王福志，周雪松，馬幼捷，周從容

(1. 天津理工大學 天津300384；2. 天津大學 天津300072)

科技評論

基于能源路由器的多種能源形式的評價

王福志1，周雪松1，馬幼捷1，周從容2

(1. 天津理工大學 天津300384；2. 天津大學 天津300072)

發(fā)展以能源互聯(lián)網為代表的可再生能源利用平臺，是解決目前環(huán)境問題和能源問題的一個有效手段。針對能源互聯(lián)網在能源接入、能源控制和能源傳輸等方面面臨的挑戰(zhàn)，借鑒互聯(lián)網中交換設備的設計理念，設計能夠實現(xiàn)能源網絡互聯(lián)、調度和控制的“能源路由器”是構建能源互聯(lián)網的一種直觀可行的方案，但詳細的實現(xiàn)方法仍需探討。能源路由器是能源互聯(lián)網的關鍵設備，其主要功能在于能源的優(yōu)化調度。對能源互聯(lián)網涉及的風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電進行科學的評價，從效率、經濟、環(huán)保 3個方面進行分析，是未來能源路由器進行能源控制的關鍵。

能源互聯(lián)網 能源路由器 能源評價

0 引 言

隨著人類文明的進步，對能源的需求量也越來越大，尤其是工業(yè)革命以來，化石能源的大量使用帶來了嚴重的環(huán)境問題和能源危機。隨著技術的發(fā)展，可再生能源，如風能、太陽能、潮汐能、地熱能等，越來越受到人們的重視，在工程中的應用也越來越廣?；谶@種情況，美國學者杰里米·里夫金在 2011年出版的《第三次工業(yè)革命》中提出了能源互聯(lián)網這一概念。[1]能源互聯(lián)網是一種在電網基礎上，融合大量的可再生能源尤其是分布式可再生能源，實現(xiàn)能源的廣泛生產和交換的智能網絡。能源互聯(lián)網由能源路由器、發(fā)電設備、儲能設備和各種負載組成。

針對能源互聯(lián)網在能源控制方面面臨的挑戰(zhàn)，借鑒互聯(lián)網中路由器的設計理念，一種能夠實現(xiàn)能源網絡互聯(lián)、調度和控制的“能源路由器”是構建能源互聯(lián)網的直觀可行的方案，[2]但詳細的實現(xiàn)方法仍需探討。能源路由器的核心功能在于能源的控制，也就是對不同形式的能源進行優(yōu)化調度，實現(xiàn)能源利用效率的最大化，同時降低能源成本、降低能源系統(tǒng)對環(huán)境造成的不良影響。本文重點在于分析能源路由器所涉及的不同能源發(fā)電與利用形式，為基于能源路由器的優(yōu)化調度提供基礎。能源路由器的結構如圖 1所示。

圖1 能源路由器的結構Fig.1 The structure of energy router

1 能源系統(tǒng)的評價模型

不同能源系統(tǒng)輸入輸出的能源形式不同，因此，其自身能源利用效率、經濟效益、對環(huán)境帶來的影響都是不一樣的。對于能源系統(tǒng)的評價，主要也是從利用效率、經濟性、對環(huán)境帶來的影響 3個方面進行的。[3]

1.1 能源利用效率的評價模型

能源系統(tǒng)所需要的總能耗為：

式中：SEC表示能源系統(tǒng)的總能耗；mr表示能源的原材料的質量；(erm)i表示能源的原材料的單位能耗；mes是能源燃料部分的質量；(efm)es表示能源燃料部分的單位能耗；(hv)es表示能源中燃料的熱值；mq表示能源系統(tǒng)設備的質量；Ek表示輔助系統(tǒng)正常運行時需要的電力輸入；Qs表示包含了輔助系統(tǒng)在內的能源系統(tǒng)正常運行需要的熱量輸入；Eal表示維持系統(tǒng)正常運行其他形式的能量輸入。

能源系統(tǒng)所輸出的總能量為：

式中：GEO表示能源系統(tǒng)輸出的總能量；Ei表示電能的輸出；Qj表示熱能的輸出；Ck表示冷能的輸出；W1表示各種機械能的輸出；表示其他的能量輸出。

若GEO＞SEC，則系統(tǒng)在能量上是可取的。

1.2 能源系統(tǒng)的經濟性評價

能源系統(tǒng)的經濟性包括兩個部分，即能源系統(tǒng)從投資建設到日常運行所消耗的費用和能源系統(tǒng)的運行所帶來的收益。其中，能源系統(tǒng)所耗費的初期投資部分可以通過具體的實施案例所涉及的土地、設備、原材料、人員工資等部分的財務報表直接獲得，我們主要考慮的是日常運行中所消耗的燃料的費用和環(huán)境的費用，以及涉及到上下游企業(yè)所帶來的社會效益。能源系統(tǒng)所消耗的費用可以表示為：

