新能源在中国农村地区的应用与普及

郭放　孙迎建　郝瑞林

中国有14亿人口，世界之最。其中，农业人口占据了一半，这意味着在中国农村地区生活着约7亿人口。大部分农村都远离大城市和经济中心。这导致对于农业人口的能源运输成为一个巨大的问题。同时，中国国土面积约960万平方公里，幅员辽阔，地形复杂。这无疑增大了能源输送的难度。但是，复杂的地形也为新能源发展提供了条件。在中国，几乎所有新能源都有所利用。这其中，有两种最广泛用于农村。一种是风能，主要用于内蒙古；另一种是农耕地区大量运用的沼气。此论文将主要讨论这两种新能源。同时也将探究新能源在中国农村地区的前景。

风能在内蒙古的发展主要由于该地区人口密度低，地形和气候条件有利于风能的利用。在面积上，内蒙古占据了全国面积的12%，人口仅为总人口的1.84%，这其中大部分为蒙古族。与其他民族不同，蒙古族属于游牧民族，以放牧为生。他们并没有固定住所，也不以村或镇为单位聚集。多数时候，也许只有一户人家生活在很大一片区域内。另外，整个家庭随着季节变化变换住所，以找到最适合放牧的地点。对于这种生活习俗，受西伯利亚冷空气和蒙古高原飓风的影响，内蒙古地区有丰富的风力资源。风力发电成为一种可行和高效的措施。

沼气在中国农村地区的应用是利用农业废物和动物粪便。中国是一个传统的农业国家。直至今日，农业依旧是一个至关重要的产业。中国的农耕历史始于公元前7500年。自20世纪80年代起，中国就成功地将沼气用作一种家用能源。20世纪90年代，中国的沼气建设已延伸至西部那些化石燃料不足，供电不足的地区。对于发展中国家，沼气的应用不仅解决了能源供应不足的问题，更提高了农村地区人民的生活质量。

具体应用

这部分将具体讨论风电和沼气这两种新能源。包括使用的历史，涉及到的科技原理以及未来发展前景。

内蒙古地区风能的利用

风能利用的历史。中国在风能的利用方面有很长的历史，可追溯至3000年前的商朝。最早运用于帆船。利用风力的水轮也在古书中有记载。利用风来灌溉和制造食盐的技术一直沿用至20世纪50年代。

中国农村地区发展风能的动机。中国政府发展风能技术主要有四个方面的动机：经济、环境、社会和科技。经济利益是最明显的因素。由于有着高质量的风力资源，中国许多地区都非常适合发展风能。最典型的便是内蒙古地区。内蒙古位于北纬38度至53度地区，受西伯利亚冷空气和蒙古高原飓风影响。每年超过20m/s風速的总风时可达4000-5000小时。该地区的风力稳定性、持久性都很高，有利于建设风电场。此外，这种离网的能源系统可以显著降低维护费用和长距离的线路损耗。这样也就降低了电力系统的造价和农民的经济负担。不仅如此，化石燃料的消耗是一个非常严峻和现实的问题。在人类文明快速发展的进程中，经历过几次能源危机。对煤炭、石油、天然气和其他化石燃料的过度开采将导致能源的最终枯竭。所以，大力发展风能不仅是出于经济因素的考虑，更符合发展新能源产业的要求。

第二方面，与传统的发电方式如热电、核电相比，风能既安全又环保，有其独特的优势。作为发展中国家，中国在高速发展中遭遇了环境污染的代价。未来要面临多种产业的发展，环境问题就变成了挑战社会进程的主要问题。1997年，联合国起草了《京都议定书》，提到了发展新能源，减少温室气体排放。风能在能量转换过程中不会产生烟灰、二氧化硫、一氧化碳及其他污染物。

第三方面，发展风能可以直接或间接地为整个社会提供就业机会。不仅在生产和安装工艺方面，还体现在整个系统的运行维护方面。现如今在中国，风能的发展和使用早已成为热门话题，许多人对风能很感兴趣，对于政府的风能产业和项目大力支持。尽管风能的成熟度和效益还不如热力能源，人们依旧愿意尝试让它走进千家万户。

最后一方面是科技的驱动力。多方面多领域科学技术的渗透和提升都成为风能发展的最强驱动力。风能发电机和发电系统的设计和进步涉及到许多领域，如空气动力学理论的应用和材质轻强度大的新型材料。

当今的风能技术和未来在中国的发展。这一部分将简要介绍风是怎样形成的以及风力涡轮机的基本结构。受太阳照射，地球表面不均匀受热，导致大气压的不均匀分布。受气压差的影响，空气水平移动，也就形成了风。风力涡轮机将风能转化成机械能，再进一步转化成电能。当气流吹过叶片，带动叶片转动，随之带动旋翼叶毂转动。这样，就完成了风能向机械能转化的过程。接着，与之连接的轴带动齿轮箱，进而驱动发电机，完成由机械能向电能的转换。风能与风速的立方成正比。如果风速增加一倍，能量将达到原来的八倍。这意味着风速对于建设风力发电厂至关重要。

理论上讲，60%的风能可以转化成机械能，现代的风力涡轮机最高效率可达40%。随着科技的发展，风力涡轮机的设计者开始改变叶片的大小和形状及发电机的类别以达到更高的效率。

