1 微型热电联产的机遇
热电联产是一项成熟的技术，它能高效地使用能源从而减少用户的能源开支和对环境的排放量。热电联产的优点已得到广泛的认可，该技术也已被广泛使用，它的工作方式是利用发电过程中产生的热而不是将它排入大气，这使燃料的有用能大大地增加，热电联产电站与英国煤电站相比，燃料中有用能的比例从35%上升至85-90%。英国政府和欧洲委员会都已认识到热电联产的优势并已将扩大热电联产能力作为他们降低二氧化碳的对策中一个关键部分。这一点在一个政府提出的2010年前达到10gwe热电联产能力的目标和欧盟提出的在2010年前从热电联产中获得18%电力的目标中反映出来。这些雄心勃勃的指标需要有两倍的全欧生产能力。
热电联产的关键问题是电站的热输出要与当地的热需求相当，热需求的变化从几百mw到几十kw不等，而且一般来说在这范围内都可以有相应的热电联产系统，然而在英国，市场几乎完全受限于那些需要50kwe以上电力并且全年的电力与热能需求相匹配的地区。
这一限制是热电联产的经济因素作用的结果，所有权的成本很大程度上是固定的，而节省额是与运行的小时数成比例，具有给定的效率、大小和投资额（所有由使用的发电技术决定的因素，如燃气、引擎、燃气涡轮）的系统需要最少的运行小时数以使他们本身的投资合理化。在英国，超过100kwe的设备每年最少运行时间大约为4500hr；低于100kwe的则很少有设备具有经济效益，这对热电联产在市场的发展带来很大的障碍。
在英国用于家庭季节性取暖的热量为总供热量的40%，每年为此所供应的热量约480twh，但由于英国每年取暖时间少于3500小时，致使这一市场被排除在传统的热电联产之外，不过这并不排除家用热电联产(或微型热电联产)。所需要的是一项比现有系统投资低、运行成本低的技术以及一定的市场，而这也是有可能的。这份报告分析了英国燃气技术与研究中心为确立这种产品的可行性而开展的研究工作。
2 英国燃气技术与研究中心的微型热电联产
英国燃气技术与研究中心的微型热电联产方案中对以下几点作了论述：对最佳的系统特性的确认；对大多数合适的原动机技术的选择；对这一概念的阐述以及对广泛使用微型热电联产的意义的综述。这些活动将在以下作详细的分析。
2.1 住宅内热电联产的模拟
英国燃气技术与研究中心在英国15个有代表性的家庭里安装了能源监测装置以研究家庭能源的使用情况。在两年多的时间里监测装置每隔一分钟收集一次热和电力需求的数据，开发了一项运用这些能源需求数据的微型热电联产系统的计算机模拟，它可以使我们更好地了解民用市场上的微型热电联产设备的最佳特性。
对电力需求数据的研究使我们有重大的发现，虽然一个家庭的电力需求曲线上有许多峰值，但分析表明，满足峰值时的电力需求几乎没有任何经济价值。
尽管按典型的需求量来看，存在6kwe以上的峰值负荷，但这些峰值的持续时间很短，因此在这些水平上使用的能源数量实际上是相当低的，70%的用户电力消耗量低于1kwe就可以说明这一点。从理论上说，这一部分的电力需求可以由一部1kwe的发电机来满足。当超过1kwe时，通过增加电输出而获得的节约大幅度下降，因此使用大于1kwe的引擎几乎无经济优势可言。许多用户的电力需求数据的另一个特点是一般在夜晚和空闲时段里电力需求低于100w，而这时没有明显和持续的负载，许多发电机在技术上有最小功率的限额，这意味着任何低于这个限额的负载是无法满足的，这一点将减少由微型热电联产提供的电力的份额。
为了进一步理解微型热电联产的潜能，必须将电力和热的需求分布结合起来分析，英国燃气技术与研究中心已采用了一项用先进技术的模型化方法来监测受监测的用户全年内的瞬时热电需求，以此来模拟微型热电联产系统的运行。
