孫若男 楊 曼 蘇 娟* 杜松懷 李 鵬 鄭永樂

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450052)

農(nóng)村能源涵蓋了農(nóng)村地區(qū)的能源消費(fèi)、生產(chǎn)及當(dāng)?shù)刭Y源的利用，即為農(nóng)村地區(qū)的能源供給與消費(fèi)，包括農(nóng)村地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活多個(gè)方面。在我國(guó)，農(nóng)村能源主要有生物質(zhì)能、水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，以及?guó)家供給的煤炭、電力等商品能源。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)村能源問題涉及到全國(guó)近1/2以上人口的生活用能供應(yīng)和生活質(zhì)量問題[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染和能源利用問題變得尤為突出。保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)施大氣污染聯(lián)防聯(lián)控、減排CO2、加快開發(fā)可再生能源是全面推進(jìn)我國(guó)能源革命的重要內(nèi)容[2]。農(nóng)村能源作為我國(guó)能源體系的重要組成部分，開展農(nóng)村能源變革對(duì)于綜合解決能源與環(huán)境、能源與農(nóng)村發(fā)展的問題，實(shí)現(xiàn)能源發(fā)展方式由粗放型增長(zhǎng)向集約型增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變變得尤為重要。2018年9月26日，中共中央、國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃(2018—2022年)》，對(duì)實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略第一個(gè)五年工作做出具體部署。其中在加強(qiáng)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中明確，要構(gòu)建農(nóng)村現(xiàn)代能源體系，因地制宜建設(shè)農(nóng)村分布式清潔能源網(wǎng)絡(luò)，開展分布式能源系統(tǒng)示范項(xiàng)目[3]。

已有研究對(duì)農(nóng)村能源開發(fā)、農(nóng)村能源消費(fèi)、農(nóng)村能源政策等方面進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)我國(guó)農(nóng)村能源消費(fèi)的可獲得歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，系統(tǒng)分析了農(nóng)村能源消費(fèi)的時(shí)空分布特點(diǎn)及其政策演變。文獻(xiàn)[5]以我國(guó)30個(gè)省市(自治區(qū))為研究單元，以能源接入與能源服務(wù)作為能源貧困的度量指標(biāo)，利用Theil指數(shù)及空間自相關(guān)分析法刻畫我國(guó)農(nóng)村能源貧困的時(shí)空演變特征，并利用空間杜賓模型(SDM)分析其影響因素，為我國(guó)制定有效的農(nóng)村能源政策提供依據(jù)和參考。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)農(nóng)村能源消費(fèi)時(shí)序的混沌辨識(shí)，指出我國(guó)農(nóng)村能源消費(fèi)時(shí)序是一個(gè)具有類似隨機(jī)現(xiàn)象的混沌系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]梳理了改革開放以來我國(guó)農(nóng)村能源政策的變遷，對(duì)我國(guó)農(nóng)村能源政策提出建議。

由于農(nóng)村能源的供給與消費(fèi)模式隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、能源、政策的變革出現(xiàn)了新的特征，而上述研究都是針對(duì)我國(guó)農(nóng)村能源體系展開論述，對(duì)于我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式的研究相對(duì)較少。因此，本研究擬采用國(guó)家統(tǒng)計(jì)局對(duì)我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的劃分方式，系統(tǒng)梳理我國(guó)農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)、農(nóng)村能源開發(fā)利用現(xiàn)狀，根據(jù)東部、中部、西部、東北等不同區(qū)域提出農(nóng)村能源開發(fā)利用模式，并對(duì)技術(shù)手段和商業(yè)模式進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)狀指出面臨的問題，以期為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興提供依據(jù)。

1 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)村能源供給與消費(fèi)結(jié)構(gòu)

我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用主要為供給與消費(fèi)2方面，而供給與消費(fèi)體系主要包括能源供給和能源消費(fèi)2部分，體系結(jié)構(gòu)見圖1。其中，能源供給主要指農(nóng)村可再生能源的開發(fā)以及農(nóng)村電力的供應(yīng)，例如：風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等；而能源消費(fèi)主要指農(nóng)民生活用能和生產(chǎn)用能2方面，例如：照明、取暖、種植、養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品加工等。

圖1 我國(guó)農(nóng)村能源供給與消費(fèi)體系Fig.1 China’s rural energy supply and consumption system

