引言

隨著我國社會的快速發展和人民生活水平的提高，各行各業對能源的需求越來越大，對能源供應的品質要求也越來越高。而傳統化石能源大規模使用帶來的環境污染和全球氣候變暖的壓力也日益加大，且隨著全球能源需求的不斷增長，化石能源還將面臨短缺和枯竭的問題。為了滿足能源可持續發展的目標，可再生能源的開發利用已逐漸成為當前能源領域的研究熱點和重要發展方向。

可再生能源，如太陽能、風能、地熱能和生物質能等，一方面具有綠色環保、取之不盡的優點，另一方面也存在著波動較大、隨機性強的弊端。在近期技術水平條件下，單一采用某一種可再生能源供能會在發電并網和滿足用戶負荷需求等方面遇到諸多挑戰。而采用多能互補的方式，可以根據供應側的資源條件和需求側的用能特性，采取多種能源相互補充的方式，因地制宜、綜合利用，使各種能源種類間形成良性互動，取長補短，彌補單一能源供應方式的不足，促進能源的清潔高效、安全可靠生產和供應。

多能互補包含兩層含義，即不同種類能源的互補利用（如化石能源和可再生能源互補），或一種類能源的不同形式的互補利用（如化石能源的煤和天然氣互補，可再生能源的風能和太陽能互補等）。另外，還可以根據互補效果，分為時間互補、熱互補和熱化學互補三類。多能互補是分布式能源發展的重要方式，本文基于互補效果分類，對目前正在應用和研究發展的多能互補技術進行綜述，以期對分布式能源的發展提供參考意見。

多能源互補利用技術

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時間互補

（1）風光互補

可再生能源一般都具有周期性變化的特點，如對于我國的太陽能和風能資源，冬季風大、太陽輻照強度小，夏季風小、太陽能輻照強度大，二者在時間上存在著天然的互補性。將風能與太陽能光伏進行互補，不僅可以提高電能輸出的安全可靠性，降低對電網系統的不利影響，還可以共用輸電設備，提高電網通道容量的使用率，降低通道建設成本。風光互補發電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏板陣列、控制器、蓄電池、逆變器等部分組成。根據當地資源條件，合理配置光伏電池組和風力發電機組的發電量配比，是進一步優化電能輸出質量的關鍵。對于終端型的供能系統，尤其是農村或偏遠山村，風資源和太陽能資源都較好時，風能與太陽能互補運行也是解決該地區供電問題的有效途徑。目前，風光互補發電系統在微小型發電設備上已有廣泛應用，如給通信基站、路燈、LED顯示屏等設備供電。

（2）風光水互補

風光水互補充分利用常規水電日調節以上的調節能力，把風電或光伏發電或二者一起產能轉化為水庫蓄水的勢能，并在時間上進行重新分配。風光水互補發電系統不需要配備蓄電池，就可以實現穩定地發電供電。風能和太陽能除了能與水電站進行互補運行外，還能以風光互補抽水蓄能電站的形式進行開發利用。其主體設備有風力發電機、光伏電池、逆變器、抽水機、蓄水池（上調節池）、補充水源（下調節池）、水輪發電機組等。風光互補抽水蓄能電站憑借其高效率的儲能和快速反應能力，可以有效解決風能和太陽能能量密度低、出力不穩定的問題，同時對水資源的要求也不至于過高。在大型風電或光伏基地配套建設一定規模的抽水蓄能電站，既可以提高太陽能、風能的利用率，同時又減小送電規模，節省輸變電工程投資。對于風電而言，經計算分析，按風電輸送規模配置30%左右的抽水蓄能電站是經濟合理的。

（3）風能-天然氣互補

可再生能源隨時間的波動除了采用不同可再生能源之間的互補運行來減弱以外，還可以通過與化石燃料進行互補利用的方式來進行調節。與風電、太陽能等可再生能源相適應的化石燃料互補發電設備要求具備較低的發電成本、適當的單機容量和較高的部分負荷效率。在現有技術條件下，比較可行的常規發電設備是以天然氣為燃料的燃料輪機和內燃機，組成的系統可以稱之為風能（或光伏）-天然氣互補供能系統。對于這類互補供能系統（以風能-天然氣為例），首先要研究當地的風能資源以確定風場裝機和互補發電設備容量的合理比例和優化。另外，還要考慮如何提高互補系統的運行經濟性，主要的關鍵技術包括風電場短期風速預估和非線性隨機優化調度等。