要节约能源和成本，最理想的情况是热能和电力的同时需求，而且最好其比率与现有的发电机技术的输出相匹配。然而住宅的能源需求很少能符合这一要求，我们面临的挑战是优化系统的特性来最大限度地满足绝大部分时间内的需求，用户多余的部分电力可以用于水加热或通过网输给其它用户，从装置输出的热能则不那么能变通。这样做在经济上既不可行，倾泄热量对环境也不利，而且将热能输送到其它用户也毫无实际意义。因此在模拟中，发电机的运行是取决于住宅的热需求。假定电力输出的变化与热能输出成比例，那么电效率和总效率在系统输出变化时是恒定的。对一系列的受监测住宅的模拟表明，由微型热电联产装置提供大约30-75%的住宅电力需求量是现实的，而且具体能达到的水平取决于住宅的许多因素，诸如采用的加热方式，隔热和所使用器具的标准及使用，在夏季的几个月内的运行主要限于满足家庭对热水的需求。
对监测到的数据作详细分析可以确认，一套在英国家庭的微型热电联产系统应提供500-1000we的电力输出，该系统必须与主要的电力供应网同时运行，而后者将用来满足高峰的需求，同时系统也必须能够调节到满足较低的电力需求，引擎则需要提供高于15%(粗略)的电效率来达到与典型的住宅相匹配的热电比例。而该系统只能提供最大值为5kwh的热能，因此可能需要辅助加热器来满足高峰的热需求。
用于测量能源需求的系统模拟化证实在上述要求及英国目前的能源价格的条件下每年可节约150-250英镑。这一用户的收益水平已用作确定用户对这样一个装置所能承受的最高价格，这就要求该系统的成本只能比替换集中供热锅炉高出600多英镑，这样才能保证在3年内偿还用户，如果想通过大规模生产来最大限度地降低投资成本，那么较长的偿还期限则不大容易引起大量用户的兴趣。
燃气技术与研究中心也曾研究过通过使用辅助技术如热储存、电力储存及住宅内电力需求管理等最大幅度地实现微型热电联产收益的可能性。所有这些技术都为填平能源需求量提供了可能，从而提高了微型热电联产系统的使用效果，热储存还可以在系统设计及其控制上加以简化。通过降低峰值时的热需求可以避免使用辅助加热设备。而且通过将供热和热需求分开，可使系统因不需调节输出而连续工作。对具有以1m3水的储热容量的微型热电联产系统的运行模拟和不具备热储存能力的系统在同一天的运行进行了模拟。
从数据可以看出热储存的优点。从发电机的热输出来看，当系统包括热储存时原动机的运行时间相当长。较长的操作时间可以产生更多的电力，而且既不需要作输出调节，也无需辅助加热，而对于不具有储存的系统必须具有这两点。当然，这些由热储存带来的优点是用来增加成本和储存空间来权衡。
2.2 微型热电联产成套设备的要求
配置微型热电联产成套设备可有很多方式，例如它可以作为一套附加系统与现有的锅炉共同运行。然而，就英国的情况而言，如果哪一种配置可以直接取代集中供热锅炉，那么它就具有最大的市场潜力，这种设备可以直接进入锅炉这个大市场，仅仅在英国，1997年锅炉的总销售量(新的、维修及更新)达1.1×106套。整套设备能够实现一般锅炉所具有的所有功能，并且还有电力输出的功能。然而，以锅炉更新市场为目标引进了一些极具挑战性的要求，对于现代的住宅来说，用来放置器具的空间非常宝贵。许多现代化的锅炉安装在厨房或应用房间的墙上，而微型热电联产装置也必须适宜地安装在这一位置上，该设备所要占据的空间不能比现有锅炉的更大。安装在墙上的方式也提出了对设备重量和产生振动的限制，必须对噪音进行控制－这种设备应该与安装的其它连续运行设备，如冷冻机一样安静。
投资是另一重要因素，用户很少会完全按经济分析的方式来作出投资决定，这一点在涉及能源效率时的投资尤为明显，冷凝式锅炉在英国市场反映平淡就是很好的例子。因此即使投资可以在设备使用寿命内轻易收回，对微型热电联产设备作大量的投资也是无法接受的。
对商业化的热电联产设备而言，通常会有专业的维护人员在现场进行日常工作，这对大型设备来说，用户们似乎不会愿意支付比现有的集中供热锅炉更高的年度维护费用，对于这些因素的考虑，这种发电机必须终身保修。