1)農(nóng)村電網(wǎng)。農(nóng)村電網(wǎng)是我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的重要組成部分，由于我國(guó)農(nóng)村大多分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，農(nóng)村電網(wǎng)設(shè)施嚴(yán)重落后，農(nóng)村居民用電戶數(shù)量龐大，用戶分布廣泛，負(fù)荷分散，發(fā)展不平衡。與城市負(fù)荷和供電范圍相對(duì)集中的特點(diǎn)相比，農(nóng)村電網(wǎng)具有地域分布廣、范圍大、負(fù)荷分散的特點(diǎn)[8-10]?？h、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以下是我國(guó)農(nóng)村電力供應(yīng)范圍，主要由國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司所屬的縣供電企業(yè)提供。目前，農(nóng)網(wǎng)建設(shè)正在朝著“堅(jiān)強(qiáng)、智能”的方向發(fā)展。農(nóng)村電力消費(fèi)快速增加，帶動(dòng)了農(nóng)村消費(fèi)升級(jí)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，農(nóng)村電力普遍服務(wù)能力持續(xù)增強(qiáng)。

2)農(nóng)村可再生能源。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)資源十分豐富，每年可作為能源利用的生物質(zhì)資源約7×108噸標(biāo)準(zhǔn)煤，共有水能資源理論蘊(yùn)藏量10 MW，河流 11 477條，陸地表面每年接收到的太陽(yáng)能輻射能理論儲(chǔ)量約為50×1018kJ，相當(dāng)于1.7×1012噸標(biāo)準(zhǔn)煤[11]?？稍偕茉床煌诔Ｒ?guī)化石能源，開發(fā)和利用可再生能源是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型美麗鄉(xiāng)村的重要舉措。

3)農(nóng)村用能。伴隨著我國(guó)工業(yè)化、信息化、城市化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)的能源生產(chǎn)與消費(fèi)是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。2016年，我國(guó)農(nóng)村能源消耗量為6.68×108噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消耗總量的20.6%，而可再生能源利用量為1.45×108噸標(biāo)準(zhǔn)煤，僅占農(nóng)村能源消耗量的21.7%，可見，我國(guó)農(nóng)村能源消耗大部分仍使用傳統(tǒng)能源，可再生能源利用率不高。圖2為2016年農(nóng)村能源消費(fèi)占比情況。

數(shù)據(jù)來源于2017農(nóng)業(yè)資源環(huán)境保護(hù)與農(nóng)村能源發(fā)展報(bào)告[12]。Data source: 2017 report on agricultural resources, environmental protection and rural energy development[12].圖2 2016年我國(guó)農(nóng)村能源消費(fèi)占比Fig.2 Proportion of rural energy consumption in 2016

從能源消費(fèi)品種上，煤炭在農(nóng)村居民生產(chǎn)生活能源消費(fèi)中還占據(jù)著主要地位，清潔能源和可再生能源使用較少?？梢?，當(dāng)前農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理，能源消費(fèi)層次低，應(yīng)大力開發(fā)和推廣清潔能源的使用。我國(guó)農(nóng)村能源生產(chǎn)主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、小水電、生物質(zhì)能等清潔能源的開發(fā)利用，近年來，農(nóng)村能源產(chǎn)業(yè)總體表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

由于我國(guó)地大物博，農(nóng)村用能在能源結(jié)構(gòu)和需求結(jié)構(gòu)上存在一定的地區(qū)差異。2016年末，第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查對(duì)全國(guó)農(nóng)村進(jìn)行了調(diào)查，將我國(guó)農(nóng)村劃分為東部、中部、西部、東北4個(gè)地區(qū)，東部指沿海發(fā)達(dá)地區(qū)(北京市、天津市、河北省、上海市、江蘇省、浙江省、福建省、山東省、廣東省、海南省)；西部指西南、西北地區(qū)(內(nèi)蒙古自治區(qū)、廣西壯族自治區(qū)、重慶市、四川省、 貴州省、云南省、西藏自治區(qū)、陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū))；東北為黑龍江、吉林、遼寧三省地區(qū)；其他作為中部地區(qū)(山西省、安徽省、江西省、河南省、湖北省、湖南省)；各地區(qū)按主要生活能源劃分的農(nóng)戶數(shù)量見圖3。

