文/印度電器電子制造商協(xié)會V. S. Joshi

譯/北京機械電工技術經(jīng)濟研究所 張爽

全球約18億多人口存在電力供應不足狀況，這些人大多數(shù)居住在發(fā)展中國家的偏遠地區(qū)。盡管許多發(fā)展中國家正在努力實施農(nóng)村電力方案，但據(jù)觀察，財政困難仍然是執(zhí)行的首要瓶頸問題。政府正在努力擴大農(nóng)村地區(qū)的電網(wǎng)，但同時也面臨著如無法回收成本、缺乏切實可行的價格機制等一系列問題。行業(yè)或政府對農(nóng)村電力供應通常會給予一定的補貼，但因為人口密度與需求等一些因素，農(nóng)村電力的運行成本還是相對較高。

分布式發(fā)電（Distributed Generation）是指將電力系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式方式布置在用戶附近，可以獨立輸出電能的系統(tǒng)。利用當?shù)刎S富的清潔能源，建立小規(guī)模型的發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電被認為是可以確保農(nóng)村地區(qū)電力供應的發(fā)電形式之一，人們普遍認為利用可再生能源的分布式發(fā)電在取得農(nóng)村電力化目標的過程中具有非常重要的作用。

現(xiàn)在微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能發(fā)電在印度都還處于早期的商業(yè)運行階段。這些技術最初研發(fā)主要是為了國防、航空及無污染交通工具的應用，穩(wěn)定的電力市場為其提供了大量的商機。分布式發(fā)電站正在世界各地不斷普及，農(nóng)村電力化方案在發(fā)展中國家得到了廣泛實施。

分布式發(fā)電主要是小規(guī)模電力系統(tǒng)（發(fā)電功率在數(shù)KW- 50 MW的小型模塊），可獨立地輸出電能，靈活地分布在居民小區(qū)、建筑物甚至是每戶家庭附近，可以滿足消費者的特殊需求。由于接近客戶，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電力質量都得到提高，熱量能效也得到改善；分布式發(fā)電另一顯著的優(yōu)勢在于它能夠明顯減少二氧化碳的排放。集中式供電對國家電力供應至關重要，然而在不斷變化的能源需要方面，它又存在一定的局限性。

集中式供電系統(tǒng)的大型電站建在能源基地，需要耗費長時間建設還需要巨大的投資。分布式發(fā)電是集中式供電的有益補充：(1)節(jié)省投資；(2)在所需地點發(fā)電，避免輸配電容量升級；(3)可以根據(jù)需要，將剩余電量靈活的向電網(wǎng)“倒送電”。集中式供電影響當?shù)丨h(huán)境；而如果分布式發(fā)電有環(huán)境污染，只有分布式發(fā)電的受益者們才會受到環(huán)境影響。

電力系統(tǒng)改革已經(jīng)取得一定進展，這將有助于開放能源市場，讓客戶自主選擇能源供應商、電力傳輸方式與服務。市場越來越青睞小規(guī)模、模塊化的電源技術，這些技術可以迅速滿足市場需求。

分布式發(fā)電得到青睞的一些其他因素：

1）國內國際對電力的需求都在不斷增加；

2）小型、模塊化的分布式發(fā)電技術可以顯著節(jié)約發(fā)電成本、改善性能；

3）針對環(huán)境問題，政府正在出臺相關的規(guī)章條例，對電力系統(tǒng)的能效與環(huán)保提出具體要求；

4）在一些領域，集中式供電的穩(wěn)定性與質量無法達到預期目標。

通過幾十年的深入研究，小規(guī)模、模塊化的燃氣發(fā)電在印度已經(jīng)取得了突破性的技術進步，其在經(jīng)濟運行與環(huán)保性能方面都有了重大改進。分布式發(fā)電系統(tǒng)是一種清潔高效、系統(tǒng)可靠性高、更為靈活的電力選擇。其燃料更具有靈活性，可以是天然氣、丙烷；也可以是碳氫化合物中得到的燃料氣體，包括煤或生物質，甚至農(nóng)、林產(chǎn)業(yè)的廢棄物都可以用來作為燃料。

印度的燃氣輪機和往復式發(fā)動機技術已經(jīng)取得了一定成績，但是經(jīng)過不斷的努力，它們還將作出更多貢獻。燃料電池已經(jīng)進入市場，但需要更深入的研究與探索。目前印度的燃料電池/燃氣輪機混合動力系統(tǒng)與21世紀燃料電池、風力-柴油混合發(fā)電系統(tǒng)尚處在起步階段，也將具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

