system: [SYSTEM]

user: 4. 能源互联网基本框架 结合文献 [ 4 ] [ 24 ] [ 26 ] [ 27 ] 提出的能源互联网框架，本文给出了未考虑交通系统的能源互联网基本框架，如图1所示。其中，能源中心是实现多能源混合供能系统的枢纽。它是能源互联网中的能源接口，各种能源可以在能源中心内部被储存、被负荷消耗，或是被转换为其他形式的能源输出 [ 28 ] 。 从图1中可以看出，能源互联网由电力网络、天然气网络、供热供冷系统、分布式发电单元、储能设备、燃气轮机、燃料电池、锅炉、制冷机等部分组成，支持光能、风能、天然气、电能、热能、冷能等不同能源间的相互转换，实现了一次能源侧的多种能源利用率最大化，满足了用户侧的多样性需求，并保证了配电网、供热供冷网络的安全、稳定运行。 4.1. 分布式发电单元 分布式发电单元主要由风力发电、光伏发电等可再生能源发电设备组成，它是将光能、风能等清洁 图1. 能源互联网基本框架 能源转换为便于传输和利用的电能的核心装置。 风力发电的基本原理为：风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，从而将风的动能转换为机械能；而风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电，从而将机械能转换为电能 [ 29 ] 。当前风力发电系统中主要有恒速恒频异步发电机、变速恒频双馈异步发电机和变速恒频直驱永磁同步发电机三大风力发电机型，其中变速恒频系统能在较宽的风速范围内保持最佳叶尖速比、最大功率点运行，是当今的主流风力发电系统 [ 30 ] 。 太阳能光伏发电的原理是光伏效应：当光伏电池受到太阳光照射时，半导体内产生电子-空穴对，即“光生载流子”，将光子中的能量转化为电子的能量；在P-N结内建电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被驱向P区，产生与内建电场方向相反的光生电场；光生电场使势垒降低，产生N区指向P区的光生电动势，从而实现了光能向电能的转换。 4.2. 储能设备 在能源互联网中，每一个能源网络都配备了相应的储能设备，可将多余的能源存储起来，并在必要时刻释放存储的能源加以利用，从而提高能源利用效率。其中，电力网络利用电化学储能装置存储电能，天然气网络利用储气设备存储天然气，供热网络和供冷网络则分别利用蓄热装置以及蓄冷装置存储热能和冷能。 电化学储能又称为蓄电池储能，它的充放电原理如下：蓄电池充电时，利用外部的电能使电池内部活性物质再生，从而将电能转换为化学能存储；蓄电池放电时，电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应，从而将存储的化学能转换为电能向外输送。目前的电化学储能装置主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、钒液流电池、锌空气电池、氢镍电池、燃料电池以及超级电容器等等。 目前的天然气存储方式主要包括气态存储以及液态存储两种方式。气态存储方式包括储气罐储气、地下储气库储气、管道储气、压缩天然气储气等，其中储气罐储气有低压储气罐储气和高压储气罐储气两种方式；地下储气库又分为四种形式：利用枯竭油气田地层穴储气、利用含水多孔地层储气、利用岩盐地穴储气和利用废弃煤矿井储气；液态存储方式即液化天然气储气，将天然气用低温常压的方法冷却至零下162˚C以下，从而转化为液态天然气存储，能够大幅度提升天然气存储量 [ 31 ] 。其他新兴的天然气存储技术还有水合物储气技术以及天然气吸附储存技术等。 储热技术是一种以储热材料为媒介，将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来，并在需要的时候释放的技术，主要分为显热储热、潜热储热与热化学储热三类。其中，显热储热是利用材料物质自身比热容，通过温度的变化来进行热量的存储与释放；潜热储热又称为相变储热，它利用材料的自身相变过程吸热、放热来实现热量的存储与释放；热化学储热则利用物质间的可逆化学反应或者化学吸附反应、脱附反应的吸热、放热进行热量的存储与释放 [ 32 ] 。 