摘要：分布式能源系统位于或临近负荷中心，不以大规模、远距离输送电力为主要目的，是建立在能量梯级利用概念基础上的一种先进供能系统。在分布式能源系统中，可再生能源与化石能源可以通过不同形式在发电、供热和制冷等不同环节得到互补利用，由此实现能源综合梯级利用、高效转换和大幅度节能，兼具高效、环保、经济、可靠和灵活等特点。基于此，本篇文章对分布式能源中的基础科学问题进行研究，以供参考。
关键词：分布式能源；基础科学；问题研究
引言
分布式能源系统具有燃料多元化的特点，不仅可以采用天然气、氢气为燃料，还可以利用太阳能、生物质等可再生能源，实现其就地生产、就地消纳。与可再生能源结合的多能源互补的分布式能源系统处于能源可持续发展前沿，是我国实现能源可持续发展的必由之路。
一、分布式能源及储能系统的战略意义
目前全球能源生产和利用格局正在发生深刻的历史性变革，能源低碳化利用、可再生能源为主体能源以及多能互补的能源体系成为各国重点发展和攻关方向。据预测，至２０４０年可再生能源在一次能源中的占比将由目前的４％增加至约１５％。以天然气和可再生能源为主要能量来源的分布式能源系统，将冷、热、电系统以小规模、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能，该能源系统具有以下优点：直接面向当地用户需求、供能系统为中小容量、包含多种能源输入形式、满足用户多种能量需求。分布式能源系统是对集中式供能系统的有力补充，同时为能源的综合梯级利用提供了可能，实现了能量利用率的提高，也为可再生能源的利用开辟了新的方向，在能源体系中占据重要地位。
二、我国分布式能源系统的发展机遇与挑战
与欧美各国相比，我国分布式能源起步较晚。２００２年，分布式能源概念首次被引入我国。２００４年，《国家发展改革委关于分布式能源系统有关问题的报告》中对分布式能源的概念、特征、发展重点等做了较为详细的描述，明确了我国分布式能源的发展方向。２０１１年，国家能源局与财政部、住建部和国家发展改革委联合下发《关于发展天然气分布式能源发展的指导意见》，对发展天然气分布式能源的重要性、目标、政策及有关措施作了全面阐述。２０１３年，国家发展改革委印发《分布式发电管理暂行办法》，对分布式发电的管理予以规范。《２０１４年国务院政府工作报告》中首次提出“发展智能电网和分布式能源”，将发展分布式能源提升到国家战略高度。２０１７年《关于加快推进天然气利用的意见》和《关于可再生能源发展“十三五”规划实施的指导意见》等政策陆续出台，为大规模推广应用分布式能源创造了条件。随着国家对分布式能源重视程度的逐年增加，以及支持力度不断走向实用化，我国分布式能源迎来了良好的发展机遇。
三、分布式能源系统研究主要进展
（一）分布式能源系统先进热力循环
有机朗肯循环是一种利用中低品位热能循环发电并同时产热的技术。基于有机朗肯循环的分布式能源系统不仅可化解过剩产能，还可利用可再生能源发电，现已成为研究分布式能源系统的主要方向之一。有机朗肯循环的基本原理与常规的朗肯循环类似，两者最大的区别是有机朗肯循环的工质是低沸点、高蒸汽压的有机工质，而不是水。工质的选取是有机朗肯循环中的关键技术。我国研究人员已发现Ｒ２２７ｅａ是中低温地热发电有机朗肯循环较理想的工质；对于低温烟气热源（低于１５０℃）有机朗肯循环发电系统，Ｒ２４５ｆａ比其他工质更优；热源为高温烟气（１９０℃）时，Ｒ６０１ａ相对较优，但因其高度可燃，仍需寻找更优的工质；苯、甲苯和环己烷适用于２５０℃和３００℃两种热源温度驱动的有机朗肯循环系统。
（二）分布式能源中储热技术的关键科学问题
储热系统是分布式能源高效运行、实现能量综合梯级利用的关键环节。而影响储热系统性能的关键因素，包括三个方面：（１）储热材料方面，具有高储热密度、高传热性能，便于减小设备体积、降低成本；（２）储热器设计方面，具有高热量储存和释放速率，便于实现热量的快速存储和释放，满足分布式能源系统高灵活性的需求；（３）储热系统优化方面，储热系统必须能与供能及用能侧合理匹配，实现能量的高品质梯级利用。因此，高效储热技术，必须具备高储热密度、高储热速率和高储热品质。但是，目前从储热材料、储热器结构和储热系统等方面来看，还存在诸多待解决的关键问题：（１）在储热材料方面，储热材料导热性能差，储热密度有待提升，同时影响储热材料性能的因素较多，性能预测难，调控效果差；（２）在储热器结构方面，目前储热装置多为简单套管式结构，结构单一，传热性能差，同时储放热过程存在着强烈的非线性特征，导致性能预测困难，设计难度大；（３）在储热系统与电侧耦合方面，微网电力系统的电力响应通常为毫秒级瞬态响应，储热系统的热力响应通常为分钟级延迟响应，不同量级的时间常数使得实时微网负荷下储热系统的动态响应特性更加复杂。
四、分布式能源系统的未来发展趋势
（一）受节能减排政策的影响，能源供应由传统能源驱动向可再生能源驱动转变。
传统分布式能源系统多是化石能源间的互补，存在燃料燃烧过程损失大等问题，而目前可再生能源效率低、成本高、大规模利用困难等问题仍难以解决，二者集成则可以实现双赢，成为新的发展方向。多能互补和储能技术分别是传统能源转换和解决可再生能源间歇性的重要研究方向。
（二）在能源需求方面更加多元化
传统固定应用的冷、热、电负荷波动特性较为稳定，负荷预测技术成熟。但由于移动应用（电动、氢／混合动力汽车，车载应急电源、可移动冷—热—电联供）及化工原料需求的增加，负荷波动加剧，需求倾向于多元化。因此，对多能互补分布式能源系统不稳定性、可再生能源的输入及用户负荷的精准预测和评估成为了设计多能互补分布式能源系统的前提。
（三）在能量转化方面，能量传递与转化过程更加新颖、复杂和多向。
储能实现能量跨时间的传递，智能电网集中式与分布式跨空间的能量传递，传递方向趋于多向互动；考虑到内燃机、燃气轮机等热功转换系统热功转换效率随系统容量减小而降低，由热功转化向包括光电转化、化学能改质、电化学转化等的更多能量转化形式转变是未来的发展方向。电化学过程、热化学过程、热声转化过程等使得分布式系统更加高效环保。目前质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等电化学转化设备已经初步实现商业化。
结束语
我国可再生能源在能源系统中的占比不断增加、各类新型单元技术的快速发展，迫切需要深入探究分布式能源中的基础科学问题，把握分布式能源的未来发展前沿及趋势，实现多学科、多角度、多领域深度交叉，促进可再生能源在分布式能源系统中的应用，进而推动能源利用技术的进步和能源领域研究的发展。通过充分而深入的研讨，以期为分布式能源系统发展提供科学和技术支撑，力争对促进和推动我国能源技术革命以及保障我国经济社会的可持续发展产生积极意义。
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