PDF《智能微网 *》

路甬祥 全国人大常委会 北京

100805 摘要 分布式可再生能源将能源的生产和消费结合在一起,直接向用户供能,剩余电能通过 智能微网并入电网.

分布式可再生能源系统便于实现冷、热、电等多种能源的互补利用, 满足用户的多种能源需求,提高能源利用效率.未来二三十年,将是我国能源生产消费方 式和能源结构调整变革的关键时期.文章着重讨论了分布式可再生能源和智能微网在能源 结构调整和转变中的意义、作用和发展潜力;

分析其技术发展状况和未来新技术发展的前 景;

探讨分布式可再生能源和智能微网技术与产业未来的发展模式、发展路线图以及对社 会发展的影响;

并结合目前存在的问题分析有利于发展分布式可再生能源的政策与保障措 施,提出若干发展建议. 关键词 分布式,可再生能源,智能微网 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.001 人类社会正在逐步向以可再生能源为主的绿色低碳、可持续能源时代过渡.大力发展 分布式可再生能源是能源革命的重要内容,对于推进我国能源结构转型,保障能源自主安 全具有重要的战略意义.它将促进上万亿新兴产业发展,推动产业结构调整.分布式可再 生能源有利于促进城乡新型能源体系发展,推进新型城镇化和新农村建设;

有利于改善大 *资助项目:中科院学部咨 询项目 大力发展分布式可 再生能源应用和智能微网 修改稿收到日期:2016年1 月11日 大力发展分布式可再生能源应用和 智能微网 ① * ① 本文主要内容出自作者倡议并主持的中科院学部咨询项目 大力发展分布式可再生能源应用和智能微 网 .主要参加人员有:卢强、李静海、肖立业、周孝信、过增元、严陆光、徐建中、周远、程时杰、 金红光、孔力、王斯成、吴创之、赵黛青、仲继寿、叶青、许洪华、祁和生、王成山、齐智平、王志峰、 王文静和陈海生等 专题:分布式可再生能源和智能微网 The Distributed Renewable Energy and Smart Micro Grid System 编者按 目前,中国正处在工业化和城镇化进程中,能源需求持续增长,能源对外依存度高,环境治理压力大,大力发展分布式可再 生能源和智能微网有利于缓解资源和环境的双重压力.鉴于此,中科院学部于

2014 年启动了 大力发展分布式可再生能源应用和 智能微网 咨询研究,重点分析分布式可再生能源和微网系统在构建未来我国自主、自立、清洁、可持续发展的能源体系中的巨大 潜力和重要作用,提出未来分布式可再生能源发展的预期目标和发展路线图,以及发展制度、政策和建设综合示范区与技术创新工 程的建议.为让各级决策者、科技界及社会公众深入了解该领域的进展,本刊特围绕该主题出版 分布式可再生能源和智能微网 专题以飨读者.

158 2016年.第31卷.第2期 气质量,保护修复生态环境.它也是 一带一路 战略 的重要内容,对推进实施 一带一路 具有重要意义. 可再生能源的利用有集中与分布两种方式.集中式 是在资源丰富的地区建设大规模可再生能源生产基地, 依靠长距离能源网络输送到负荷中心.而分布式则将可 再生能源系统建在用户附近,一次能源以可再生能源为 主,二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主, 将电力、热力、制冷同蓄能技术结合,满足用户多种需 求,实现能源梯级利用. 分布式可再生能源技术包括太阳能光伏发电、太 阳能热发电、太阳能热利用,以及风能、生物质能、 地热能利用等.它将可再生能源的生产和消费结合在 一起,生产的电力首先满足本地用户的需要,富余部 分通过智能电网提供给邻近用户.它可将多种能源资 源和用户需求进行优化整合,实现资源利用最大化. 分布式可再生能源和智能微网系统在构建未来我国自 主、自立、清洁、可持续发展的能源体系中有着巨大 潜力和重要作用.

1 分布式可再生能源发展现状与潜力 1.1 资源潜力 可再生能源具有清洁、自然再生、广域分布、能量 密度低、间歇性等特点,从本质上具有明显的分布式能 源的特征. 我国地域广阔,可再生能源资源总量巨大.陆地水 平面平均太阳辐照度约为 175瓦/平方米,高于全球平均水 平,太阳总辐射资源 丰富区 及 很丰富区 以上占全 国陆地面积的96.3%,绝大部分地区适合利用太阳能. 我国陆地

50 米、70 米、100 米高度层年均风功率 密度达

300 瓦/平方米以上的风能资源技术可开发量分别 为20 亿千瓦、26 亿千瓦和

34 亿千瓦,70 米高度层年平 均风功率密度达到

200 瓦/平方米以上的风能资源技术可 开发量为

36 亿千瓦.在水深不超过

50 米的近海海域,风 电实际可装机容量约为

5 亿千瓦.总体上,我国风能资 源技术可开发量满足国家大规模开发风电的需要. 作为农业大国,我国生物质资源丰富,每年可作为 能源利用的生物质资源折合约为 6.7 亿吨标煤,其中农林 废弃物约为 3.7 亿吨标煤,林业废弃物 0.8 亿吨标煤,工 业废水 0.86 亿吨标煤,畜禽粪便约为 0.96 亿吨标煤. 对于分布式可再生能源利用而言,可利用的土地 和建筑屋顶或墙面也是重要资源条件.预计

