分布式能源与可再生能源的应用与发展

分布式能源指的是开发规模较小、接入区域用能系统、就地利用为主的能源开发形式，如分布式光伏、太阳能热水及热泵、分布式风电、中小型燃气轮机、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）机组、垃圾焚烧热电联产、天然气热电联产、地水源热泵系统等。传统的余热余压余气发电及就地利用，也是能源的分布式利用。各种分布式能源技术的特点差异较大，按照能源开发对象的不同，形成了自成链条的分布式能源产业。

1）燃气（天然气、沼气）与热电联产

燃气分布式利用的主要形式是天然气、沼气和煤层气、合成气、页岩气等非常规气的发电和热利用。燃气分布式产业是围绕燃气生产、收集、处理、发电、余热利用、冷热电联供系统、三废处理等环节，开展的技术研发、设备制造、项目实施、运维服务、能量服务等活动形成的经济部门。

我国生物质分布广泛、储量很大，这是大力发展沼气的有利条件。沼气来源广泛，主要有城市生活垃圾的填埋气、生物质垃圾及污水处理生产的沼气、农林废弃物产生的沼气、养殖场畜禽粪便产生的沼气。沼气收集简单，燃烧发电的关键是脱水和净化处理。沼气通过脱去二氧化碳和水分、提高热值后，还可以并入天然气管网。

燃气冷热电三联供或热电联供系统主要应用于市区、居民集中区、经济园区和大型建筑等，未来在天然气机组中将占据越来越重的比重。目前适用于分布式燃气机组的主要是燃气轮机，随着SOFC发电系统不断成熟，SOFC分布式系统也将占据一定的比例。燃气轮机可用燃料范围较大，可以使用重油、轻柴油、天然气以及高热值的生物质气，目前技术成熟、设备稳定，发电效率为28%～42%，热电联供的效率可达到70%～80%。由于整个转子十分轻巧，在起动机帮助下从冷态起动至带满负荷只需1～2 min，燃气轮机通过快速起动方式，起动时间还可缩短一半。SOFC作为第三代燃料电池技术，对天然气纯度、进气压力等要求不高，可直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。SOFC发电系统的特点是机组配置灵活（单机2～50 kW）、发电效率较高、出力调节容易、全固态模块无机械转动部件，发电效率超过50%、热电联供效率可达90%、测试寿命在10年以上，目前国内外有较大的技术突破，处于商业化示范运行阶段。

余热利用部分常由余热锅炉或余热直燃机组成，烟气可进入余热吸收式冷（温）水机制冷、供热，冷却水可进入换热器供热水。常见的制冷是溴化锂吸收式制冷，可利用低品位的热量，还可以匹配耦合多种能源。余热制冷系统还可进一步配置冰蓄冷系统，形成更强劲的供冷和调峰能力。燃气完全燃烧后只产生二氧化碳和水，是完全清洁的过程。利用微藻等通过光合作用固定燃烧产生的二氧化碳并生成油脂，这些油脂提炼加工后就是微藻生物柴油。这是固定碳元素、遏制碳排放的理想途径之一，可实现燃气的零排放。

作为装备制造业最高端、最前沿的代表，燃气轮机是中国制造亟待突破和提升的主攻方向。通用电气、三菱、西门子等国外公司的产品大约占据我国燃气轮机市场份额的80%，我国自主研制燃气轮机只占约20%的份额，主要生产商为东方汽轮机有限公司、上海汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司。此外，国内株洲南方燃气轮机成套制造安装有限公司以及上海航天能源股份有限公司等通过与国外公司合作，提供燃气轮机成套设备安装及相关技术服务。目前，我国的燃气轮机在制造方面已经掌握了先进的工艺技术，可以制造涡轮叶片和涡轮盘等核心零部件，掌握了先进的控制技术，确保燃气轮机的安全。随着高温材料的研发、涡轮冷却技术的提高、压气机和各部件效率的提高，燃气轮机的简单循环热效率提高了36%～40%，甚至超过50%（燃氢透平）。