能够在电源中断时提供备用电是微型热电联产设备的一大优点。在整套设备中加入这一功能具有技术和经济上的意义。出于安全的原因，如果微型热电联产设备在停电期间供电时，必须将住宅电源总线与电网断开，同时要有在电网供电中断时能自行启动的设备。并且尽管住宅有热需求，在停电期间应将引擎发出的热量散逸出去。处于备用期间时，系统会从热切换到紧急状态，这是电力的需求成为首位。
2.3 发电机技术综述
微型热电联产系统的关键部件是原动机，在得出了有关系统整体要求的结论后，英国燃气技术与研究中心又开展了一项对可以满足这些要求的发电技术进行了广泛的调研工作。对所有可能适合应用的技术都作了分析，其中包括燃料电池、内燃机、燃气轮机、斯特林引擎、热电发动机、热离子发电机和热光电发电机。但发现没有一项现成的技术能完全符合这些要求的。
假如在已有的技术没有一项合适，那么我们所要作的是确定哪项技术能在中、短期内以可以接受的开发作出判断。英国燃气技术与研究中心拥有许多发电机技术的第一手技术，并且完全有能力进行这项工作。研究结果表明，目前斯特林引擎是最好的选择，至于其它技术如燃料电池可能会成为仅次于斯特林引擎的选择方案。
斯特林引擎的引擎具有一系列的优点，，特别适合应用于微型热电联产，它的热力循环效率高，尽管这在实际情况下并不完全能转化为高效率。他们是一些外部燃烧装置，引擎内有密封的工作液，与燃烧过程隔离。从理论上说，气密性的密封装置有可能不需要维护。在实际情况中，由于发动机内有密封物，无论是用于冷却还是润滑的油脂最终都会流到炙热的表面，从而污损并影响热交换器工作。对于大部分斯特林引擎强迫使用干轴承或干密封来密封，这样的轴承和密封很难达到应用中维护时间间隔较长的要求。
斯特林引擎的类型较多，每种都有其优点和缺点。许多公司诸如著名的美国太阳能公司和stc公司正在开发其中一种称为线性自由活塞斯特林引擎(lfpse)的引擎。引擎内活塞的移动和排出器是同轴的，没有曲柄和较大的侧向力。这意味着空气轴承或弯曲弹簧上可以承受运动部件，也就避免了许多与干燥润滑有关的问题，从而降低了磨损。在设计上不采用常规的机械轴承也可以减少噪音。已证实线性自由活塞斯特林引擎能提供15%以上的电效率，并可长期气密性密封，无需太多维护；它的另一优点是它属于一种谐振装置，输出频率是固定的，这使它处于备用模式时无需进行复杂和昂贵的控制来产生固定的频率。
英国燃气技术与研究中心在做了综合分析后，决定将线性自由活塞斯特林引擎作为微型热电联产方案的基础。
2.4 微型热电联产示范设备
进行技术分析后，英国燃气技术与研究中心在线性自由活塞斯特林引擎的基础上建立了一个运行示范器。设计它的目的是说明前面提到的微型热电联产系统的基本特性。微型热电联产设备采用一种早期的线性自由活塞斯特林引擎，功能齐全并自备电源。它的开停车工序全部自动化，当引擎在运行时，整套设备自动控制引擎的温度和电压，整套设备安装在一般用于悬挂家用燃气锅炉的墙内侧中。
图1所示为示范装置的流程示意图，线性自由活塞斯特林引擎由一个预混合带辅助风扇的天然气燃烧器加热。有两种不同尺寸的燃气喷嘴，可以由控制系统来选择。它提供了高低不同的加热速率，由引擎加热器头温度控制来选择。引擎的冷却由一个封闭的环路收回循环完成，它包括两个水－空气散热器、一个辅助加热器和一个废气热交换器。通过将引擎封闭振动调谐罩内来得到引擎的固定频率，这样能使振动传递降低5000倍。
图1
引擎的电输出通过整流器与系统电源和电池相连；通过电子开关与电阻组相连。该系统的作用是对引擎电压进行控制。引擎输出的电在启动时为零，随着加热器顶端温度上升而增加，一旦达到正常运行状态后，输出功率会随加热器顶端温度高低而在最大值上下波动。不管引擎功率如何变化，可通过将过剩电能卸载至电阻组使引擎电压保持稳定。一旦引擎功率足以维持负载，电池在启动时失去的电能可由电池充电电路重新充足。