數(shù)據(jù)來源于第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查[13]。Data source: The third national agricultural census[13].圖3 2016年各地區(qū)按主要生活能源劃分的農(nóng)戶數(shù)量Fig.3 Number of farmers by major domestic energy in 2016

東部地區(qū)多處于沿海地帶、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源使用較其他地區(qū)更加多元化，除生物質(zhì)能外，媒、電力和液化石油氣的消費(fèi)也分別占有一席之地；中西部地區(qū)地域遼闊、人口眾多，農(nóng)戶多使用柴草、電力能源；東北地區(qū)溫度低、氣候嚴(yán)寒，農(nóng)戶多使用柴草；東部地區(qū)取暖比重較中西、東北地區(qū)低，熱水比重較其他地區(qū)高?？傮w來講，全國(guó)農(nóng)村農(nóng)戶的主要生活能源依次為電力、煤氣天然氣、柴草、煤、沼氣、太陽(yáng)能、其他。可見，農(nóng)村家庭能源消費(fèi)選擇品種日益多樣化，農(nóng)村居民對(duì)電力、液化石油氣等清潔能源的需求迅速增猛，總體上能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷改善。

以上數(shù)據(jù)表明，隨著農(nóng)村居民生活水平的提高和生活條件的改善，農(nóng)村居民人均生活能源消費(fèi)量顯著提高，針對(duì)不同地區(qū)能源開發(fā)利用情況，在規(guī)劃下推行鄉(xiāng)村綠色發(fā)展方式，構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)能源體系，加強(qiáng)農(nóng)村人均環(huán)境整治，構(gòu)建人與自然和諧共生的鄉(xiāng)村發(fā)展新格局，實(shí)現(xiàn)百姓富、生態(tài)美的統(tǒng)一。

1.2 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.2.1農(nóng)村水電開發(fā)利用現(xiàn)狀

農(nóng)村水電可再生、無污染，運(yùn)行費(fèi)用低，便于進(jìn)行電力調(diào)峰，是農(nóng)村重要基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施，對(duì)于提供灌溉用水、控制洪水泛濫、改善河流航動(dòng)具有積極的促進(jìn)作用。我國(guó)農(nóng)村水電站主要分布在西部、中部和東部沿海地區(qū)。云南、四川的裝機(jī)容量位居全國(guó)第一、第二，整個(gè)西部地區(qū)的裝機(jī)容量占全國(guó)的一半以上，與我國(guó)的河流流域、區(qū)域氣候等自然條件密切相關(guān)。因此，加快西部水力資源開發(fā)、實(shí)現(xiàn)西電東送，對(duì)于解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的能源短缺問題、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，無疑具有非常重要的意義。

1.2.2農(nóng)村太陽(yáng)能開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，資源量折合每年1.7×1012噸標(biāo)準(zhǔn)煤，全國(guó)2/3以上國(guó)土面積年日照小時(shí)數(shù)超過2 200 h。從我國(guó)太陽(yáng)能總量的分布來看，西藏大部分、新疆南部以及青海、甘肅和內(nèi)蒙古的西部等西部地區(qū)由于地理位置較好，太陽(yáng)輻射總量很大，均屬于太陽(yáng)能資源極豐富帶，東部沿海、西部偏南地區(qū)云霧雨多，而且，西部地區(qū)因地理面積廣闊，集中式大型地面電站建設(shè)較多，裝機(jī)容量領(lǐng)先，總體西部太陽(yáng)能開發(fā)利用情況優(yōu)于其他地區(qū)。由于分布式光伏發(fā)電規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，河北、浙江、安徽、湖南等中東部地區(qū)增長(zhǎng)明顯。在東北地區(qū)，全年日照分布不均，夏季太陽(yáng)總輻射最大，春季次之，冬季最小，太陽(yáng)能在東北地區(qū)的開發(fā)利用還不普遍。