式中，Pk表示資源的單價；Fk表示資源的消耗量。

能源系統(tǒng)所排放的廢棄物或者對自然界造成的其他影響，所造成的損失也可以以貨幣的形式進行歸算。這種影響可以表示為：

式中，F(xiàn)表示環(huán)境受到的影響，x2，x3表示廢棄物、噪聲等不同影響因素。但目前來看，由于確定的函數關系Φ并不能得到精確的確定，因此當前對于這一影響只能進行定性描述。

能源系統(tǒng)帶來的效益分為兩個部分，包括直接收益和間接收益。

式中，D表示總收益；D1表示直接收益；D2表示間接收益。直接收益是能源系統(tǒng)直接生產出的不同形式的能源所帶來的最直接的收益，包括生產的電能、熱能、機械能等。間接收益包括促進社會進步、增加職工收入、改善環(huán)境等間接的收益。

1.3 能源系統(tǒng)的環(huán)境評價

能源系統(tǒng)對如今社會的進步起著非常關鍵的作用，但是能源生產、消耗過程中所產生的副產品對環(huán)境造成的破壞也越來越嚴重。研究能源系統(tǒng)對環(huán)境的影響應該從原材料的獲得，到最終能源被消耗、廢棄物的處理全過程都加以考慮。另外，對環(huán)境的潛在影響也應該考慮在內，這種影響包括資源的消耗、碳排放等。

影響的總量可以表示為：

式中，EP(j)表示能源系統(tǒng)中，各工序對環(huán)境j方面造成的影響；EP(j)i表示第 i中排放物對環(huán)境的 j方面造成的潛在影響；Qi為第 i種排放物的排放總量；EF(j)i為第i種排放物對環(huán)境的j方面造成影響的影響因子。

表1 列出了我國環(huán)境影響的類型。能源系統(tǒng)的環(huán)境評價要按照圖表所列的類型，建立系統(tǒng)性的輸入輸出單位，對能源整個生命周期的開采、消耗、排放數據進行量化計算，從而建立起能源的不同類型、不同階段對環(huán)境造成的綜合影響數據。

表1 我國環(huán)境影響類型Tab.1 Types of environmental impact in China

2 能源路由器所涉及的5種能源形式的評價

能源互聯(lián)網的關鍵在于最大限度利用可再生能源，尤其是分布式可再生能源。能源路由器作為能量控制的設備，需要對接入能源互聯(lián)網的所有發(fā)電單元進行合理的調度。目前，主要的能源形式有風能、太陽能、煤電、燃氣發(fā)電。

2.1 風力發(fā)電的評價

風力發(fā)電的主要設備是風力發(fā)電機組。從能量轉換的角度來說，包括兩個部分，即：風輪將風能轉化為機械能和發(fā)電機將機械能轉化為電能。其轉化模型為：[4]

式中，Pm表示風機捕獲的機械功率；ρ表示空氣密度；π為圓周率；R表示葉輪半徑；Cp(λ)表示風能利用系數，在0～0.593之間；υ表示風速。

風能的輸入能源為自然界的風能，制造風力機組所耗費的能源等，輸出能源為電能。在目前的技術條件下，輸出能源大于輸入能源，在能量上是可取的。

風力發(fā)電的經濟性可以通過標準化風機使用壽命內建設和運行的費用，再除以每年的發(fā)電量得到。這種方式計算所得的成本一般比實際成本要高，因為風力發(fā)電機組在運行初期維護成本低于平均成本。

風力發(fā)電機由于沒有碳排放，也沒有其他污染物的排放，對環(huán)境造成的影響很小，但是風機運行時產生的電磁輻射、噪音、對鳥類活動的影響等都是不可忽視的。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的評價

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將太陽能直接轉化成電能，其轉化模型為：[5]

式中，I表示系統(tǒng)輸出的電流；Iph表示光伏板激發(fā)出的電流；ID表示暗電流；Ish表示流過等效電阻的電流；Iv表示流過其他元件的電流。

光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入的能源為太陽能及制造光伏板所耗費的能源等，輸出的能源為電能，輸出的能源大于耗費的能源，在能量上是可取的。但是由于目前制造太陽能電池板所耗費的能源量比較大，其投入產出比并不太高。

光伏系統(tǒng)的前期投入較大，雖然光伏系統(tǒng)的原料即太陽能是免費的，但是由于光伏板的效率普遍偏低，在其壽命之內平均發(fā)電成本是高于目前火電成本的，這也是制約太陽能發(fā)電發(fā)展的一個關鍵因素。

太陽能發(fā)電本身對環(huán)境沒有污染，是一種綠色環(huán)保的能源方式，但光伏板的生產過程卻會對環(huán)境造成破壞，這主要體現(xiàn)在矽硅的開采和冶煉提純、晶圓的酸洗以及薄膜太陽能板后期的重金屬排放上。這些環(huán)境問題需要我們從技術上加以解決。

