基于太陽能-地?zé)崮?生物質(zhì)能的農(nóng)村地區(qū)可再生能源系統(tǒng)研究

張宏運

摘 要：我國農(nóng)村地區(qū)可再生能源資源豐富、隨季節(jié)性變化顯著，農(nóng)村用能可再生能源化潛力巨大。歐洲國家在可再生能源應(yīng)用上的實踐經(jīng)驗具有較高參考價值?；谵r(nóng)村地區(qū)的可再生能源資源稟賦和能源消費特點，設(shè)計了太陽能-淺層地?zé)崮?生物質(zhì)能的可再生能源系統(tǒng)，實現(xiàn)冬、夏兩季運行模式，以滿足農(nóng)村地區(qū)冷-熱-電能源需求。

關(guān)鍵詞：可再生能源;太陽能;地?zé)崮?生物質(zhì)能;農(nóng)村地區(qū)

1 我國農(nóng)村能源發(fā)展現(xiàn)狀及特征

截至2018年底，我國農(nóng)村常住人口約5.6億，占總?cè)丝诘?0.4%。2017年農(nóng)作物總播種面積166.3萬平方公里，占國土面積的17.3%。2014年，農(nóng)業(yè)能源消耗量約7.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消耗總量的17.8%，農(nóng)村能源消費的龐大基數(shù)影響著我國能源發(fā)展整體水平。

目前，我國農(nóng)村地區(qū)已從根本上改變了長久以來以柴草和煤炭為絕對主導(dǎo)的能源消費格局[1]。到2016年末，99.7%的村莊通電，11.9%的村莊通天然氣。太陽能供熱、家庭分布式光伏發(fā)電已形成較大規(guī)模[2]。

1.1農(nóng)村生活用能

2010年之前，我國農(nóng)村居民生活用能遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)居民生活用能，但在2010年左右，差距開始急劇減小。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2018》數(shù)據(jù)，2017年全國人均生活用能量（千克標(biāo)準(zhǔn)煤）為416kgce，其中，城鎮(zhèn)人均生活用能量為415kgce，農(nóng)村人均生活用能量為417kgce，農(nóng)村人均生活用能已超過城鎮(zhèn)人均生活用能。

根據(jù)第三次全國農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)，49.3%的農(nóng)戶以燃?xì)鉃橹饕拇妒潞腿∨媚埽?8.6%的農(nóng)戶以電力為主（每戶可以填報不超過兩種能源）。農(nóng)民做飯取暖使用的能源中，主要使用電的占58.6%;主要使用煤氣、天然氣、液化石油氣的占49.3%;主要使用柴草的占44.2%;主要使用煤的占23.9%;主要使用沼氣的占0.7%;使用其他能源的占0.5%;主要使用太陽能的占0.2%。

1.2農(nóng)村生產(chǎn)用能

2017年，農(nóng)業(yè)（含農(nóng)、林、牧、漁）能源消費總量8931萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭1857萬噸，汽油229.64萬噸，柴油1546.82萬噸，天然氣1.14億立方米，電力1175.12億kWh。生產(chǎn)用能仍以商品能源為主。

1.3農(nóng)村用能的主要特征

文獻(xiàn)分析表明，我國農(nóng)村能源發(fā)展呈現(xiàn)以下特征：

（1）農(nóng)村家庭的能源消費動態(tài)變化，非商品能源消費依然存在，但呈下降趨勢。生物質(zhì)能和煤等傳統(tǒng)能源向電力和液化石油氣等現(xiàn)代和商業(yè)能源的轉(zhuǎn)變正在廣泛進(jìn)行。

（2）農(nóng)村家庭的能源消費存在較大區(qū)域差異。商品能源消費城鄉(xiāng)差距較大，地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是重要影響因素。不同地域間能源消費差異顯著，尤其是南、北方地區(qū)，沿海、內(nèi)陸地區(qū)，能源消費有極大優(yōu)化空間。

（3）傳統(tǒng)非商品能源（秸稈、薪柴、畜禽糞便等）可再生能源化程度和消費不斷提高，太陽能、風(fēng)能、水能等發(fā)展迅猛，使得農(nóng)村能源消費結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，發(fā)展更優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性更好的可再生能源能促使農(nóng)村居民用能習(xí)慣發(fā)生變化。

2 農(nóng)村可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

可再生能源占我國總能源消費結(jié)構(gòu)的12%[3]。農(nóng)村可再生能源技術(shù)已較為成熟，發(fā)展迅速，市場廣闊。根據(jù)《2017年度全國農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計匯總表》，全國戶用沼氣池4161.14萬戶，小型沼氣工程9.5萬個;太陽能熱水器4770.84萬臺，太陽灶227.94萬臺;小型光伏發(fā)電9.5萬千瓦;秸稈沼氣集中供氣454處。