微型热电联产自1997年起已开始运行，并且在证明微型热电联产的原理方面非常成功。
3 对住宅能源需求的影响
微型热电联产设备将用于发电的一次能源使用从中央电站转向家庭，这对电网提供电力的需求降低，而对供给家庭的天然气需求有所增加，图2所示为英国燃气技术与研究中心对家庭不同的燃气和电力负荷提供方式产生的影响作的分析。
依据住宅能源需求的特点―年度热量与电力需求的比例绘出了不同住宅能源需求的百分比变化。在所有情况下，燃气需求都上升了约10%。然而，在较高的热电需求比例下，住宅被取代的电力需求则更大，这是低热需求住宅进行热量限制操作发生率较高的结果。因此，那些具有较高热电需求比例的住宅可以获得最高百分比的电力节省额。
图2 微型热电联产对家用能源需求的影响
研究表明，广泛采用微型热电联产可能会对家用的能源使用产生重大影响。而民用领域对电力和燃气工业来说都是一个重要市场。虽然微型热电联产以目前的形势来看可能会成为电力工业的威胁，但它也为避免某些地区因电力需求超过系统负荷能力而要求进行昂贵的电网加固工作提供了较好的解决方法。
3.1 放宽家用能源市场
在技术不断改进的同时，目前一个能源市场的发展正为微型热电联产创造机遇，家用能源市场的放宽和集中正促进燃气与电力供应部门的联合。这样也可以促进“能源服务公司”(esco’s)的发展。1998年内，现有的燃气和电力公司将不再具有向家庭用户提供能源的垄断地位，许多公司已开始用竞争的方式向家庭用户提供燃气和电力。据估计这些公司在早期会把注意力放在价格上，但当费用从它们的运营中扣除时它们会寻找新的产品来吸引和留住客户。微型热电联产的节省额可以通过采用需求方的辅助管理措施来加以提高，这样为能源服务公司又带来一条新的产品生产线。
燃气技术与研究中心也研究了是否存在其它流入能源服务公司而不是用户的价值。在英国，电力是由pool公司批量销售的，pool公司每半小时设定一次从输配系统购买电力的费用。由于冬天的夜晚的最高价格，pool的购买价格有很大的变化。图3为冬季的价格变化。在取暖季节内典型的微型热电联产设备的电力输出以每半小时的周期区平均值。从图3中可以看出微型热电联产设备的峰值电力输出与电力pool价格间的关联。
家庭用户是按每kwhr的按时计价来缴费的，与现行的pool价格没有关系，而电力供应商以半小时pool价格大量购入电力，供应商又根据其用户的需求制定家用税率的。微型热电联产设备使得高峰价格期间从电网取得少量电力，从而将按需求模式转变为对供应商有利。进一步的分析表明，它使供应商获得了可观的节省额，这足以吸引许多能源供应商向微型热电联产设备投资。
图3 日间pool价格与微型热电联产设备电力输出复合图
3.2 对环境的影响
与其它类型的热电联产相同的是，微型热电联产通过回收发电过程中产生的热量使环境得到保护，作为英国燃气技术与研究中心分析工作的一部分，它们对使用或不使用微型热电联产设备对住宅供热、供电所产生的总排放量做了比较，这项分析涉及到设备效率、不同类型电站的发电效率，一个所采用的设备配备以及不同的一次燃料的排放水平。该分析预计家庭能源使用中产生的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物可以降低到图4所示的水平。
图4 微型热电联产与家用能源使用相关的排放物的作用
分析表明，微型热电联产在降低对环境有害的排放物方面将起主要作用。民用领域作为英国能源的主要用户之一，在最近召开的联合国气候变化会议后将自然而然地成为要投入力量降低排放的焦点。
4 结论
英国燃气技术与研究中心对民用能源市场应用微型热电联产的设想做了全面透彻的综述棗即实现这一设想的技术、它的功能度、运营费用节省额以及它对能源供应和环境的影响。微型热电联产为民用能源供应设备部门提供了一个全新的机遇，而技术和市场的发展也使这一切成为可能。
