為了避免能源枯竭與環境污染對人類社會産生更進一步的危害，各國必須改變生産和利用能源的方式。自第二次工業革命以來，電力作為一種高效、清潔且可實現多種能源相互轉換的能源利用形式，在世界經濟社會發展中發揮着越來越重要的作用。它是當今世界中能源最重要的轉化形式，是國民經濟乃至國家安全的重要保障。越來越多的一次能源被轉換為電力的形式加以利用，很多可再生的清潔能源也隻有轉換成電能才能廣泛地得到應用。電力和能源是緊密聯系在一起的，因此，能源變革的實現也必将以電力産業的變革為重點。

傳統的發電模式以火力發電為主，其發電量在總發電量中所占比重為70%以上，而火力發電輸出的電能大多由化石能源的燃燒所産生的熱能轉換而成。為了遵循可持續發展的原則，世界各國都在積極尋求新型可持續的電力供應技術，借以替代傳統的發電方式。其中水力發電利用水位落差産生廉價無污染的電力，但可能會造成生态破壞；核能發電不會造成空氣污染，但發電成本較高，且一旦發生核事故，将造成嚴重的危害；風力發電将風能轉換為電能發出，光伏發電則是将太陽能轉換為電能發出，而風能、太陽能都是清潔能源，且都具有取之不盡、用之不竭的優點。但由于風能、太陽能具有随機性、波動性特征，為了最大程度地利用這些間歇性可再生能源，并解決資源在空間上分布不均衡的問題，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，學者們相繼提出了微電網技術、智能電網技術，促使傳統電網逐步向智能電網過渡。

然而，智能電網的物理實體主要是電力系統，能量在智能電網中隻能以電能一種形式傳輸和使用，不同能源之間的傳輸仍舊是獨立進行的，電能、天然氣、熱能、冷能等的傳輸互不幹擾，有着各自的傳輸網絡。從能源消耗方面而言，雖然通過支持可再生能源的接入，分布式發電技術能夠減少火力發電在發電總量中所占的比重，但用戶對于除了電能以外的其他能源的需求(如熱能、冷能等)卻依舊消耗着大量的化石能源，因此光靠分布式發電不能夠完全緩解目前能源緊張的問題，分布式能源的大規模高效利用依舊難以實現。因此，綜合天然氣、電能、熱能等各個能源網絡進行混合供能，以便實現多種能源子系統之間的協調規劃、優化運行，協同管理、交互響應和互補互濟，這是滿足系統内多元化用能需求、有效提升能源利用效率、促進能源可持續發展的必然趨勢。

分布式能源是立足本地資源，平衡終端需求，區域性能源（冷、熱、電）的産、儲、配、供、控一體化服務體系，包括太陽能、風能、海洋能、水能、熱能、煤、石油、天然氣、生物質能、氫能。

從總裝機容量比例與實際發電比例看，棄風棄光的情況嚴重。

2016年我國能源消費結構：

當前能源發展與需求的四大矛盾。傳統能源電力建設集中在生産側，特點是大型集約、統發統配，壟斷經營。忽略了配電側的建設，無法滿足差異用戶的需求。必然需要出現一種建設在終端用戶側的，能實現按需設計、按需生産，就近配給、就近消費，終端節能、終端控制，區域自我平衡循環的新型能源。因此發展分布式能源有着重要的戰略意義。

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國家能源局印發《能源生産和消費革命戰略（2016-2030）》：

天然氣分布式能源 是指利用天然氣為能源，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用，并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，綜合能源利用效率可達70~90%。

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天然氣分布式能源主要用戶市場：

天然氣分布式能源經濟性影響因素：

光伏發電的分類：

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分布式光伏供能流程：

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光伏發電的發展趨勢：

趨勢1：2017年一季度新增裝機容量721萬kW，與2016年一季度同期基本持平，但建設地區明顯由西部向中東部轉移。

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趨勢2：分布式光伏發電裝機容量異軍突起，市場份額大幅增加。

冷熱電聯産的含義與現狀：

CCHP：Combined Cooling HeatingPower系統又稱熱電冷聯産系統，分布式冷熱電聯産系統是能源綜合梯級利用的解決方案，總的能源利用率可以達到75%～90%。

