基于太陽能-地熱能-生物質能的農村地區可再生能源系統研究

張宏運

摘 要：我國農村地區可再生能源資源豐富、隨季節性變化顯著，農村用能可再生能源化潛力巨大。歐洲國家在可再生能源應用上的實踐經驗具有較高參考價值。基于農村地區的可再生能源資源稟賦和能源消費特點，設計了太陽能-淺層地熱能-生物質能的可再生能源系統，實現冬、夏兩季運行模式，以滿足農村地區冷-熱-電能源需求。

關鍵詞：可再生能源;太陽能;地熱能;生物質能;農村地區

1 我國農村能源發展現狀及特征

截至2018年底，我國農村常住人口約5.6億，占總人口的40.4%。2017年農作物總播種面積166.3萬平方公里，占國土面積的17.3%。2014年，農業能源消耗量約7.6億噸標準煤，占全國能源消耗總量的17.8%，農村能源消費的龐大基數影響著我國能源發展整體水平。

目前，我國農村地區已從根本上改變了長久以來以柴草和煤炭為絕對主導的能源消費格局[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、家庭分布式光伏發電已形成較大規模[2]。

1.1農村生活用能

2010年之前，我國農村居民生活用能遠低于城鎮居民生活用能，但在2010年左右，差距開始急劇減小。根據《中國能源統計年鑒2018》數據，2017年全國人均生活用能量（千克標準煤）為416kgce，其中，城鎮人均生活用能量為415kgce，農村人均生活用能量為417kgce，農村人均生活用能已超過城鎮人均生活用能。

根據第三次全國農業普查數據，49.3%的農戶以燃氣為主要的炊事和取暖用能，58.6%的農戶以電力為主（每戶可以填報不超過兩種能源）。農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農村生產用能

2017年，農業（含農、林、牧、漁）能源消費總量8931萬噸標準煤，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。生產用能仍以商品能源為主。

1.3農村用能的主要特征

文獻分析表明，我國農村能源發展呈現以下特征：

（1）農村家庭的能源消費動態變化，非商品能源消費依然存在，但呈下降趨勢。生物質能和煤等傳統能源向電力和液化石油氣等現代和商業能源的轉變正在廣泛進行。

（2）農村家庭的能源消費存在較大區域差異。商品能源消費城鄉差距較大，地區經濟的發展是重要影響因素。不同地域間能源消費差異顯著，尤其是南、北方地區，沿海、內陸地區，能源消費有極大優化空間。

（3）傳統非商品能源（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、風能、水能等發展迅猛，使得農村能源消費結構不斷優化，發展更優質、經濟性更好的可再生能源能促使農村居民用能習慣發生變化。

2 農村可再生能源發展現狀

可再生能源占我國總能源消費結構的12%[3]。農村可再生能源技術已較為成熟，發展迅速，市場廣闊。根據《2017年度全國農村可再生能源統計匯總表》，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;小型光伏發電9.5萬千瓦;秸稈沼氣集中供氣454處。

2.1生物質能潛力巨大

生物質在農村地區易于獲取、儲量豐富，若能根據實際情況加以利用，同時參考歐洲的經驗，預計能有較好的發展。仇煥廣等[4]發現，農村傳統可再生能源（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。

《歐洲生物質能源發展報告》顯示，生物質能源是歐洲冬季供暖的必要保障。在歐洲，生物質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%。歐洲應用地熱能供暖歷史悠久。在德國，應用最為普遍的是約5～20m深的表層地下水區交換式熱泵，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[5]。

2.2太陽能快速增長

我國太陽能裝機容量增長迅速。2019年，我國光伏發電累計裝機達20430萬千瓦，占總裝機的10%;發電量達2243億千瓦時，約占總發電量的3%。從地理分布和住房特點來看，農村地區適合發展分布式光伏發電和太陽能集熱。

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

2.3地熱能潛力較大

我國地熱能資源儲量占世界地熱資源的7.9%，以中低溫為主，分布廣泛。目前我國地熱水年開采量約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，可見地熱資源開發利用潛力很大[7]。

《關于加快淺層地熱能開發利用促進北方采暖地區燃煤減量替代的通知》（發改環資〔2017〕2278號）提出，到2020年，淺層地熱能在供熱（冷）領域得到有效應用，應用水平得到較大提升，在替代民用散煤供熱（冷）方面發揮積極作用，區域供熱（冷）用能結構得到優化。

3 農村可再生能源系統初步設想

基于農村地區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力發電技術，考慮采用常見且成本較低的光伏、地源熱、生物質發電技術為農村地區供能。因此，設想包含有太陽能-淺層地熱能-生物質能的可再生能源系統，以供應農村地區冷-熱-電能源需求。該系統由淺層地熱儲熱/儲冷模塊、地源熱泵、太陽能光伏/熱系統、生物質熱電聯產系統組成，用于供應農村住宅、溫室和農田的能源需求。

3.1冬季農村可再生能源系統運行模式

冬季時農村可再生能源系統的運行模式如圖3-1所示。溫室和住宅所需電能由光伏及生物質發電設備提供，不足部分由電網接入部分提供。溫室和住宅在冬季熱負荷較大，通過地源熱泵獲取淺表地熱，光伏/熱復合系統提供熱量不足時，由生物質電廠熱電聯產補充提供熱量。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夏季農村可再生能源系統運行模式

夏季時運行模式轉換為圖3-2所示。此時電氣部分運行模式無變化，夏季太陽能光伏/熱系統所多發的電能并入電網。生物質熱電聯產系統及光伏/熱系統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 結論

在農村因地制宜地利用可再生能源，包括光伏、地熱能、生物質能等，技術上成熟可行;經濟上減少了對于一次能源的依賴，長期綜合效益較好;環保上減少了傳統直接燃燒秸稈等生物質資源的使用方式，大大提高效率的同時減輕了環境污染。總的來看，包含有太陽能-淺層地熱能-生物質能的可再生能源系統，預計可以較大程度滿足農村地區冷-熱-電綜合能源需求，具有廣闊發展前景。

參考文獻

[1]廖華，魏一鳴. 我國農村居民生活用能現狀與展望[R]. 2019. CEEP-BIT-2019-003.

[2]付虎. 分布式光伏電源并網及對配電網的影響分析[D]. 華北電力大學， 2018.

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

[4]仇煥廣，嚴健標，江穎等. 中國農村可再生能源消費現狀及影響因素分析[J]. 北京理工大學學報（社會科學版）. 2015， 17（03）： 10-15.

[5]蔡玉峰，王竹，賀勇. 德國小城鎮淺層地熱運用的解析與啟發[J]. 華中建筑. 2017， 35（04）： 63-66.

[6]張帆，楊明皓. 中國農村分布式供能模式供需分析[J]. 電力系統保護與控制. 2010， 38（23）： 121-125.

[7]鄧波，龍惟定. 中深層地熱資源合理開發利用現狀綜述[Z]. 中國北京： 2019.8.