2020 年分 布式建筑光伏最大可装机容量达 7.5 亿千瓦,2050 年达10 亿千瓦.中国 12% 的国土面积为不能用于耕作的 沙漠、戈壁和滩涂,总面积为128万平方公里,其中戈 壁面积

57 万平方公里,有充足的土地资源发展太阳能 发电. 1.2 技术水平与发展现状 目前主要可再生能源利用技术已趋成熟,成本快速 下降.在可预见的将来,可再生能源的技术和经济性都 将达到与常规能源相当的水平,在世界范围内可再生能 源利用的快速发展已成为现实. 中国光伏技术研发水平不断提高,个别技术研究 水平进入世界先进行列.我国单晶硅和多晶硅电池产 业化生产的平均转化效率分别为 18.3% 和17.1%,部 分企业的高效光伏电池和组件技术达国际先进水平. 国内光伏电池组件价格从

2007 年的

36 元/瓦下降至当 前的 4.2 元/瓦,整体系统的价格也从

60 元/瓦降至

8 元/ 瓦.2014 年,我国太阳能光伏组件产量 35.6 吉瓦,约占 全球总产量的 71%,居世界第一,中国光伏产业规模在 世界上已形成绝对优势. 2014年,全国风电新增装机容量23916兆瓦,至2014 年底全国累计风电装机容量

115 329 兆瓦.小型风电的发 展与技术日臻完善,使用的领域逐渐扩大;

目前用于分布 式风力发电的主要是中小型风机,先后建设了若干中小风 机为主的微网发电示范项目.近年来各地也开始了一些利 用兆瓦级大风机的分布式风力发电和微网试验和示范. 我国太阳能中低温热利用产业完整,产品市场化程 度高,2013 年太阳能集热器的总安装使用量达到 3.1 亿平 院刊

159 方米,年产量和安装量均居世界首位.除了供应民用热 水外,在采暖、空调、纺织、印染、造纸、海水淡化等 建筑和工业领域的太阳能中低温热利用也有很大市场潜 力.在工农业领域以及生活用能领域,太阳能中高温热 利用技术和太阳能制冷空调技术处于研发示范阶段,这 些技术适用于广大中小城镇及农村冷热能源的应用,以 及边远地区工农业热能的应用,发展前景广阔. 生物质能源分布式利用的主要途径是供热和供电. 目前,我国的生物质能产业主要有沼气、生物质发电、 燃料乙醇、生物柴油和成型颗粒.至2010 年底,生物 质发电装机约

550 万千瓦,沼气年利用量约130 亿立 方米,生物质固体成型燃料年利用量约为50万吨,非 粮原料燃料乙醇年产量为

20 万吨,生物柴油年产量约 为50 万吨. 我国地热资源的利用已经形成以取暖、水产养殖、 浴疗、农业和医药等直接利用方式和以发电为主的地热资 源综合开发利用技术体系.随着地源热泵技术的发展,浅 层地热能利用是目前中国地热能开发应用的主要方式. 太阳能与多种其他可再生能源的结合具有良好的互 补性,可以提升能源密度,提高运行效率,可在一定程 度上弥补单一可再生能源的间歇性和不稳定性缺陷.太 阳能与常规化石能源发电系统互补,可以降低对太阳能 高温集热、蓄热技术的依赖,是现阶段太阳能热发电规 模利用的可行途径.太阳能与化石能源综合互补利用, 可有效解决太阳能不稳定的问题,降低开发利用太阳能 的技术和经济风险,提高利用效率. 太阳能与建筑结合是分布式可再生能源应用的重要 方向.目前主要是太阳能热水器以及光伏发电与建筑的结 合.我国拥有世界最大量的建筑,同时又是全世界最大的 太阳能热水器和光伏发电组件生产国,太阳能与建筑结合 及一体化,可充分利用建筑以及太阳能资源,降低成本, 带动建材产业转型,具有规模发展的广阔前景. 1.3 发展潜力 本研究调研分析了若干分布式可再生能源与微网的实 施案例, 包含单体建筑、工业厂区、居民社区,以及乡镇、 县、工业园区甚至省市,既有农村,也有城市、海岛,显 示了分布式可再生能源无论是在供应居民生活用能方面, 还是在工业用热、用电方面的广泛适应性和可行性. 在北方农村地区,分布式可再生能源与农村节能建 筑结合,可再生能源发电与供暖、热水结合,可有效解 决一般北方农村农户日常用电、生活用热水和冬季家庭 供暖需求,也可满足一般公共设施的用电、用热需求. 但在生物质资源贫乏地区,农户炊事用能依然依靠燃煤 或燃气. 中东部工业发达地区适合大规模推广分布式光伏发 电.这些地区工业厂房多,可安装光伏的屋顶也多,而 且发电-用电距离近,用电需求较大,光伏电力可就地充 分消纳;