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熱互補

（1）太陽能-地熱能互補

雖然太陽能到達地球表面的輻射總量很大，但是能流密度較低，為了滿足一定規模的發電量，集熱系統占地面積大，成本高；且受太陽輻照強度變化的影響，系統發電不穩定。地熱能的單獨持續開發也會造成地熱資源品質過快降低，導致熱效率不斷下降。將太陽能和地熱能進行聯合開發，就能有效改善電站熱力性能，提高發電效率，降低太陽能發電成本。且在我國干熱巖地熱資源較好的西部地區，太陽輻照強度大，具備較好的互補條件。太陽能-地熱能互補發電的方式主要分為兩種，第一種是在已有的地熱發電系統中，增加太陽能集熱裝置，用于提高蒸汽產量或蒸汽溫度，增加系統的發電量；或者在發電量不變的條件下，降低地熱水的質量流量，從而延長地熱儲層的使用壽命。第二種是以太陽能發電系統為主，地熱水通過換熱器預熱進入太陽能集熱器的循環工質。根據太陽能和地熱資源的不同，基于“溫度對口，梯級利用”的原則靈活選擇不同的互補集成方式。

（2）太陽能-生物質能熱互補

與太陽能或風能等其他種類可再生能源相比，生物質能是一種少有的以實物形態存在的可再生能源，具有易于貯存和運輸的特點。發展至今，生物質熱發電技術在我國已是一項十分成熟的技術。太陽能獨立熱發電技術在當前技術條件下，存在著投資成本較高，年均發電效率較低的問題。將生物質能與太陽能進行互補并用于發電，不僅可以有效解決太陽能利用不穩定的問題，降低開發利用太陽能熱發電的技術和經濟風險，還可以節省生物質燃料、保障生物質資源的供應。整個互補系統主要由生物質循環流化床鍋爐、太陽能集熱器和汽輪機發電機組三部分構成。在太陽輻照充足時，采用生物質循環流化床鍋爐和太陽能集熱器聯合運行的模式；在沒有太陽輻照或不足時，由生物質鍋爐單獨提供蒸汽推動汽輪機發電。可見，太陽能和生物質能不僅有熱互補的效果，也有時間上的互補。與生物質熱互補的太陽能熱發電系統有槽式、塔式、槽-塔結合三種方式。

（3）太陽能-化石燃料熱互補

將太陽能和常規化石能源互補，借助傳統電站的熱功轉換部件，實現“借雞生蛋”，也能有效降低太陽能熱發電的投資成本。而且，當太陽能不足時，互補系統仍然可以通過消耗化石燃料，滿足基本符合需求，從而降低大規模利用太陽能熱發電的技術和經濟風險。按照化石燃料種類的不同，太陽能熱互補發電系統主要分為太陽能與天然氣互補發電系統、太陽能與煤互補發電系統。國際上研究較多的是太陽能與天然氣的熱互補發電，根據集成的主要熱力循環的不同可分為天然氣簡單補燃的太陽能蒸汽朗肯循環、太陽能空氣布雷頓循環和太陽能互補的燃氣-蒸汽聯合循環。由于我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源特點，發展太陽能和煤的互補發電系統更符合我國國情。光煤互補發電技術主要用于蒸汽朗肯循環中，利用槽式或線性菲涅爾聚光集熱器產生中低溫太陽熱能，用來替代部分抽汽加熱鍋爐給水或直接產生蒸汽，從而減少汽輪機回熱抽氣量，增加電站出功，或者降低煤耗和污染物排放。光煤互補發電系統可以借助高容量高參數汽輪機提高太陽能熱發電的效率，還能根據實際需要通過改變互補的局部結構使系統分別處于增大出功模式和節省燃料模式，且在輻照不足時可以通過調節抽汽流量維持系統穩定運行，具有較好的應用前景。

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熱化學互補

熱化學互補的特點在于通過吸熱型熱化學反應將熱能轉化為化學能，然后通過燃燒發電或多聯產等方式加以利用。熱化學互補技術主要是為了解決單獨太陽能熱發電技術間歇性、不穩定、成本高、系統熱效率低等問題而發展起來的。通過將聚集的太陽能轉化為燃料的化學能，可以實現太陽能的蓄存和高效發電；同時產生的太陽能燃料還可以實現遠距離輸送，實現太陽能資源的地區性轉移。

