張宏運(yùn)

摘 要：我國(guó)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(guó)家在可再生能源應(yīng)用上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)具有較高參考價(jià)值?；谵r(nóng)村地區(qū)的可再生能源資源稟賦和能源消費(fèi)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了太陽能-淺層地?zé)崮?生物質(zhì)能的可再生能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冬、夏兩季運(yùn)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(guó)農(nóng)村能源發(fā)展現(xiàn)狀及特征

截至2018年底，我國(guó)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(guó)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(guó)能源消耗總量的17.8%，農(nóng)村能源消費(fèi)的龐大基數(shù)影響著我國(guó)能源發(fā)展整體水平。

目前，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)已從根本上改變了長(zhǎng)久以來以柴草和煤炭為絕對(duì)主導(dǎo)的能源消費(fèi)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(guó)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(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2018》數(shù)據(jù)，2017年全國(guó)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(guó)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(bào)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(fèi)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(guó)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(fèi)動(dòng)態(tài)變化，非商品能源消費(fèi)依然存在，但呈下降趨勢(shì)。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(fèi)存在較大區(qū)域差異。商品能源消費(fèi)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(fèi)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(fèi)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(fèi)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(fèi)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(guó)總能源消費(fèi)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(chǎng)廣闊。根據(jù)《2017年度全國(guó)農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計(jì)匯總表》，全國(guó)戶用沼氣池4161.14萬戶，小型沼氣工程9.5萬個(gè);太陽能熱水器4770.84萬臺(tái)，太陽灶227.94萬臺(tái);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(chǔ)量豐富，若能根據(jù)實(shí)際情況加以利用，同時(shí)參考?xì)W洲的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)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(fèi)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(fèi)量由2008年的9.31kgce上升到2012年人均26.41kgce，增長(zhǎng)較快。

《歐洲生物質(zhì)能源發(fā)展報(bào)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(guó)，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(zhǎng)

我國(guó)太陽能裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速。2019年，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)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(shí)，約占總發(fā)電量的3%。從地理分布和住房特點(diǎn)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(chǔ)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(guó)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(guó)地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)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(guó)地?zé)崴觊_采量約5億m3，而在我國(guó)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(hào)）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(fèi)特點(diǎn)，本文舍棄造價(jià)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?chǔ)熱/儲(chǔ)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(yùn)行模式

冬季時(shí)農(nóng)村可再生能源系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)，由生物質(zhì)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)補(bǔ)充提供熱量。同時(shí)，部分儲(chǔ)熱單元熱量消耗后作為儲(chǔ)冷單元使用，將冬季冷量存儲(chǔ)。

3.2夏季農(nóng)村可再生能源系統(tǒng)運(yùn)行模式

夏季時(shí)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為圖3-2所示。此時(shí)電氣部分運(yùn)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(bǔ)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)崮堋⑸镔|(zhì)能等，技術(shù)上成熟可行;經(jīng)濟(jì)上減少了對(duì)于一次能源的依賴，長(zhǎng)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(shí)減輕了環(huán)境污染?？偟膩砜矗刑柲?淺層地?zé)崮?生物質(zhì)能的可再生能源系統(tǒng)，預(yù)計(jì)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。

參考文獻(xiàn)

[1]廖華，魏一鳴. 我國(guó)農(nóng)村居民生活用能現(xiàn)狀與展望[R]. 2019. CEEP-BIT-2019-003.

[2]付虎. 分布式光伏電源并網(wǎng)及對(duì)配電網(wǎng)的影響分析[D]. 華北電力大學(xué)， 2018.

[3]BP-Statistical Review of World Energy （2018）.

[4]仇煥廣，嚴(yán)健標(biāo)，江穎等. 中國(guó)農(nóng)村可再生能源消費(fèi)現(xiàn)狀及影響因素分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）. 2015， 17（03）： 10-15.

[5]蔡玉峰，王竹，賀勇. 德國(guó)小城鎮(zhèn)淺層地?zé)徇\(yùn)用的解析與啟發(fā)[J]. 華中建筑. 2017， 35（04）： 63-66.

[6]張帆，楊明皓. 中國(guó)農(nóng)村分布式供能模式供需分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制. 2010， 38（23）： 121-125.

[7]鄧波，龍惟定. 中深層地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用現(xiàn)狀綜述[Z]. 中國(guó)北京： 2019.8.