中东部地区工业用电和商业用电的电价较高, 光伏发电的经济性较好;

一般性工业用电负荷特性与光 伏发电特性比较相符. 对于中等用电强度工业地区,其大部分厂房适合建 设屋顶光伏系统.据广东佛山三水工业园区估算,充分 利用目前的屋顶可安装光伏系统

300 兆瓦,装机容量可 达2015 年最大用电负荷

645 兆瓦的 46.5%.考虑到光伏发 电利用小时数约为一般火电厂的 1/3,工业厂房屋顶光伏 发电大约能满足该地区最大用电负荷的 15%―20%. 分布式可再生能源利用同地区能源需求、能源基 础条件、建筑屋顶资源、零散空地的利用密切相关.推 出区域性整体规划,将新型城镇化建设、 三旧 (旧 城镇、旧厂房、旧村庄)改造等各类计划同分布式可再 生能源建设结合起来,加强规划引导,统筹协调各种资 源,这样的实践经验值得推广. 可再生能源能量密度相对比较低,无论是建筑用能 还是工业用能,分布式可再生能源与节能技术结合尤为 重要.在一些供热需求比较大的工业企业中,分布式可 再生能源供热与热能梯级利用、余热回收再利用等技术 结合,形成高效能源综合利用系统是降低能耗、提高经 济效益和社会效益的有效途径.

160 2016年.第31卷.第2期2 技术选择与发展路线 近年来可再生能源技术发展迅速,但要实现与常 规能源竞争,在能源消费结构中占据主要地位,无论在 性能上还是成本控制上都还需要进一步发展.随着新理 论、新材料、新技术的不断出现,未来

10 年可再生能源 技术在若干领域将会有新的突破和进展,降低成本、提 高材料、器件和系统能效,使分布式可再生能源技术获 得更大创新发展空间和潜力. 2.1 技术选择 2.1.1 可再生能源发电与热利用技术 光伏技术方面,晶体硅电池、薄膜电池可能长期 并存,微线矩阵电池、全光谱吸收电池等新型电池技术 有望进一步提高光伏电池效率、减少材料用量、降低成 本.风电技术方面,在较低的单机造价条件下实现系统 安全性、可靠性以及适应性,并且在较宽风速范围、不 稳定自然风况下可靠运行,技术挑战和发展潜力很大. 分布式太阳能热发电方面,冬季向用户供热、夏季供冷 以及全年提供卫生热水,通过能量梯级利用形成一体化 多联供能源系统.生物质能利用方面,大中型沼气工 程、秸秆燃料锅炉燃烧应用技术、小规模生物质气化及 利用技术、生物质热解技术等我国与欧美日等国相比还 有较大差距. 2.1.2 可再生能源-建筑集成一体化技术 分布式可再生能源在建筑用能中的技术创新重点在 材料、构件、能源系统与节能建筑设计集成等.材料方 面,将重点发展新型透光、光控、保温、储热等建筑 材料,强化与建筑功能、材料、结构、美学设计相互 结合.建筑构件方面,主要发展新型太阳能光伏/光热 一体化建筑构件,包括被动式太阳能建筑在内的构件 化、模组化建筑太阳能利用技术.能源系统与节能建筑 方面,主要发展光伏/光热技术,实现冷热电及热水联 供.太阳能建筑一体化技术与墙体节能、屋面保温隔热 等建筑节能技术和能源智能管理有机结合,提高建筑综 合能效. 2.1.3 分布式可再生能源热利用与综合利用技术 面向工业供热和发电的太阳能锅炉技术可利用太阳 能获得 80o C―250o C 的热能.风能热泵供热技术直接将风 能转化为机械能,驱动压缩式热泵实现供热,在寒冷多 风地区具有应用前景.太阳能和土壤热互补利用,既可 利用太阳能提升地源热泵运行效率,又可通过地下埋管 换热器把土壤作为补偿太阳能间歇性的储能措施.太阳 能与生物质互补利用,可实现我国农村地区采暖期能源 互补供热、发电,并提供生活热水.太阳能和化石燃料 通过热互补和热化学互补,可实现太阳能重整甲烷 - 燃气 蒸汽复合热发电系统、中低温太阳能驱动替代燃料裂解 发电系统等新型系统,实现太阳热和替代燃料的共同高 效利用. 2.1.4 分布式储能技术 分布式储能技术将有效提高可再生能源并网规 模,并在未来智能电网中提供电网备用、电能质量调 节等重要辅助服务.功率型储能提供数秒到数分钟的 高功率支撑,能量型储能则提供数分钟到几小时的能 量支撑,两者综合使用更具经济性.在热电联供系统 中,储热设施成为一种有效的储能措施,通过供电、 供热的交互作用,提高系统灵活性和综合能效.插电 式电动车和混合动力车的大规模推广应用提供了一种 新的分布式储能方案,通过大量车载电池的合........