與傳統(tǒng)的集中式供電相比較

集中式供電是目前用電的主要來源，主要由蒸汽驅動汽輪機發(fā)電。這些電站大都是10MW以上的電站，規(guī)模較大，對發(fā)電設施的要求也較高。這些大型電站需要燃料和補給，同時需要高壓輸電線路負責輸配電。我們可以將分布式發(fā)電與傳統(tǒng)的集中式供電作一下簡單比較。

就新設備而言，分布式發(fā)電與傳統(tǒng)的集中式供電最直接的對比是能效。大型集中式供電的單位能效在28-35%之間，這取決于電站的服務年齡，這意味著只有28-35%的燃料能被轉化為有用電能。而小型燃料電池及適用于分布式發(fā)電的各種新型的聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機與大型往復式發(fā)動機的能效約為40-50%。一些新技術，如燃料電池/燃氣輪機混合動力系統(tǒng)能效甚至達到70%。近二、三十年以來，一些熱電聯(lián)產(chǎn)、冷電聯(lián)產(chǎn)電站使用燃氣輪機與往復式發(fā)動機，在熱帶條件下如印度，其燃料轉換能效約為65%-75%；而在寒冷地區(qū)，采用分布式發(fā)電的燃料能效可達90%。

分布式發(fā)電最大的優(yōu)勢是在短時間內，發(fā)電系統(tǒng)即可安裝完畢。大多數(shù)分布式發(fā)電項目的安裝時間都要明顯少于煤、燃氣發(fā)電廠。隨著人口增長，分布式發(fā)電的執(zhí)行速度與模塊化性質使得發(fā)展中國家能有效地進行投資發(fā)電。

輸配電基礎設施意味著要在初期投資、持續(xù)運營及維護方面進行大量的投資。而分布式發(fā)電就設在電力應用現(xiàn)場，不會加重輸配電的負擔。此外，輸配電設施經(jīng)常要解決用戶問題，而分布式發(fā)電避免了這些成本和可靠性問題，在許多應用案例中它都可以以較低的成本為用戶提供更為優(yōu)質的服務。

印度新開發(fā)的分布式發(fā)電系統(tǒng)單位通常在5KW-20MW之間，運行成為200美元-6000美元/KW。下面是就印度分布式發(fā)電技術與應用狀況所作的一些簡短說明:

印度的分布式發(fā)電主要類型

微型燃氣輪機

微型燃氣輪機與傳統(tǒng)的燃氣輪機工作原理相同?？諝膺M入壓縮機換熱器，受到擠壓。燃燒室混合了熱空氣與燃料，這種混合通過渦輪不斷擴大，驅動壓縮機與發(fā)電機（轉速達到70,000-120,000 RPM）。燃燒的空氣進行回熱循環(huán)，發(fā)電機產(chǎn)生轉換為50/60Hz的高頻交流電。微型燃氣輪機的額定功率為25-500kW之間，一般投資成本為500-1000美元/KW。電力能效為27-32%。如果利用廢熱可以提高整體能效至80%。運營成本（如發(fā)電成本）預計在，氮氧化物排放為0.1lb/BTU。微型燃氣輪機以天然氣、甲烷、柴油等作為燃料來源。具有體積小、多燃料、低油耗、低污染、高可靠性等一系列優(yōu)點，是目前應用較為廣泛的一種分布式電源。

燃料電池

燃料電池直接將燃料中的氫氣借助電解質與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，生成水的同時進行發(fā)電。氫氣和氧氣進行化學反應，發(fā)生電子的轉移，把電子的轉移取出，再連接到外部負載上面，從而實現(xiàn)負載供電。其過程簡單，就是將化學能直接轉化為電能，能效較高。忽略其產(chǎn)生的熱量，燃料電池的能效在35-65 %之間；如果對產(chǎn)生的熱量加以利用，燃料電池的能效可提升至80%。其運營成本預計在燃料電池的氮氧化物排放非常低，約為0.003-0.03 lb/BTU。

燃料電池類似于電池，因為它們都通過化學反應產(chǎn)生直流電，但與電池不同的是，燃料電池直接轉化富氫燃料為電能，只要有持續(xù)的燃料，它就會一直運行。燃料電池通常針對50-1000kW的單個安裝地點，如高層辦公樓、醫(yī)院、學校、賓館、餐廳等等。小型燃料電池的開發(fā)商之前瞄準了汽車市場，現(xiàn)在他們看到額定功率為5-10kW的住宅發(fā)電也是一個充滿潛力的市場。