燃氣分布式能源系統經濟性評價：熱電VS冷電

客觀現實的評價：

熱電聯産：節能、經濟性較高；冷電聯産：不節能，經濟性不高；

輸配效率：電＞燃氣≥熱水≥蒸汽＞冷水；

“餘熱利用”：燃料（燃煤還是燃氣）與熱媒具體分析。

CCHP生産過程中的用能分析：

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能源互聯網研究現狀：

2008 年，美國國家科學基金項目資助了北卡羅萊納州立大學的黃勤教授研發的未來可再生電能傳輸與管理(the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management，FREEDM)系統，該系統支持可再生分布式能源的“即插即用”，利用能源路由器優化能源分配；另外，該系統利用固态變壓器實現分布式能源、負荷和儲能裝置的接入，利用智能配電系統軟件實現了對分布式能源、負荷和儲能裝置的管理；并設置了創新性的故障保護裝置。德國聯邦政府經濟和技術部于2008 年發起了名為“E-Energy”的技術創新促進計劃，開發了基于能量傳輸系統的信息和通信控制技術，且使用“智能電表”為系統的網絡節點提供必要信息；并推出了适用于雙向系統的ICT(Information and Communication Technology)解決方案，從而首次實現了“以産定銷”模式的實際應用。

歐盟于2011年啟動了未來智能能源互聯網(Future Internet for SmartEnergy，FINSENY)項目，旨在使未來的能源互聯網實現自動化故障修複、功率分析控制以及電網維護的功能，并為其構建改進的ICT 平台。2010年，日本開展了“智慧能源共同體”示範工程，提出了一個需求側響應能源系統，并推動了生産者與用戶間能源共同利用模式的形成，且系統中創造性地引入了智能熱能供應鍊，借以實現各建築間的熱能共享。韓國首爾市政府于2011年發布了“智慧首爾2015”計劃，期望從智能電網、雲計算、綠色交通信息化以及智能環境等方面，實現“智能綠色城市”的信息化發展目标。

結合基于多智能體的一緻算法，提出了一種應用于能源互聯網分布式電機中的新的分布式協調控制器，從而使能源互聯網能夠作為旋轉備用系統運行。

國内研究現狀：

2014 年，全球能源互聯網發展合作組織主席劉振亞提出了構建全球能源互聯網、實施清潔替代和電能替代的發展思路，期望建設以特高壓電網為骨幹網架(通道)、以輸送清潔能源為主、全球互聯的堅強智能電網。

多能源混合供能系統是由單一供能向能源互聯網發展的重要過渡，因此國内學者在多能源混合供能領域開展了較多研究。

《關于推進“互聯網 ”智慧能源發展的指導意見》發改能源〔2016〕392号，定義“互聯網 ”智慧能源（以下簡稱能源互聯網）是一種互聯網與能源生産、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源産業發展新形态，具有設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放等主要特征。在全球新一輪科技革命和産業變革中，互聯網理念、先進信息技術與能源産業深度融合，正在推動能源互聯網新技術、新模式和新業态的興起。

能源互聯網是推動我國能源革命的重要戰略支撐，對提高可再生能源比重，促進化石能源清潔高效利用，提升能源綜合效率，推動能源市場開放和産業升級，形成新的經濟增長點，提升能源國際合作水平具有重要意義。

能源互聯網的内涵：

能源互聯網基本框架：

能源互聯網由電力網絡、天然氣網絡、供熱供冷系統、分布式發電單元、儲能設備、燃氣輪機、燃料電池、鍋爐、制冷機等部分組成，支持光能、風能、天然氣、電能、熱能、冷能等不同能源間的相互轉換，實現了一次能源側的多種能源利用率最大化，滿足了用戶側的多樣性需求，并保證了配電網、供熱供冷網絡的安全、穩定運行。

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分布式發電單元：

分布式發電單元主要由風力發電、光伏發電等可再生能源發電設備組成，它是将光能、風能等清潔能源轉換為便于傳輸和利用的電能的核心裝置。

風力發電的基本原理為：風以一定的速度和攻角流過槳葉，使風輪獲得旋轉力矩而轉動，從而将風的動能轉換為機械能；而風輪通過主軸聯接齒輪箱，經齒輪箱增速後帶動發電機發電，從而将機械能轉換為電能。當前風力發電系統中主要有恒速恒頻異步發電機、變速恒頻雙饋異步發電機和變速恒頻直驅永磁同步發電機三大風力發電機型，其中變速恒頻系統能在較寬的風速範圍内保持最佳葉尖速比、最大功率點運行，是當今的主流風力發電系統。