1.2.3農(nóng)村風(fēng)能開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國(guó)幅員遼闊、海岸線綿長(zhǎng)，風(fēng)能資源豐富，海陸50 m高度處風(fēng)能潛在可開發(fā)量約為25.8×108kW，開發(fā)潛力巨大。目前我國(guó)農(nóng)村小型風(fēng)力發(fā)電主要用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)、牧、漁民生活、生產(chǎn)用能。我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)主要分布在西北、華北、東北、華東地區(qū)，即“三北”和東南沿海風(fēng)能資源豐富帶。西部地區(qū)內(nèi)蒙古風(fēng)電建設(shè)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，新疆、寧夏、甘肅等省/自治區(qū)風(fēng)電的開發(fā)和利用對(duì)當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)形成必要補(bǔ)充；東部地區(qū)風(fēng)能資源相對(duì)匱乏，供電結(jié)構(gòu)中火電、水電的比重較高[14]，風(fēng)電并不具備能源的供給優(yōu)勢(shì)；吉林、遼寧、黑龍江東北三省風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)風(fēng)電資源規(guī)模大?？傊?，不同區(qū)域的風(fēng)電建設(shè)水平差距很大，風(fēng)電建設(shè)規(guī)模與風(fēng)能資源稟賦相適應(yīng)。

1.2.4農(nóng)村沼氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

沼氣是由畜禽糞便、作物秸稈等有機(jī)物在一定條件下經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體。沼氣技術(shù)復(fù)雜性低，原料來源廣泛，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的生物質(zhì)能技術(shù)之一。不同區(qū)域沼氣工程發(fā)展程度不同，例如東北地區(qū)、東部地區(qū)的河北、山東等省，中部地區(qū)的河南、安徽等省，西部地區(qū)的云南、廣西等省/自治區(qū)是糧食主產(chǎn)區(qū)，貧困集中連片區(qū)域?qū)粲谜託庑枨蟠螅m宜發(fā)展沼氣工程。而像東部地區(qū)北京、天津、上海、浙江等省市人口密集，經(jīng)濟(jì)條件優(yōu)越，西部地區(qū)的青海、西藏、寧夏、新疆等省/自治區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)以及水源保護(hù)地，環(huán)保壓力大，這些地方可適度發(fā)展沼氣工程。發(fā)展農(nóng)村沼氣，能夠有效處理農(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物、減少溫室氣體排放和霧霾產(chǎn)生、改善農(nóng)村環(huán)境“臟、亂、差”狀況等，留住綠水青山。

2 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式

我國(guó)農(nóng)村地域遼闊，類型多樣，農(nóng)村能源供給與消費(fèi)模式差異顯著。傳統(tǒng)的農(nóng)村能源供能主要形式為利用農(nóng)村電網(wǎng)為用戶提供電能，通過燃燒傳統(tǒng)能源煤炭、秸稈等一次性能源來提供熱能。農(nóng)村能源傳統(tǒng)利用模式見圖4。

圖4 我國(guó)農(nóng)村能源傳統(tǒng)利用模式Fig.4 Traditional utilization mode of rural energy in China

傳統(tǒng)供能模式能源利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重，供能安全性低。目前，我國(guó)越來越多的農(nóng)村正在實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化，電網(wǎng)、天然氣、石油的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了西電東送、西氣東輸。但是這多針對(duì)于我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，采取集中供能和用能方式。在中部、西部和東北等農(nóng)村，不少偏遠(yuǎn)地區(qū)用能的穩(wěn)定性，甚至供電可靠性都不高，與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)困難，無法集中供能供電[15]。因此，科學(xué)發(fā)展農(nóng)村能源，探索多種能源綜合利用模式，構(gòu)建清潔低碳的農(nóng)村用能系統(tǒng)，是促進(jìn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)興旺、實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生態(tài)宜居、達(dá)到農(nóng)村生活富裕的重要舉措。我國(guó)農(nóng)村能源總體開發(fā)利用模式見圖5。

圖5 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式Fig.5 Development and utilization model of rural energy in China

農(nóng)村能源傳統(tǒng)供能模式與綜合能源供能系統(tǒng)對(duì)比見表1。可見，構(gòu)建農(nóng)村能源綜合供能系統(tǒng)，充分利用當(dāng)?shù)啬茉?，?shí)現(xiàn)多種分布式能源的互聯(lián)互補(bǔ)，在居民用能節(jié)余時(shí)，分布式能源發(fā)電通過當(dāng)?shù)氐呐潆娋W(wǎng)并網(wǎng)上網(wǎng)；在供能不足時(shí)，通過大電網(wǎng)向當(dāng)?shù)氐挠脩糨斔碗娔埽鉀Q農(nóng)村用能問題?，F(xiàn)考慮東部、中部、西部、東北不同地理位置，提出適合不同類型農(nóng)村能源開發(fā)利用模式。