（1）太陽能熱分解水

太陽能熱分解水主要分為直接熱分解水和熱化學循環分解水兩種形式。直接熱分解需要低壓高溫的環境才能提高水的分解率，在溫度和壓力分別為2225℃、0.05巴時，大約有25%的水發生分解。該技術雖然原理簡單，但由于受到耐高溫材料和產物分離等問題的限制，目前距離實際應用還有很多難題需要突破。熱化學循環分解水將水的分解過程分為多步進行，將反應溫度降至600~950℃，提高了技術的可行性，且能夠實現產物的自然分離。目前存在的問題包括集熱溫度高、制氫效率較低、反應器加工難度大等，因此也還是以實驗研究為主。

（2）太陽能與天然氣熱化學互補

太陽能與天然氣的互補利用一般通過天然氣重整和裂解熱化學反應進行。天然氣的熱化學重整主要是甲烷與水蒸汽或CO2之間的催化反應，產物為合成氣（即CO和H2的混合物），反應溫度為850~1200℃，需要采用塔式太陽能集熱器提供反應熱。聚光太陽能驅動的甲烷重整反應的反應溫度相比于甲烷裂解反應低200℃左右，且反應器的規模也更大。甲烷重整反應產生的合成氣存儲著太陽能，可借助燃氣輪機或燃氣-蒸汽聯合循環燃燒發電，有效降低CO2排放；另外，產生的合成氣還可以轉換為其他類型的液體燃料或化工原料，如甲醇和二甲醚等。

（3）太陽能與生物質能熱化學互補

太陽能聚光集熱為生物質的氣化過程提供反應熱，從而實現二者的互補利用。根據生物質氣化反應溫度和規模化生產的要求，需要采用塔式太陽能集熱鏡場聚焦產生800~1200℃的高溫熱來驅動氣化反應，根據“化學能與物理能的綜合梯級利用”原理，產生的合成氣先用于生產甲醇等化工原料，未反應氣作為燃氣-蒸汽聯合循環的燃料用于發電，從而實現化工-動力多聯產。目前，太陽能與生物質能熱化學互補的難點在于吸收/反應器中太陽能集熱過程和生物質氣化過程的耦合，包括直接輻射加熱和間接輻射加熱兩種方式。

（4）太陽能與替代燃料熱化學互補

前面所述的三種太陽能熱化學互補技術均要求較高的太陽能集熱溫度，需要采用塔式、碟式等成本較高的太陽能集熱方式。國內有研究學者開展了中低溫太陽能熱化學的研究工作，利用技術成熟、成本較低的槽式聚光集熱器聚集大約300℃的太陽能熱，驅動甲醇或二甲醚等替代燃料的重整和裂解反應。甲醇燃料在太陽能中低溫熱的驅動下，在一體化吸收/反應器中催化裂解為CO和H2組成的合成氣，合成氣作為燃料進入燃氣-蒸汽聯合循環發電。有研究表明，集熱溫度為220~250℃的中低溫太陽能與甲醇互補的熱化學發電系統中，太陽能熱發電效率可以達到35%，太陽能份額占到了18%。

結語

多能互補因地制宜，根據不同可再生能源和化石能源的特點，對多種能源進行綜合利用、形成互補，從而提高能源供應的品質和效率，達到節能減排和綠色低碳的效果。時間互補根據能源間不同的波動特性和調節能力，將能源供應從時間角度進行互補利用和重新分配；熱互補主要是通過將不同熱能根據“溫度對口，梯級利用”的原則注入到熱力循環中的適當位置，達到提高能源轉換效率或時間互補的效果；熱化學互補則是選取合適的吸熱化學反應，將熱能轉換為燃料的化學能，從而提高能源轉換效率，還可實現太陽能等可再生能源的蓄存和轉運。

目前能夠應用在實際工程中的技術主要還是采用時間互補和熱互補的方式。熱化學互補由于涉及到集/吸熱與熱化學反應耦合的復雜過程，以及耐高溫材料等方面的問題，現階段仍然以理論分析和實驗研究為主。多種能源時間互補的關鍵技術主要有容量優化匹配、機組變工況特性、可再生能源短期預測以及優化調度與控制。熱互補與熱化學互補主要涉及基于“能的綜合梯級利用”和品位耦合的系統集成，熱傳遞和熱控技術等。

發展和應用多能互補綜合能源系統有利用促進可再生能源消納，優化能源結構和提高能源系統綜合效率。明確多能互補技術實現方式和特點，因地制宜，按需定制，協同發展，綜合利用，對建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系具有重要的現實意義和深遠的戰略意義。

作者：陳宜

來源：本文刊登在中國城市燃氣協會分布式能源專業委員會主辦的刊物《分布式能源》總第19期，轉載請注明出處。