SOFC天然气发电及热电联供系统已在国外得到商业化应用，我国一些企业是重要的原部件供应商，目前也在加紧开展整机系统的研发和运行。当前SOFC成熟技术集中在美国、日本和欧洲，这些国家和地区针对该领域持续投入了巨额资金，培育了如Bloom Energy、三菱重工等众多优秀企业，分别在大型商业建筑和居民建筑中对该技术进行了规模化应用。欧洲一些国家联合成立了SOSLeM组织，旨在降低燃料电池堆的制造成本，通过合作研发和统一标准，减少生产时间和成本并提高其灵活性，引入多堆生产站，目标为到2019年降低70%的制造成本。宁波索福人能源技术有限公司是从中国科学院宁波材料所改制成立的SOFC专业化研发生产公司，拥有原料、部件及整机研发能力，目前正在大力开展200 k W系统的研发。2016年，中国国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》和《中国制造2025——能源装备实施方案》，首次将SOFC整机研发和项目建设纳入了国家级重点发展方向，这将刺激更多企业参与该领域。

以冷热电联供为主的天然气分布式能源将是我国当前分布式能源发展的重点。根据《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，当装机规模达到1 000万kW，基本解决中小型、微型燃气轮机等核心装备自主制造，装备自主化率达到90%。到2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机规模达到5 000万k W，初步实现分布式能源装备产业化。2014年底，中国已建成和建设中天然气分布式能源项目达到104个，主要分布在上海、北京、广州等大中型城市，总计装机容量达380万kW。

随着气价的不断下降以及LNG接收站、燃气管网等基础设施不断完善，天然气分布式将迎来高峰，“十三五”时期天然气在中国能源革命中将占据更为重要的地位。燃气分布式产业的核心发展点是与区域微电网结合的燃气热电联产系统、建筑热电联产系统、燃气轮机机组制造、SOFC部件与整机系统制造、三联供项目运行。

2）垃圾焚烧发电

垃圾焚烧发电是生物质燃烧发电的一种，是城区热电综合供能系统的重要组成，相比农林生物质燃烧发电，具有良好的稳定性、经济性和环保收益。垃圾焚烧产业是围绕生活垃圾的收集分类、预处理、焚烧发电、余热利用、污染物处理、废弃物利用、热电联供系统等环节，开展的技术研发、设备制造、项目实施、运维管理、能量服务等活动形成的经济部门。

垃圾焚烧的方式有直燃、热解、气化等三种，其核心设备分别是焚烧炉、热解炉、气化熔融炉。烟气及污染物在线监测、烟尘燃烧控制和尾气净化、二英燃烧控制和净化、余热锅炉等，也是垃圾焚烧的重要设施。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，我国垃圾焚烧的技术和装备已基本完成了国产化和大型化的发展过程，在流化床焚烧炉、烟气处理系统等方面达到世界先进水平。我国首创的反火气化技术，在减少二英排放方面有显著优势。

我国城市人口众多，生活垃圾处理量很大。由于惧怕焚烧带来的排放污染，公众反对是我国当前城市垃圾焚烧厂建设缓慢的直接阻力之一。实际上，日本、欧洲等国家和地区的垃圾焚烧厂建在市区、居民区的比比皆是。建在居民区的垃圾焚烧厂由于稳定、全时段的热电冷需要，其综合能效和经济性更高，且清洁、安全、高效。

我国垃圾焚烧发电发展缓慢有深刻的制度原因，应该出台针对垃圾处理的法律规划，公开焚烧发电厂的建设过程，形成市场竞标机制，健全价格和补贴机制，明确运维监管责任。首先，我国的垃圾分类工作没有强力开展，分拣、脱水等程序繁重；其次，很多地方的垃圾焚烧厂建设是专属运营，没有形成市场竞争约束机制；再次，垃圾焚烧厂的建设补贴和运营监管不透明。这些原因在不同层面造成了恶劣的污染排放。另外，投资回收期较长、运营费用不足，也造成一些已建垃圾处理厂处于闲置状态。

3）光伏

分布式光伏是目前分布式新能源发电的最主要形式。分布式光伏产业包括光伏材料、电池、组件等的研发制造，汇流箱、逆变器等电力电子设备的研发制造，电站监测管控系统的研发生产，以及相应的项目施工、节能服务、中介服务等。

电池板作为光伏发电的重要组件，直接影响到光伏产业的经济效益。单晶硅电池和多晶硅电池在光伏面板领域占主导地位，薄膜太阳能电池市场如今正在悄然崛起。硒、蹄、非晶硅薄膜、有机材料等纷纷进入电池研究的视野。薄膜太阳能电池可以应用在居民屋顶、薄膜太阳能建筑一体化、农用大棚、车船顶篷等领域，还可以打造移动充电产品。第三代太阳能电池主要有叠层太阳能电池、多带隙太阳能电池和热载流子太阳能电池等，这些新型电池还处于概念和简单的试验研究阶段。随着量子点材料在发光材料中的成功，量子点材料光伏电池的研发也将取得一定成果，它代表着太阳能电池的未来发展方向。