2.1 東部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式

東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，冬季時(shí)間短，氣候炎熱多雨，沿海地區(qū)太陽(yáng)能、風(fēng)能資源一般，可重點(diǎn)發(fā)展生物質(zhì)能等清潔能源，有大量秸稈產(chǎn)生的村莊可考慮建設(shè)相對(duì)集中、規(guī)模較大的沼氣系統(tǒng)。像北京、天津、河北、山東等寒冷帶地區(qū)，可考慮開發(fā)風(fēng)能、光能、地源熱泵等，而福建、廣東、海南等夏熱冬暖地區(qū)，由于冬季采暖率不高，使得地源熱泵的節(jié)能效率不高，不建議采用地?zé)豳Y源。另外，在電力網(wǎng)架比較完善的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)提升全面感知量測(cè)能力以及供電服務(wù)能力，大力推廣電力、天然氣等清潔能源。東部地區(qū)的能源使用較其他地區(qū)更加多元化，圖6為東部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式。

表1 農(nóng)村能源傳統(tǒng)供能模式與開發(fā)利用模式對(duì)比Table 1 Comparison between traditional energy supply mode and development and utilization mode of rural energy

圖6 東部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式Fig.6 Development and utilization model of rural energy in eastern China

2.2 中部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式

中部地區(qū)氣候適中，秸稈資源豐富，結(jié)合畜牧業(yè)可重點(diǎn)推廣沼氣工程，發(fā)展沼氣等生物質(zhì)能，推動(dòng)沼氣發(fā)電和集中供氣。太陽(yáng)能、風(fēng)能資源一般，由于部分地區(qū)存在冬季取暖需求，可考慮開發(fā)地源熱泵、清潔爐灶等技術(shù)。另外，繼續(xù)實(shí)施農(nóng)村電網(wǎng)完善工程，對(duì)農(nóng)網(wǎng)薄弱地區(qū)進(jìn)行改造。中部農(nóng)村能源開發(fā)利用模式見圖7。

圖7 中部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式Fig.7 Development and utilization model of rural energy in central China

2.3 西部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式

西部地區(qū)包括西北嚴(yán)寒地區(qū)和西南四季溫和地區(qū)。西北嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，農(nóng)戶能源消費(fèi)主要用途為冬季取暖，而太陽(yáng)能、風(fēng)能、秸稈等可再生能源豐富，大力發(fā)展生物質(zhì)能、光伏、風(fēng)電、清潔爐灶利用，適當(dāng)發(fā)展地?zé)崂?。西南溫和地區(qū)夏季炎熱多雨，水電資源豐富，太陽(yáng)能資源較豐富，風(fēng)能資源一般，開發(fā)小水電、光伏等利用?？傊?，西部地區(qū)在完善電力基礎(chǔ)網(wǎng)架的基礎(chǔ)上，應(yīng)大力發(fā)展光伏、風(fēng)電、水電等利用，有條件的地區(qū)發(fā)展生物質(zhì)能，解決部分新能源資源稟賦較豐富地區(qū)的能源供給問題。西部農(nóng)村能源開發(fā)利用模式見圖8。

圖8 西部地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式Fig.8 Development and utilization model of rural energy in western China

2.4 東北地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式

東北地區(qū)四季分明、寒冷期長(zhǎng)、日照豐富，農(nóng)村采暖季較長(zhǎng)，農(nóng)戶生活用能主要用途就是采暖。由于該地區(qū)屬于太陽(yáng)能較豐富地區(qū)，可開發(fā)建設(shè)太陽(yáng)能熱水器提供生活熱水，減少薪柴或者礦物燃燒；秸稈資源豐富，利用秸稈開發(fā)生物質(zhì)能等清潔能源利用向農(nóng)戶供應(yīng)燃?xì)庥糜谏睿婚_發(fā)地源熱泵與其他冷熱源結(jié)合使用的復(fù)合式能源系統(tǒng)解決冬季采暖問題。圖9為東北農(nóng)村能源開發(fā)利用模式。

圖9 東北地區(qū)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式Fig.9 Development and utilization model of rural energy in northeast China

3 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用技術(shù)及商業(yè)模式

3.1 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用技術(shù)