太陽能光伏發電的原理是光伏效應：當光伏電池受到太陽光照射時，半導體内産生電子-空穴對，即“光生載流子”，将光子中的能量轉化為電子的能量；在P-N結内建電場的作用下，電子被拉向N區，空穴被驅向P區，産生與内建電場方向相反的光生電場；光生電場使勢壘降低，産生N區指向P區的光生電動勢，從而實現了光能向電能的轉換。

圖1. 能源互聯網基本框架

儲能設備：

在能源互聯網中，每一個能源網絡都配備了相應的儲能設備，可将多餘的能源存儲起來，并在必要時刻釋放存儲的能源加以利用，從而提高能源利用效率。其中，電力網絡利用電化學儲能裝置存儲電能，天然氣網絡利用儲氣設備存儲天然氣，供熱網絡和供冷網絡則分别利用蓄熱裝置以及蓄冷裝置存儲熱能和冷能。

電化學儲能又稱為蓄電池儲能，它的充放電原理如下：蓄電池充電時，利用外部的電能使電池内部活性物質再生，從而将電能轉換為化學能存儲；蓄電池放電時，電池負極發生氧化反應，正極發生還原反應，從而将存儲的化學能轉換為電能向外輸送。目前的電化學儲能裝置主要包括鉛酸電池、锂離子電池、鈉硫電池、釩液流電池、鋅空氣電池、氫鎳電池、燃料電池以及超級電容器等等。

目前的天然氣存儲方式主要包括氣态存儲以及液态存儲兩種方式。氣态存儲方式包括儲氣罐儲氣、地下儲氣庫儲氣、管道儲氣、壓縮天然氣儲氣等，其中儲氣罐儲氣有低壓儲氣罐儲氣和高壓儲氣罐儲氣兩種方式；地下儲氣庫又分為四種形式：利用枯竭油氣田地層穴儲氣、利用含水多孔地層儲氣、利用岩

鹽地穴儲氣和利用廢棄煤礦井儲氣；液态存儲方式即液化天然氣儲氣，将天然氣用低溫常壓的方法冷卻至零下162˚C 以下，從而轉化為液态天然氣存儲，能夠大幅度提升天然氣存儲量。其他新興的天然氣存儲技術還有水合物儲氣技術以及天然氣吸附儲存技術等。

儲熱技術是一種以儲熱材料為媒介，将太陽能光熱、地熱、工業餘熱、低品位廢熱等熱能儲存起來，并在需要的時候釋放的技術，主要分為顯熱儲熱、潛熱儲熱與熱化學儲熱三類。其中，顯熱儲熱是利用材料物質自身比熱容，通過溫度的變化來進行熱量的存儲與釋放；潛熱儲熱又稱為相變儲熱，它利用材料的自身相變過程吸熱、放熱來實現熱量的存儲與釋放；熱化學儲熱則利用物質間的可逆化學反應或者化學吸附反應、脫附反應的吸熱、放熱進行熱量的存儲與釋放。

蓄冷技術是一種利用蓄能介質将冷量儲蓄起來，并在用戶需求高峰期時将冷量釋放的技術，包括水蓄冷技術、冰蓄冷技術以及化合物蓄冷技術等等。其中水蓄冷技術屬于顯熱蓄冷技術，包括多槽混和連接式(迷宮式)、多槽分層連接式、溫差分層式、移動布水分層式四種；冰蓄冷技術屬于相變潛熱蓄冷技術，它經曆了由靜态冰蓄冷到動态冰蓄冷的發展過程；化合物蓄冷技術目前還未成熟，實際應用較少。

燃氣輪機：

燃氣輪機是一種旋轉式熱力發動機，它以連續流動的燃氣為工質，能夠将燃料的化學能轉變為轉子機械能。燃氣輪機由壓氣機、燃燒室、燃氣透平三個主要部分組成。燃機輪機常用于驅動發電機，構成燃氣輪機發電機組，以将天然氣的化學能轉換為電能。其工作原理如下：空氣進入壓氣機，經過逐級壓縮進入燃燒室，與噴入的天然氣混合燃燒，産生高溫燃氣；然後燃氣進入透平中做功，推動燃氣透平葉輪轉動的同時帶動發電機旋轉發電；燃氣經燃燒、做功後産生的高溫排氣可通過換熱設備放熱以回收利用部分餘熱。

