多能“互补”主要包含两层含义：①能的量互补，是指同种能量品位输出的能量之间的补充，实现连续、稳定的能量供给及供需匹配，将季节性或昼夜间歇变化的能量进行时间尺度上的匹配。如风光互补发电系统，利用白天光照充足、风力较弱和夜晚无光照、风力充足的特点进行匹配以实现全天的稳定电能输出。②能的品位耦合，是指不同输入能量品位之间的耦合，将高品位能源（如化石燃料及氢燃料化学能等）以及低品位能源（如余热、中低温太阳热能等）进行耦合，减少能量利用过程的不可逆损失，同时实现了能量互补、品位耦合，最终实现了能量的综合梯级利用。如甲醇燃料与太阳能通过热化学互补的发电系统，中低聚光比的聚光太阳热能（200～300℃）驱动甲醇燃料发生重整或裂解反应，太阳能提供裂解或重整反应所需要的热量，产物为CO和H₂的合成气或H₂，然后通过动力发电系统（燃料电池、内燃机或燃气轮机等）发电。高品位的甲醇燃料同中低品位的太阳能通过热化学反应实现燃料转化，如图1所示，实现了甲醇燃料的“源头节能”与太阳能的“提质增效”。

图1 太阳能驱动的甲醇燃料的热化学燃料转化

互补发电；多种能源的互补与协调；能量互补、品位耦合。

按照输入能源类型的不同匹配方式，多能互补发电系统可分为：①化石燃料互补发电系统；②化石燃料与可再生能源互补发电系统；③可再生能源互补发电系统。

化石燃料互补发电系统如天然气-煤互补发电系统、化工产品（如甲醇、二甲醚以及氨等）-动力多联产系统等。

将天然气与煤作为系统的输入能源，通过系统的高效集成，实现能量综合梯级利用、消除污染物排放的发电系统。系统的简化流程如图2所示：煤燃烧释放的热量为天然气重整反应提供所需的能量，所生成的重整反应产物（氢气与一氧化碳的混合气）进入动力循环设备产生电能。循环废气主要为较为清洁的水蒸气、二氧化碳以及氮气的混合物，可直接向大气排放。此外，煤燃烧所得的高温烟气还可对天然气或水蒸气进行预热，实现能量的高效利用。

图2 天然气-煤互补发电系统流程图

与传统的单燃料输入的联合循环及朗肯循环不同，天然气-煤互补发电系统考虑煤和天然气的综合利用，基于能源品质匹配和能量品位对口原则，通过重整反应对天然气的化学能进行梯级利用，使天然气的化学能品位降低至合成气品位，同时将煤燃烧生成的热能品位提升。燃料重整制备的合成气是一种清洁燃料，可以直接提供给动力设备（燃气轮机、内燃机、燃料电池等）发电实现热功转换。

利用煤气化产生的粗煤气（主要可燃成分为一氧化碳）与焦炉煤气（主要成分为氢气和甲烷）生产甲醇和电的多能源互补多联产系统，主要由合成气制备子系统、甲醇合成子系统以及动力循环子系统组成，系统流程如图3所示。

图3 双气头甲醇-动力多联产系统流程图

合成气制备子系统利用煤气化产生的粗煤气与焦炉煤气混合成适于甲醇生产比例的合成气，以作为原料送往甲醇合成系统。主要包括空气分离器、煤气化单元、废热锅炉、净化单元、焦炉煤气压缩机等。工作原理为空气经过分离器分离出纯度较高的氧气送往煤气化单元与煤发生气化反应生成粗煤气。经过废热锅炉进行显热回收的粗煤气利用净化单元分离出固体颗粒物与焦炉煤气混合成合成气，合成气再经过净化单元脱去酸性气体与循环气混合送往下游的甲醇合成单元。

甲醇合成子系统为生产甲醇的主要场所，包括合成单元和精馏单元。甲醇合成子系统采用部分循环配置，即未反应气循环回甲醇合成单元进行二次反应，剩余气体进入动力循环单元。甲醇合成单元一般为高压环境，温度由水的蒸发过程控制约为250℃。生成的粗甲醇经冷却后进入精馏单元进一步提纯。

①动力循环子系统。是发电的主要设备。由甲醇合成子系统送来的未反应气作为燃料送入燃气轮机驱动透平做功发电，过程中产生的蒸汽和燃气轮机排气产生的蒸汽驱动蒸汽轮机发电。本子系统所产生的电能可同时供多联产系统和终端用户使用。

②化石燃料与可再生能源互补发电系统。如太阳能与化石燃料热互补发电系统、太阳能与化石燃料热化学互补发电系统（见太阳能热化学发电系统）、化石燃料与地热能互补发电系统等。

③可再生能源互补发电系统。如太阳能光伏-光热互补发电系统、太阳能与生物质互补发电系统、风光互补发电系统以及水光互补发电系统等。

太阳能光伏技术与太阳能光热技术耦合的多能互补发电系统主要包括太阳能光伏发电子系统和太阳能光热发电子系统，还可根据需要集成入储能设备等。太阳能光伏子系统利用太阳光谱中频率较高、波长较短的波段通过光伏电池进行发电。太阳能光热子系统则将光伏子系统中不能利用的频率较低、波长较长的波段回收进行产热，驱动太阳能热化学反应器（见太阳能热化学发电系统）工作生产合成气以驱动热力循环机组或电化学设备发电。系统的特点在于能够对太阳光能进行梯级利用，使得太阳光谱中频率较高的波段进行更为适合的光伏发电，频率较低的波段进行热利用转化为电能。

以太阳能和生物质为输入能源，生物质是绿色植物通过光合作用产生的可再生和可循环的有机物质，包括动植物、微生物及其生命代谢所产生的有机物，主要由碳、氢、氧元素等构成。生物质可通过高温（约900℃）的吸热反应（气化、重整、裂解反应等）生成可燃合成气（一氧化碳和氢气）以及一些副产物（焦油、灰分等）。通过聚光镜聚集的高温太阳热能可为吸热反应提供所需要的能量，反应产物经过提纯后得到较为纯净的可燃合成气，进而供给下游的动力设备进行发电。系统能量互补的特点在于通过生物质气化、重整以及裂解过程将太阳热能品位提升至可燃合成气品位，同时将生物质能品位降低，减少了生物质或太阳能单独利用过程中的品位（或㶲）损失。

见风光互补发电系统。

多能互补发电系统的工程应用案例较多，具有代表性的为中国龙羊峡大坝“水光互补”项目。该项目主要由龙羊峡水电站以及光伏电站组成，水电站装机容量1280MW，满发流量1192m³/s，年均发电量59.42亿kWh。首台机组于1987年9月投产，1989年6月四台机组全部建成使用。光伏电站设计装机热量850MWp（Wp为光伏发电功率），年平均发电量13.03亿kWh，所发电量送到330kV升压站经过调节后，接入水电站进行电力组合送入大电网。龙羊峡水光互补项目的运行策略为：在满足龙羊峡及其梯级电站发电、防洪、灌溉等综合利用及龙羊峡水电站稳定运行前提下，利用水电站对光伏电站发电不足的部分进行补充，在光伏电站发电充足或负荷低谷时，减小水电站发电功率，充分利用光伏发电。除了上述龙羊峡水光互补发电系统工程外，其他多能互补发电系统的中国工程案例还有：鲁能海西州格尔木多能互补集成优化示范项目；张家口张北风光热储输多能互补项目；神华神东电力风-光-火热储多能互补集成优化示范工程；宁夏嘉泽智能微网示范项目等。