我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用模式從組成上看，包含分布式電源、熱源、氣源、儲(chǔ)能裝置等等，包含冷、熱、電、氣等多種可調(diào)節(jié)負(fù)荷。作為一個(gè)以電力為中心、多種能源耦合的綜合能源體系，打破了既有的電、熱/冷、氣獨(dú)立供能模式，是一種提升農(nóng)村能源效率的新型能源開發(fā)利用模式。因地制宜地開發(fā)利用農(nóng)村能源，通過科學(xué)的轉(zhuǎn)換技術(shù)為農(nóng)民生產(chǎn)、生活提供能源。

我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用能量流圖見圖10。在農(nóng)村能源開發(fā)利用模式中，農(nóng)民生產(chǎn)、生活用能主要通過生物質(zhì)能利用、太陽(yáng)能集熱、分布式電源、農(nóng)村電網(wǎng)等技術(shù)手段獲取[16]。

農(nóng)村能源開發(fā)利用模式能量流動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，供能系統(tǒng)中包含風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能、冷熱電三聯(lián)供機(jī)組、燃?xì)忮仩t、地源熱泵等設(shè)備。分布式電源、冷熱電三聯(lián)供機(jī)組在發(fā)電的同時(shí)，輸出冷/熱量供給冷/熱負(fù)荷，多余的電量還可以并網(wǎng)上網(wǎng)；在供能不足時(shí)，可由燃?xì)忮仩t、地源熱泵等提供熱負(fù)荷，大電網(wǎng)向當(dāng)?shù)赜脩糨斔碗娔躘17]。

從能源開發(fā)利用的技術(shù)上，主要使用了分布式發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)、太陽(yáng)能集熱技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)4大類，特點(diǎn)及難點(diǎn)對(duì)比見表2。

1)分布式發(fā)電技術(shù)。在我國(guó)農(nóng)村，分布式發(fā)電技術(shù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，發(fā)揮能源優(yōu)勢(shì)，采用合理科學(xué)的分布式電源組建分布式發(fā)電技術(shù)，將太陽(yáng)能、風(fēng)能結(jié)合使用，推進(jìn)風(fēng)、光、生、儲(chǔ)一體化運(yùn)作，因地制宜的組建微網(wǎng)為農(nóng)戶提供生產(chǎn)、生活用能，多余電能還可并網(wǎng)上網(wǎng)，獲得經(jīng)濟(jì)效益[18]。但是，農(nóng)民對(duì)分布式發(fā)電認(rèn)識(shí)程度不高，政策扶持不明顯，加深了農(nóng)村分布式發(fā)電發(fā)展的難度。

2)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)。生物質(zhì)能是我國(guó)農(nóng)村的傳統(tǒng)能源，摒棄直接燃燒的方式，建設(shè)沼氣池、沼氣工程、秸稈氣化工程，發(fā)展以沼氣為紐帶的能源開發(fā)利用模式，通過轉(zhuǎn)換技術(shù)獲得沼氣，還可利用沼氣發(fā)電獲得電能。根據(jù)研究表明，農(nóng)戶建設(shè)一個(gè)沼氣池，每年可節(jié)省農(nóng)藥、化肥支出近200元，生活炊事燃料近400元，經(jīng)濟(jì)收入增加3 000～7 000元，產(chǎn)生的沼氣可另2 333 m2的森林免遭砍伐，還可使農(nóng)戶節(jié)省秸稈薪柴收集時(shí)間，增加勞動(dòng)時(shí)間，改善家庭收入[19]。沼氣池在日常生產(chǎn)和維護(hù)中，需要農(nóng)戶具有一定的技術(shù)水平。

圖10 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用能量流圖Fig.10 Energy flow chart of rural energy development and utilization in China

表2 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用技術(shù)的特點(diǎn)及難點(diǎn)Table 2 Technical characteristics and difficulties of rural energy development and utilization in China

3)集熱技術(shù)。通過集熱技術(shù)可以有效的利用太陽(yáng)能，主要為太陽(yáng)能熱水器。但是，太陽(yáng)能熱水器水溫取決于天氣，而且北方冬天水管容易凍結(jié)，成為太陽(yáng)能熱水器在農(nóng)村發(fā)展的瓶頸。

4)儲(chǔ)能技術(shù)。由于分布式能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性特點(diǎn)，為保障電能供需平衡，利用儲(chǔ)能技術(shù)在電能充沛時(shí)，多余電力儲(chǔ)存起來，在晚上或者大風(fēng)發(fā)電機(jī)組停運(yùn)時(shí)，釋放出儲(chǔ)存電能滿足負(fù)荷需求。儲(chǔ)能裝置的成本過高是限制其在農(nóng)村大量推廣應(yīng)用的瓶頸。