2.1生物質(zhì)能潛力巨大

生物質(zhì)在農(nóng)村地區(qū)易于獲取、儲量豐富，若能根據(jù)實際情況加以利用，同時參考?xì)W洲的經(jīng)驗，預(yù)計能有較好的發(fā)展。仇煥廣等[4]發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村傳統(tǒng)可再生能源（秸稈、薪柴）人均年消費量從2008年的408.56kgce下降到2012年的349.85kgce;新型可再生能源（太陽能、沼氣）人均年消費量由2008年的9.31kgce上升到2012年人均26.41kgce，增長較快。

《歐洲生物質(zhì)能源發(fā)展報告》顯示，生物質(zhì)能源是歐洲冬季供暖的必要保障。在歐洲，生物質(zhì)能源供暖占可再生能源的供暖的93%，占全歐洲總體供暖的12.9%。歐洲應(yīng)用地?zé)崮芄┡瘹v史悠久。在德國，應(yīng)用最為普遍的是約5～20m深的表層地下水區(qū)交換式熱泵，約8℃～12℃的地下熱水從熱源井管中被抽出，其熱量被熱泵抽走后冷卻至約4℃，又從回灌井中被重新泵入地下水區(qū)[5]。

2.2太陽能快速增長

我國太陽能裝機(jī)容量增長迅速。2019年，我國光伏發(fā)電累計裝機(jī)達(dá)20430萬千瓦，占總裝機(jī)的10%;發(fā)電量達(dá)2243億千瓦時，約占總發(fā)電量的3%。從地理分布和住房特點來看，農(nóng)村地區(qū)適合發(fā)展分布式光伏發(fā)電和太陽能集熱。

張帆[6]通過估算各地風(fēng)能、太陽能儲量和農(nóng)村家庭用能量，提出一種假設(shè)，即在每戶安裝1kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1.2m2太陽能集熱的分布式供能系統(tǒng)，在全國57%的省份，本地可再生能源可完全滿足農(nóng)村居民生活用能需求。

2.3地?zé)崮軡摿^大

我國地?zé)崮苜Y源儲量占世界地?zé)豳Y源的7.9%，以中低溫為主，分布廣泛。目前我國地?zé)崴觊_采量約5億m3，而在我國中東部沉積盆地中就探明地下熱水資源491.7億m3，可見地?zé)豳Y源開發(fā)利用潛力很大[7]。

《關(guān)于加快淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用促進(jìn)北方采暖地區(qū)燃煤減量替代的通知》（發(fā)改環(huán)資〔2017〕2278號）提出，到2020年，淺層地?zé)崮茉诠幔ɡ洌╊I(lǐng)域得到有效應(yīng)用，應(yīng)用水平得到較大提升，在替代民用散煤供熱（冷）方面發(fā)揮積極作用，區(qū)域供熱（冷）用能結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

3 農(nóng)村可再生能源系統(tǒng)初步設(shè)想

基于農(nóng)村地區(qū)的可再生能源資源稟賦和能源消費特點，本文舍棄造價較高的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，考慮采用常見且成本較低的光伏、地源熱、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)為農(nóng)村地區(qū)供能。因此，設(shè)想包含有太陽能-淺層地?zé)崮?生物質(zhì)能的可再生能源系統(tǒng)，以供應(yīng)農(nóng)村地區(qū)冷-熱-電能源需求。該系統(tǒng)由淺層地?zé)醿?儲冷模塊、地源熱泵、太陽能光伏/熱系統(tǒng)、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成，用于供應(yīng)農(nóng)村住宅、溫室和農(nóng)田的能源需求。

3.1冬季農(nóng)村可再生能源系統(tǒng)運行模式

冬季時農(nóng)村可再生能源系統(tǒng)的運行模式如圖3-1所示。溫室和住宅所需電能由光伏及生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備提供，不足部分由電網(wǎng)接入部分提供。溫室和住宅在冬季熱負(fù)荷較大，通過地源熱泵獲取淺表地?zé)?，光?熱復(fù)合系統(tǒng)提供熱量不足時，由生物質(zhì)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)補充提供熱量。同時，部分儲熱單元熱量消耗后作為儲冷單元使用，將冬季冷量存儲。

3.2夏季農(nóng)村可再生能源系統(tǒng)運行模式

夏季時運行模式轉(zhuǎn)換為圖3-2所示。此時電氣部分運行模式無變化，夏季太陽能光伏/熱系統(tǒng)所多發(fā)的電能并入電網(wǎng)。生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及光伏/熱系統(tǒng)的熱能主要用于補充冬季消耗的土壤蓄熱，部分蓄冷單元通過地源熱泵為住宅提供制冷。

4 結(jié)論

在農(nóng)村因地制宜地利用可再生能源，包括光伏、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等，技術(shù)上成熟可行;經(jīng)濟(jì)上減少了對于一次能源的依賴，長期綜合效益較好;環(huán)保上減少了傳統(tǒng)直接燃燒秸稈等生物質(zhì)資源的使用方式，大大提高效率的同時減輕了環(huán)境污染?？偟膩砜?，包含有太陽能-淺層地?zé)崮?生物質(zhì)能的可再生能源系統(tǒng)，預(yù)計可以較大程度滿足農(nóng)村地區(qū)冷-熱-電綜合能源需求，具有廣闊發(fā)展前景。

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