2.3 煤電系統(tǒng)的評價

燃煤發(fā)電是一種利用煤炭燃燒產生的內能加熱水蒸汽，在汽輪機內將內能轉化為機械能，發(fā)電機再將機械能轉化為電能的發(fā)電裝置。[6]此外，汽輪機的抽氣可以直接作為富含熱能的物質去加熱其他物體。影響燃煤發(fā)電的關鍵指標是主蒸汽所具備的熱負荷，其數學關系為：

式中，Qlr表示主蒸汽的供熱量；hh表示供熱蒸汽的比焓；ths表示供熱的回水比焓；t表示的是發(fā)電系統(tǒng)利用的時間；η表示機組的效率。

則機組的發(fā)電量為：

機組的供熱量為：

式中，N表示發(fā)電量；α表示熱電負荷的系數；β表示供熱負荷的系數。

燃煤發(fā)電系統(tǒng)的能量輸入為煤燃燒產生的熱量及水的加熱、設備的制造所消耗的能量，輸出為電能和熱能。其輸出大于輸入，在能量上是可行的。

煤電的發(fā)電成本除系統(tǒng)建設所需要的資金外，還需要日常運行包括煤、油、水、煙氣處理，水處理等的成本，但由于這種發(fā)電方式歷史悠久，技術成熟，是目前我國應用最廣的發(fā)電方式，具有不可替代的作用。

煤電對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在燃煤產生的粉塵、氮氧化物、硫氧化物以及大量二氧化碳的排放。此外，由于煤是復雜的混合物，燃煤產生的重金屬污染也在研究范圍之內。

2.4 燃氣發(fā)電的評價

冷熱電三聯(lián)供的燃氣系統(tǒng)以天然氣為原料，天然氣和空氣的混合物在透平中燃燒后，產生的高溫高壓的煙氣帶動發(fā)電機旋轉產生電能，排出的煙氣余熱可以回收利用，或者配以溴化鋰制冷機對外供冷，如圖2所示。[7]

圖2 燃氣發(fā)電系統(tǒng)的結構Fig.2 Structure of gas power generation system

由于我國在大型燃氣輪機的制造上尚未掌握核心科技，導致燃氣輪機的前期建設費用較高，另外由于我國天然氣產量并不大，且主要分布在西部，遠離負荷中心，導致天然氣價格偏高，這也是制約燃氣發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模推廣的因素。但是，相比風光發(fā)電，燃氣發(fā)電的不確定因素很小，污染小，可以靈活接受調度的指令，反應速度快，因此可以在負荷中心應用這種發(fā)電方式。

3 總結與展望

隨著環(huán)境問題和資源問題的日益突出，以能源互聯(lián)網為代表的可再生能源利用網絡將會得到長足的發(fā)展。目前，人們對于能源互聯(lián)網的研究尚處于前期探索階段，對于能源路由器的功能和結構也有許多設想，以可再生能源的優(yōu)化調度為主要特征的能源利用平臺將是未來的主要發(fā)展方向，不同能源有不同的特性，科學的評價體系將為這一調度提供決策的基礎?！?/p>

［1］ 杰里米·里夫金. 第三次工業(yè)革命[M]. 北京：中信出版社，2012：1-50.

［2］ 曹軍威，孟坤，王繼業(yè)，等. 能源互聯(lián)網與能源路由器[J]. 中國科學：信息科學，2014(6)：714-727.

［3］ 王伯春. 新能源系統(tǒng)社會評價模型方法研究[J]. 能源研究與利用，2004(6)：20-24.

［4］ 金鑫. 風力發(fā)電機組系統(tǒng)建模與仿真研究[D]. 重慶：重慶大學，2007.

［5］ 柴亞盼. 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率研究[D]. 北京：北京交通大學，2014.

［6］ 趙會茹，符力文. 熱電聯(lián)產機組的熱電函數模型研究[J]. 熱力發(fā)電，2012，41(4)：4-5.

［7］ 梁峻銘. CCHP中微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的仿真及效率計算[D]. 桂林：廣西師范大學，2013.

［8］ 周靚. 火電企業(yè)能效管理影響因素分析及診斷模型研究[D]. 保定：華北電力大學(保定)，2014.

Evaluation of Various Forms of Energies Based on Energy Router

WANG Fuzhi1，ZHOU Xuesong1，MA Youjie1，ZHOU Congrong2
(1．Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2．Tianjin University，Tianjin 300072，China)

It is a valid method to solve environmental issues and energy issues currently that to develop the use of renewable energy platform as energy internet．For the challenges of energy access，energy control and energy transmission in energy internet，energy router draws a design concept of switching equipment in information internet to achieve the functions of energy network interconnection，scheduling and control．Energy router is an intuitive and feasible solution，but details of the implementation methods still need to be discussed．Energy router is the key equipment of the energy internet，and its main function is to optimize the scheduling of energy．It is the key technology to control energy flow on the energy router in the future that to evaluate wind energy，solar power，coal-fired，gas-fired generation scientifically by analyzing efficiency，economy and environmental protection.

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TM76

A

1006-8945(2016)11-0028-04

2016-10-09