3.2 我國(guó)農(nóng)村能源開發(fā)利用商業(yè)模式

農(nóng)村地區(qū)用能分散，分布式能源項(xiàng)目單體量小、總體量大，針對(duì)城市園區(qū)的綜合能源服務(wù)商業(yè)模式不適用于農(nóng)村能源發(fā)展?，F(xiàn)提出一種“BT-能源合作社”商業(yè)模式，帶動(dòng)農(nóng)村能源發(fā)展。

BT(Build-Transfer)即為“建設(shè)-移交”，是政府利用非政府資金來進(jìn)行非經(jīng)營(yíng)性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的一種融資模式。指一個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)作通過項(xiàng)目公司總承包，融資、建設(shè)驗(yàn)收合格后移交給業(yè)主，業(yè)主向投資方支付項(xiàng)目總投資加上合理回報(bào)的過程[20]。

“能源合作社”是指由若干個(gè)用戶公共擁有的能源設(shè)施，這些設(shè)施僅對(duì)產(chǎn)權(quán)擁有者提供電能、熱能以及其它能源。由于合作社不是法人，所以需要大家共同委托一個(gè)專業(yè)公司進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理，并向各會(huì)員代收代付相關(guān)費(fèi)用[21-22]。

將2種模式結(jié)合，即政府通過招標(biāo)，與中標(biāo)能源建設(shè)公司簽訂BT協(xié)議，將能源項(xiàng)目委托項(xiàng)目中標(biāo)人前期建設(shè)，政府向建設(shè)公司支付總投資，并對(duì)建設(shè)全過程進(jìn)行監(jiān)督。在建設(shè)完成后能源項(xiàng)目產(chǎn)權(quán)移交給農(nóng)民用戶，農(nóng)民對(duì)能源自發(fā)自用(圖11)。

圖11 “BT-能源合作社”商業(yè)模式Fig.11 “BT-energy cooperative” mode

在農(nóng)村地區(qū)引入“BT-能源合作社”模式，通過村民聯(lián)合自治，解決供能問題，降低用能成本。比如農(nóng)村建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目，由政府投資建設(shè)，通過項(xiàng)目招標(biāo)選擇光伏企業(yè)建設(shè)分布式光伏電站，政府對(duì)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)行監(jiān)督。建設(shè)完成后，向光伏企業(yè)支付建設(shè)資金，將項(xiàng)目產(chǎn)權(quán)移交給農(nóng)民，農(nóng)民擁有該項(xiàng)目產(chǎn)權(quán)，日常管護(hù)運(yùn)費(fèi)費(fèi)用由農(nóng)民負(fù)責(zé)。農(nóng)民自發(fā)自用，多余電能并網(wǎng)銷售給電網(wǎng)公司，收益歸農(nóng)民所有。圖12為新建光伏電站“BT-能源合作社”商業(yè)模式。

圖12 新建光伏電站“BT-能源合作社”商業(yè)模式Fig.12 Business model of “BT energy cooperative” for new PV power station

4 我國(guó)農(nóng)村能源體系建設(shè)的主要問題及建議

我國(guó)經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)、工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加快的同時(shí)，資源和環(huán)境制約趨緊，能源供應(yīng)出現(xiàn)緊張局面，生態(tài)環(huán)境壓力持續(xù)增大，農(nóng)村能源體系建設(shè)也存在一些問題。為了能夠在《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃》要求下，推進(jìn)農(nóng)村能源消費(fèi)升級(jí)，大幅提高電能在農(nóng)村能源消費(fèi)中的比重，推廣農(nóng)村綠色節(jié)能建筑和農(nóng)用節(jié)能技術(shù)、產(chǎn)品，本研究針對(duì)農(nóng)村能源體系建設(shè)的主要問題提出相應(yīng)的建議。

4.1 農(nóng)村能源體系建設(shè)主要問題

1)農(nóng)村能源推廣落后。近些年，我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作不斷加強(qiáng)，各省在農(nóng)業(yè)行政主管部門陸續(xù)增設(shè)了相關(guān)機(jī)構(gòu)。截止到2016年年底，全國(guó)各地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村文化教育設(shè)施也未達(dá)到100%普及?？梢姡r(nóng)民文化素質(zhì)的提升是一項(xiàng)投放大、見效慢的長(zhǎng)期性、系統(tǒng)性的工程。