燃料電池：

燃料電池由正負電極以及電解質組成，是一種将化學能轉化為電能的發電裝置，其轉化過程是一種不經過燃燒的電化學反應：當燃料電池處于工作狀态時，燃料輸入到陽極，并在電極和電解質的界面上發生燃料氧化與氧氣還原的電化學反應，産生電流，輸出電能。燃料電池包括堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池等。

鍋爐：

電鍋爐是将電能轉換為熱能，使水加熱以産生具有一定溫度的熱水或一定壓力的蒸汽的電熱裝置。

電鍋爐的工作原理是：首先由大功率電熱元件通電發熱，将電能轉換為熱能；或是由電磁感應元件先将電能轉換為電磁能，再将電磁能轉換為熱能；其次利用熱交換元件直接或間接地将傳熱媒介(如水)加熱，産生熱水或蒸汽。電鍋爐的分類方式很多，但最基本的分類方法是：按照電熱原理和電熱元件不同，電熱鍋爐可分為電熱管電熱鍋爐、電熱棒電熱鍋爐、電熱闆電熱鍋爐、電極式電熱鍋爐、感應式電熱鍋爐等五大類。

燃氣鍋爐是以天然氣為燃料，将天然氣内部的化學能轉換為熱能的供熱裝置。其供熱原理為：冷水由進水閥進入鍋爐，經過内部燃燒室燃氣燃燒加熱後産生熱水，熱水通過循環水泵送入采暖散熱器，通過輻射和對流換熱來供暖；回水重新進入鍋爐裡面進行加熱，然後重新流入散熱器，如此循環往複的進行。

制冷機：

制冷機是一種能夠将具有較低溫度的被冷卻物體的熱量轉移給環境介質從而獲得冷量的機器，常見的制冷機包括壓縮式制冷機、吸收式制冷機、蒸汽噴射式制冷機，半導體制冷等。

空調是一種典型的壓縮式制冷機，空調制冷技術能夠實現電能向冷能的轉換。當前我國應用最為廣泛的空調主要有熱泵型空調器和電輔熱泵型空調器兩種類型，制冷原理均為循環逆卡諾原理：在空氣源熱泵技術的制冷過程中，通過自身收集熱量效率高的特點，将低溫熱源集中并整合形成高溫熱源。當空調處于制熱模式下時，室内是制熱，室外是制冷；而當空調處于制冷模式下時，室内是制冷，室外是制熱。目前的主流制冷劑仍然依靠人工合成的氟氯昂和一些碳氫化合物作為制冷劑原料，容易對臭氧層造成破壞。

吸收式制冷機組依靠吸收器–發生器組的作用完成制冷循環，采用二元溶液作為工質，其中低沸點組分用作制冷劑，利用它的蒸發來制冷；高沸點的組分用作吸收劑，利用它對制冷劑蒸汽的吸收作用來完成工作循環。常用的吸收式制冷機包括氨水吸收式制冷機和溴化锂吸收式制冷機兩種。

P2G 技術：

P2G 技術是一種将電能轉換為氣體中蘊含的化學能的技術。P2G 技術的原理為：首先通過電解水産生氫氣和氧氣，從而将電能轉換為氫能；再将生成的氫氣進一步和二氧化碳結合，催化産生甲烷，從而将氫能轉換為甲烷含有的化學能。甲烷是天然氣最重要的成分，可以以一定的配比生成混合氣體注入天然氣網絡進行運輸或存儲。P2G 技術的出現加強了電氣網絡和天然氣網絡的耦合，實現了能量由電氣網絡向天然氣網絡的流動。

能源互聯網的關鍵技術：

能源互聯網與傳統能源區别：

分布式能源對能源互聯網的作用：

第一步對現有電網進行改造，适應分布式能源接入；

第二步将現有分布式能源接入，實現推廣前的初步探索，包括在輸配、交易、效率等領域的提升；

第三步全面推廣，将分布式能源大量推廣并接入電網，推動能源互聯網最終成型。

發展能源互聯網是解決當今世界的能源短缺以及環境污染問題的必然趨勢。能源互聯網由電氣系統、天然氣網絡、供熱供冷系統、交通系統等耦合而成，結合了互聯網技術、可再生能源技術等現代技術，是對智能電網的進一步發展和深化。

本文來源于互聯網，素材及數據調用原作者：周升彧，胡林獻；樓可炜。暖通南社整理編輯。

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