代燃料熱化學(xué)互補

前面所述的三種太陽(yáng)能熱化學(xué)互補技術(shù)均要求較高的太陽(yáng)能集熱溫度，需要采用塔式、碟式等成本較高的太陽(yáng)能集熱方式。國內有研究學(xué)者開(kāi)展了中低溫太陽(yáng)能熱化學(xué)的研究工作，利用技術(shù)成熟、成本較低的槽式聚光集熱器聚集大約300℃的太陽(yáng)能熱，驅動(dòng)甲醇或二甲醚等替代燃料的重整和裂解反應。甲醇燃料在太陽(yáng)能中低溫熱的驅動(dòng)下，在一體化吸收/反應器中催化裂解為CO和H2組成的合成氣，合成氣作為燃料進(jìn)入燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。有研究表明，集熱溫度為220~250℃的中低溫太陽(yáng)能與甲醇互補的熱化學(xué)發(fā)電系統中，太陽(yáng)能熱發(fā)電效率可以達到35%，太陽(yáng)能份額占到了18%。

結語(yǔ)

多能互補因地制宜，根據不同可再生能源和化石能源的特點(diǎn)，對多種能源進(jìn)行綜合利用、形成互補，從而提高能源供應的品質(zhì)和效率，達到節能減排和綠色低碳的效果。時(shí)間互補根據能源間不同的波動(dòng)特性和調節能力，將能源供應從時(shí)間角度進(jìn)行互補利用和重新分配；熱互補主要是通過(guò)將不同熱能根據“溫度對口，梯級利用”的原則注入到熱力循環(huán)中的適當位置，達到提高能源轉換效率或時(shí)間互補的效果；熱化學(xué)互補則是選取合適的吸熱化學(xué)反應，將熱能轉換為燃料的化學(xué)能，從而提高能源轉換效率，還可實(shí)現太陽(yáng)能等可再生能源的蓄存和轉運。

目前能夠應用在實(shí)際工程中的技術(shù)主要還是采用時(shí)間互補和熱互補的方式。熱化學(xué)互補由于涉及到集/吸熱與熱化學(xué)反應耦合的復雜過(guò)程，以及耐高溫材料等方面的問(wèn)題，現階段仍然以理論分析和實(shí)驗研究為主。多種能源時(shí)間互補的關(guān)鍵技術(shù)主要有容量?jì)?yōu)化匹配、機組變工況特性、可再生能源短期預測以及優(yōu)化調度與控制。熱互補與熱化學(xué)互補主要涉及基于“能的綜合梯級利用”和品位耦合的系統集成，熱傳遞和熱控技術(shù)等。

發(fā)展和應用多能互補綜合能源系統有利用促進(jìn)可再生能源消納，優(yōu)化能源結構和提高能源系統綜合效率。明確多能互補技術(shù)實(shí)現方式和特點(diǎn)，因地制宜，按需定制，協(xié)同發(fā)展，綜合利用，對建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系具有重要的現實(shí)意義和深遠的戰略意義。

作者：陳宜

來(lái)源：本文刊登在中國城市燃氣協(xié)會(huì )分布式能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì )主辦的刊物《分布式能源》總第19期，轉載請注明出處。