農(nóng)村能源推廣利用主體是農(nóng)民，文化水平低、觀念落后、思維定勢(shì)是農(nóng)民和農(nóng)村技工的通病[23]。在農(nóng)村能源建設(shè)中，專業(yè)技術(shù)人才的缺乏，科學(xué)技術(shù)水平的低下，使得一些新型能源項(xiàng)目無法在農(nóng)村推廣利用，農(nóng)村能源建設(shè)不能順利開展。因此，發(fā)展壯大農(nóng)村能源人才隊(duì)伍，加強(qiáng)農(nóng)村農(nóng)民文化教育，是推動(dòng)農(nóng)村能源事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

2)農(nóng)村能源發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后。農(nóng)村能源發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)緩慢。天然氣作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源，在居民炊事、取暖、發(fā)電等方面均具有較強(qiáng)的綜合利用價(jià)值。然而，截止到2016年，全國(guó)卻僅有1/10的鄉(xiāng)村通有天然氣，其中，西部地區(qū)的陜西、四川、新疆天然氣儲(chǔ)量最為豐富、產(chǎn)量也最高，也僅僅只有不到20%的鄉(xiāng)村通天然氣?？梢姡l(fā)展技術(shù)及資金投入不足，導(dǎo)致農(nóng)村能源基礎(chǔ)設(shè)施老化，難以滿足能源的發(fā)展需求。

3)農(nóng)村能源開發(fā)制度政策落后。1980年第一次全國(guó)農(nóng)村能源研討會(huì)是農(nóng)村能源建設(shè)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，直到1982年才最終確定農(nóng)村能源政策框架，此后確定了農(nóng)村能源的建設(shè)方針“因地制宜，多能互補(bǔ)，綜合利用，講求效益”。我國(guó)農(nóng)村能源管理上涉及水電、農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及發(fā)改等多個(gè)部門，針對(duì)農(nóng)村能源管理工作各司其職、各負(fù)其責(zé)，其由于政出多門的管理體系造成了相互銜接不良的問題[24]。另外，我國(guó)農(nóng)村能源政策目標(biāo)模糊，意圖在于緩解農(nóng)村能源的供應(yīng)短缺，但究竟如何解決農(nóng)村能源問題卻是不清楚的。由此帶來農(nóng)村能源政策推進(jìn)困難，導(dǎo)致農(nóng)村能源建設(shè)缺乏有力政策支撐，使我國(guó)農(nóng)村能源建設(shè)舉步維艱。

4.2 農(nóng)村能源體系建設(shè)開發(fā)建議

1)加強(qiáng)農(nóng)村能源人才隊(duì)伍建設(shè)。適應(yīng)當(dāng)前農(nóng)村發(fā)展形勢(shì)，依托高等科研院校，引進(jìn)科技人才，注重農(nóng)村能源新技術(shù)的開發(fā)，壯大農(nóng)村能源人才隊(duì)伍，從而提高農(nóng)村能源建設(shè)的科技水平。對(duì)農(nóng)民進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的培養(yǎng)和基本技能的訓(xùn)練，提高農(nóng)民工作技能。穩(wěn)定農(nóng)村能源人才隊(duì)伍，推動(dòng)農(nóng)村能源事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2)加強(qiáng)農(nóng)村能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。加大農(nóng)村能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及資金投入，確保能源建設(shè)工作順利開展。綜合推廣農(nóng)民使用生物質(zhì)能、沼氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能、小水電等清潔能源，減少一次能源的使用。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，改善農(nóng)村用能效率低、環(huán)境污染大的情況，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)村能源”的現(xiàn)代能源體系。

3)完善農(nóng)村能源政策制度。系統(tǒng)地規(guī)劃農(nóng)村能源建設(shè)工作，制定相應(yīng)的法律法規(guī)保證能源建設(shè)各個(gè)階段工作的順利進(jìn)行。針對(duì)沼氣、生物質(zhì)能、光伏等新能源利用技術(shù)產(chǎn)品，出臺(tái)相應(yīng)的補(bǔ)貼政策，探索針對(duì)不同地區(qū)的清潔能源推廣激勵(lì)機(jī)制。