蓄冷技术是一种利用蓄能介质将冷量储蓄起来，并在用户需求高峰期时将冷量释放的技术，包括水蓄冷技术、冰蓄冷技术以及化合物蓄冷技术等等。其中水蓄冷技术属于显热蓄冷技术，包括多槽混和连接式(迷宫式)、多槽分层连接式、温差分层式、移动布水分层式四种；冰蓄冷技术属于相变潜热蓄冷技术，它经历了由静态冰蓄冷到动态冰蓄冷的发展过程；化合物蓄冷技术目前还未成熟，实际应用较少 [ 33 ] 。 4.3. 燃气轮机 燃气轮机 [ 34 ] 是一种旋转式热力发动机，它以连续流动的燃气为工质，能够将燃料的化学能转变为转子机械能。燃气轮机由压气机、燃烧室、燃气透平三个主要部分组成。燃机轮机常用于驱动发电机，构成燃气轮机发电机组，以将天然气的化学能转换为电能。其工作原理如下：空气进入压气机，经过逐级压缩进入燃烧室，与喷入的天然气混合燃烧，产生高温燃气；然后燃气进入透平中做功，推动燃气透平叶轮转动的同时带动发电机旋转发电；燃气经燃烧、做功后产生的高温排气可通过换热设备放热以回收利用部分余热。 4.4. 燃料电池 燃料电池 [ 35 ] 由正负电极以及电解质组成，是一种将化学能转化为电能的发电装置，其转化过程是一种不经过燃烧的电化学反应：当燃料电池处于工作状态时，燃料输入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生燃料氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。燃料电池包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。 4.5. 锅炉 电锅炉 [ 36 ] 是将电能转换为热能，使水加热以产生具有一定温度的热水或一定压力的蒸汽的电热装置。电锅炉的工作原理是：首先由大功率电热元件通电发热，将电能转换为热能；或是由电磁感应元件先将电能转换为电磁能，再将电磁能转换为热能；其次利用热交换元件直接或间接地将传热媒介(如水)加热，产生热水或蒸汽。电锅炉的分类方式很多，但最基本的分类方法是：按照电热原理和电热元件不同，电热锅炉可分为电热管电热锅炉、电热棒电热锅炉、电热板电热锅炉、电极式电热锅炉、感应式电热锅炉等五大类。 燃气锅炉是以天然气为燃料，将天然气内部的化学能转换为热能的供热装置。其供热原理 [ 37 ] 为：冷水由进水阀进入锅炉，经过内部燃烧室燃气燃烧加热后产生热水，热水通过循环水泵送入采暖散热器，通过辐射和对流换热来供暖；回水重新进入锅炉里面进行加热，然后重新流入散热器，如此循环往复的进行。 4.6. 制冷机 制冷机是一种能够将具有较低温度的被冷却物体的热量转移给环境介质从而获得冷量的机器，常见的制冷机包括压缩式制冷机、吸收式制冷机、蒸汽喷射式制冷机，半导体制冷等。 空调是一种典型的压缩式制冷机，空调制冷技术能够实现电能向冷能的转换。当前我国应用最为广泛的空调主要有热泵型空调器和电辅热泵型空调器两种类型，制冷原理 [ 38 ] 均为循环逆卡诺原理：在空气源热泵技术的制冷过程中，通过自身收集热量效率高的特点，将低温热源集中并整合形成高温热源。当空调处于制热模式下时，室内是制热，室外是制冷；而当空调处于制冷模式下时，室内是制冷，室外是制热。目前的主流制冷剂仍然依靠人工合成的氟氯昂和一些碳氢化合物作为制冷剂原料，容易对臭氧层造成破坏。 吸收式制冷机组依靠吸收器–发生器组的作用完成制冷循环，采用二元溶液作为工质，其中低沸点组分用作制冷剂，利用它的蒸发来制冷；高沸点的组分用作吸收剂，利用它对制冷剂蒸汽的吸收作用来完成工作循环 [ 39 ] 。常用的吸收式制冷机包括氨水吸收式制冷机和溴化锂吸收式制冷机两种。 4.7. P2G技术 P2G技术是一种将电能转换为气体中蕴含的化学能的技术。P2G技术的原理为：首先通过电解水产生氢气和氧气，从而将电能转换为氢能；再将生成的氢气进一步和二氧化碳结合，催化产生甲烷，从而将氢能转换为甲烷含有的化学能。甲烷是天然气最重要的成分，可以以一定的配比生成混合气体注入天然气网络进行运输或存储。P2G技术的出现加强了电气网络和天然气网络的耦合，实现了能量由电气网络向天然气网络的流动。