组件及电站智能化是分布式光伏的发展趋势。智能光伏组件集成最大功率点追踪（maximum power point tracking，MPPT）技术，核心器件为智能半导体芯片和分体无二极管接线引出端子。智能光伏组件较传统光伏组件可增加高达20%的发电量，同时降低光伏系统的运营与维护费用。

目前，我国光伏产业正处于稳步发展阶段，其核心发展点是结合建筑工业化的光伏建筑一体化、区域分布式光伏与微电网系统、智能化户用光伏系统。光伏产业在国内甚至国外都有不错的业绩。组件产能过剩、并网接入不力、屋顶资源不佳、项目融资困难等是制约中国分布式光伏产业发展的重要瓶颈。

4）风电(www.xing528.com)

风能的能量密度低，风电建设目前以集中式利用为主。在风能条件良好的岛屿、农村、工业园区、城市郊区、屋顶，可以逐步建设分布式风电、小微风电和城市风电。城市风力发电机和微风发电机已经实现技术突破，可以商业化应用。

目前，我国风电总装机量位居世界第一，比重还将不断增大。根据《中国风能发展路线图2050》，2020年前我国将以陆上风电为主、近海风电为辅，每年风电新增装机容量达1 500万k W左右，到2020年力争风电累计装机达到2亿k W，使风电占电力总装机的11%，风电电量满足5%的电力需求；2020～2030年，陆海并重发展，每年新增装机在2 000万kW左右，全国新增装机中30%左右来自风电，到2030年，风电的累计装机超过4亿kW，在全国发电量中的比例达到8.4%，在电源结构中的比例扩大至15%左右。

分布式风电是发电功率在数十兆瓦范围内的模块化、分散式、布置在用户附近的风力发电模式。风力发电机组的主要零部件有叶片、齿轮箱、发电机、导航系统、电控系统等。分布式风电机组功率小，技术要求更高。分布式风电产业包括风电设备零部件制造、风电整机制造、控制器和逆变器等制造以及风电站建设与管理等。分布式风电产业的核心发展点是小微风机制造、城市风机制造、风光储互补微电网系统。

近几年，全球主要风电设备供应商基本保持稳定。维斯塔斯、通用电气、西门子以及新疆金风科技股份有限公司（简称金风科技）等公司市场份额持续名列世界前十。在国内，金风科技、国电联合动力技术有限公司（简称联合动力）、中国明阳风电集团有限公司、远景能源（江苏）有限公司等企业拥有绝大部分的市场份额。2014年，国产机组中，金风科技的市场份额最大，占全国累计总装机的19%；联合动力第二，占全国累计总装机的11%。

我国风电设备的产业链已经形成，甚至在部分基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势，单机容量呈现持续增大的趋势。近年来，从提高风力发电机组的效率、可靠性和降低大型发电机的制造难度等角度出发，采用液压系统、无刷励磁系统和高压发电机的风力发电机，在风力发电领域越来越受到关注。

5）热泵与建筑一体化

我国热泵技术的研究与开发始于20世纪50年代，热泵技术已经成为目前国内建筑节能及暖通空调界的热门课题，逐渐向市场化、产业化发展。热泵房间空调器性能已接近单冷空调器，我国政府已经制定了房间空调器、冷水机组和单元式空调器的能效等级。在柜式空调市场，格力、美的等大型空调器制造商都已成功开发使用于寒冷地区的热泵空调器，许多推出变流量系统产品的我国和日本公司也是采用热泵机组。

在东北等寒冷地区每年需取暖的时间长达4～6个月，为热泵提供了非常好的机会。对于北京选择热泵系统的建筑，市政府会根据市政规划委员会测量的面积提供一些经济上的补助。对地表水源热泵系统提供35元/m2的补助，对燃气热泵和利用再生水的热泵则提供50元/m2的补助。大连市已经被选定为海水源热泵的试点城市，该城市超过500万m2的建筑将由海水源热泵提供取暖和制冷，国家将为此提供70%的资金。沈阳也已制定了推广燃气热泵的具体规划，青岛市也开始大量推广海水源热泵。浙江、北京、江苏、山东、上海等地方政府也出台了鼓励蓄冷空调系统的政策。

但是，热泵设施推广也受到较大程度的环境影响限制。热泵系统场地观测资料及地下温度场的数值模拟表明，系统运行对地下水流场、温度场、水质及微生物生长均会产生一定的影响。当建筑物所需年内冷热负荷不平衡时，如热负荷大于冷负荷，热泵系统运行起始期应选在夏季；如热负荷小于冷负荷，热泵系统运行起始期则应选在冬季。