風能發(fā)電

風力機或風能轉換器可以將風能轉化為電能。通常系統(tǒng)為30KW的獨立單位-3MW多個單位的風力發(fā)電場。風輪高度約為80米，轉子直徑為65米。轉子由可變葉片角或不變葉片角構成，它既可以與同步電機相連也可以與異步電機相連，把機械能轉換成電能。同步發(fā)電機通常配備脈寬調制轉換器，控制這些轉換器對風車在電網(wǎng)中性能的調節(jié)非常重要。風車經(jīng)常成組安裝或以風電場形式出現(xiàn)，很少單獨使用。

對于風力機而言，輸出的有功功率是由風速決定的，會隨風速的變化而變化，因此風能發(fā)電的一個缺點就是不穩(wěn)定性，這使其連接到電網(wǎng)變得復雜。目前使用高壓直流線路將風電場連接至傳輸電網(wǎng)的技術正在研究之中。

一些農(nóng)場主、牧場主在多風地區(qū)喜歡使用風力機，以節(jié)省電費。目前風能發(fā)電的費用一般為1000美元/KW，發(fā)電能效約為25%左右。然而，需要說明的是在可再生燃料方面，風能發(fā)電的能效不應與燃料電池或微型燃氣輪機的能效相提并論。其運營成本約為KWH。

太陽能發(fā)電

太陽能光伏發(fā)電的能量轉換器件是太陽能電池，又叫光伏電池。太陽能電池發(fā)電的主要原理是光電伏打效應。從上個世紀30年代開始，太陽能轉化為電能技術在印度已經(jīng)可行，但面臨的主要困難是光伏發(fā)電系統(tǒng)的高額投入，一般為6000美元/KW。太陽能發(fā)電的輸出功率與其表面積大小成正比，因此占地面積相對較大（0.02KW/m2）。其能效與風車電能一樣，相對較低（6-20%），但這一數(shù)字不應與非可再生能源系統(tǒng)相比。其運營成本約為＜10KW的小型光伏電池一般應用于屋頂或遠程系統(tǒng)，一般不被連接到電網(wǎng)中。由于在室外工作，其輸出功率和能效嚴重受溫度與太陽照度的影響。如果沒有陽光，通常會造成能量不足。

生物質能發(fā)電

生物質能發(fā)電主要是開發(fā)利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)廢棄物為原料，也可以將城市固體垃圾為原料，采取直接燃燒或氣化的發(fā)電方式。

在發(fā)達國家生物質能在熱電聯(lián)產(chǎn)中變得越來越重要。此外，在家庭與社區(qū)取暖應用中，生物質能作為一種清潔能源，也具有非常重要的作用。芬蘭、美國和瑞士等國家的人均生物質能使用率要高于印度、中國等一些亞洲國家。印度的生物質能發(fā)電估計可達16,000MW。

作為一種替代能源來源，生物質能最突出的特點是是可再生能源，無二氧化碳排放。生物質遍布世界各地，其蘊藏量極大。地球上每個國家都有某種形式的生物質。在未來生物質能將成為全球可持續(xù)發(fā)展的重要能源資源。印度的小型沼氣池已經(jīng)設計研發(fā)成功，目前正在為印度國內照明進行測試。

結束語

在未來30年，預計發(fā)展中國家的全球能源消費將增加一半以上。如何提高農(nóng)村生活水平，提高城市電力供應的質量與可靠性，行業(yè)要求與不斷增長的人口都給政府帶來了巨大的壓力。

燃料的高效利用與轉化、可持續(xù)性發(fā)展、環(huán)保將成為今后城市工業(yè)與服務部門對能源傳輸技術選擇的首要考慮因素。在農(nóng)村地區(qū)，電力服務地點相距遙遠，靈活的小規(guī)模配電系統(tǒng)將是經(jīng)濟可行的選擇?？梢愿鶕?jù)當?shù)氐木唧w情況（如地理位置、環(huán)境狀況、資源分布等）合理選擇分布式電源，充分利用當?shù)氐馁Y源來發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢。分布式發(fā)電將是的有效解決方案。

作為傳統(tǒng)的集中式供電的有益補充，接近終端用戶、小規(guī)模的分布式發(fā)電將會為用戶提供投資更節(jié)省、更為環(huán)保的解決方案，它可以有效地解決發(fā)展中國家的電力需求，是未來能源領域的一個重要發(fā)展方向。分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中將會發(fā)揮日益重要的作用，必然也會擁有日益廣闊的市場發(fā)展前景。