6）水力发电

截至目前，中国已按照“流域、梯级、连续、滚动、有序”的开发方针开发西部水电，对中部地区和东部地区水能资源继续实施扩机增容和改造升级。截至2014年底，全球水电装机容量约10亿k W，我国水电装机容量突破3亿k W，占全球的30%。按照《可再生能源发展十二五规划》，预计到2020年，全国水电总装机容量将达到4.2亿kW。

近几年，新型超高水头和超大容量的高性能水电机组研制将成为我国水电设备科研及制造业的主攻方向。百万千瓦混流式水电机组的重点发展方向是水轮机及调速器、发电机及励磁等附属设备的系统集成设计技术、水轮机水力设计和模型试验技术、机组刚强度及动力响应技术等。而6万kW贯流式水轮发电机组应重点发展水轮机转轮模型水力设计及试验技术、机组刚强度及事故停机转速稳定技术以及机组通风冷却技术等。

随着水电行业的不断发展，水电发展机遇带来的规模投资效益也逐渐显现。机械制造业、土建、水泥、钢材、重型施工设备、水轮机、电气设备以及服务业等相关行业将会大幅受益。此外，水电的发展对经济上较为落后但水能资源充沛的西部地区经济发展有利，可以促进当地劳动力就业。

7）海洋能

约占全球面积70%的海洋蕴藏着丰富的可再生能源，海洋能通常包括潮汐能、潮流能、波浪能、海洋温差能、盐差能和海上风能等形式。根据联合国教科文组织出版的《海洋能开发》显示，海洋能总的理论可再生功率为7.66×1010 kW，其中温差能和盐差能能量最大，其次为波浪能。这些能量并不能全部被开发利用。按实际可开发量计，波浪能开发量最大，约为3×108 k W。

（1）潮汐发电在世界范围内应用也较为广泛，一些大型的潮汐能电站陆续建成。我国潮汐发电始于20世纪50年代，目前我国潮汐电站总装机容量已超过10 000 kW。潮汐发电机组则应着力于适合潮汐特点的水轮机转轮的水力研究，提高适合于双向发电的水轮机转轮的水力研究以及机组防污。我国自主研制了单机容量500 kW和700 kW的灯泡贯流式水轮发电机组。

（2）我国潮流发电正处于工程示范阶段，浙江大学60 kW潮流能机组累计发电量超过20 000 kW·h，大连理工大学15 kW机组完成了海试。2014年，由哈尔滨工程大学协同中海油研究总院等多家单位研制，具有中国自主知识产权的世界发电量最大的漂浮式立轴潮流发电站“海能Ⅲ号”，在浙江岱山县龟山水道成功运行，标志着我国潮流发电在关键技术上处于世界领先水平。

（3）波浪能发电技术尚不成熟，装置的能量转换效率普遍较低。我国首先成功研制了气动式航标灯用微型波浪发电装置，在我国南北沿岸海域和大型灯船上广泛应用，弯管型浮标波浪发电装置已出口国外。振荡水柱式（OWC）波浪发电装置是当今世界最普遍的海洋波浪能转换器。波浪能的并网方法、波浪发电自适应装置的研究一直是国内研究的焦点。多元发展和综合利用是波浪发电技术的另一个方向。我国波浪能发电近期主要以岸基式波浪能发电站为目标，但大规模利用要考虑发展漂浮式波浪发电站，首先开发长江口以南沿海地区，鼓励制造水下装备经验丰富的传统企业与科研单位合作，缩短产业化的距离，发挥我国在制造上的优势。根据规划，到2020年我国将在山东、海南和广东各建一座兆瓦级岸式波浪发电站。

（4）海洋温差发电是利用深层海水与表层海水的温度差来汽化工作流体，带动涡轮机发电。越来越多的国家开始关注海洋温差发电和盐差发电，但受能量转化效率低和设备腐蚀等问题的困扰，真正大范围投入运用尚需时日。

我国正在规划建设三个海洋能海上试验场，已立项2.8亿余元支持海洋能海上试验场建设，我国首个国家级浅海海上试验场于2014年11月落地山东威海，该试验场海域的波浪和潮流资源可满足波浪能、潮流能发电装置模型/小比例尺样机试验的需求，同时周边科研、交通、制造加工等基础条件优越，可为后续试验场的建设运行积累经验。位于浙江舟山的潮流能试验场和位于广东万山的波浪能试验场已完成总体设计。