中国西部农村地区沼气的应用

沼气普及的背景。在中国农村，资源匮乏，农业废物却严重浪费。只有发展生态农业才是中国农业的基本途径。生态农业强调循环、再生、可持续发展。沼气发酵是达到能量转换，材料回收利用和综合利用农业废料的最佳方法和关键点。它融合了生态系统、生产者、消费者、和分解者。

甲烷发酵过程产生沼气、泥浆和残渣等。这些产物在建设生态农业过程中扮演着重要角色。近些年，以沼气发展为契机，生态农业工程模式也快速发展起来，成效显著。尤其是在减少牲畜饲养产业的排泄物方面。

沼气在中国的发展史。中国的沼气利用开始于20世纪70年代。政府开始重视农村地区的能源问题。从那时起，约有6000个家庭用上了沼气。1980年，这个数据增长到了7230000。到1986年底，约有沼气池453000座。20世纪90年代，沼气利用的技术大大提高。当时有很多重大突破，如更优质的沼气池，更先进的发酵技术，成熟的利用途径以及管理方法。与此同时，中国的沼气战略向更远的广西东部地区延伸。该地区电能严重短缺。到2000年底，中国有9800000座家用沼气池。从那以后，政府加大了农村地区沼气建设的投资。到2005年底，18000000家庭用上了沼气。

沼气的生成原理。沼气的构成和品质：沼气是一种可燃的混合气体，主要成分是甲烷，含量达55-70%，25-40%为二氧化碳，另外还有小部分的氢气、硫化氢、一氧化碳、氮等。

沼气发酵的基本原理：甲烷发酵的本质是微生物自身和能量新陈代谢的生理过程。在甲烷发酵过程中，为了在厌氧条件下创造出微生物自身生存繁殖所需的能量，微生物分解一些高能量的有机物为其新陈代谢释放能量，同时产生一些低能的部分。

沼气发酵过程：第一阶段是液化过程。微生物细胞外产生的酶（如纤维素、淀粉酶、蛋白酶）将有机物酶解，多糖被水解为单糖，蛋白质被分解为氨基酸和缩氨酸。通过酶解作用，将固体物质转化为可溶于水的物质。这些物质进入微生物细胞，参与细胞内的生化反应。第二阶段是产酸作用。以上过程的水解产物可以进入微生物细胞，在细胞内的酶解作用下，进一步分解为小分子物质，如挥发性脂肪酸、酒精、乙醛、酮、油脂、中性化合物、氢、二氧化碳、乙酸等。这些物质占80%左右。这阶段包含的细菌都是产酸细菌。第三阶段是产生沼气。这一阶段，产生氨的细菌不断繁殖，变得更活跃。氨氮浓度上升，挥发性酸浓度下降，给产烷生物、产生沼气的细菌提供了一个良好的生存环境。

a.酒精和二氧化碳产生甲烷气体

2CH3CH2OH+CO2→2CH3COOH+CH4

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O

b.挥发性酸产生甲烷气体

2CH3CH2CH2COOH+2H2O+C02→4CH3COOH+CH4

c.二氧化碳与氢气反应产生甲烷气体

CO2+4H2→CH4+2H2O

沼气发酵的这三个阶段相互联系，彼此交叉进行，以保持动平衡。在正常条件下，消化分解有机物和瓦斯气体是相对稳定的。如果平衡被破坏，将会影响气体产量。如果液化阶段酸产物的发酵速率过慢，沼气产生速度将会变得非常缓慢，整个发酵过程周期会变长。原料的分解将会不完全，导致产生更多的残渣。然而，如果产酸过程速度太快，逼近前两个阶段的甲烷产生速率，将会积累大量的有机酸，这会产生酸抑制，也会影响气体产生。如果发生严重的“酸中毒”，将不会产生沼气。

農村家用沼气池中沼气发酵的基本条件

合适的碳、氮浓度。沼气发酵可以根据成分分为富氮材料和富碳材料。富氮材料主要有人、牲畜、家禽的粪便。富碳材料主要有农作物残渣，如麦秆、外壳。氮和碳的比例不同会导致沼气产量的变化。从营养和新陈代谢角度看，细菌的消耗速度是氮的20-30倍。因此，在其他条件满足的情况下，碳、氮比达到25：1至30：1可令沼气发酵达到较合适的速度。

足量的高质细菌。种菌主要来源于沼气池、湖泊、沼泽、池塘底部、管沟污泥、动物排泄物、动物粪便等地方。种菌的添加量多为总量的10%-30%。增加其添加量会加快气体产生速率、提高产品质量、降低偏差率。

严格的厌氧环境。沼气微生物和产烷生物的核心菌群是一种对氧气十分敏感的厌氧菌。空气中的氧气会抑制其活性，甚至致其死亡。沼气生产只能在严格的厌氧条件下进行。因此，沼气池必须有良好的密封性。

适宜的发酵温度。温度是沼气发酵的一个重要的外部因素。如果温度适宜，细菌活性会比较高，厌氧消化和沼气生成速率也会加快。

研究显示，在10-60°C范围内，甲烷气体可以自然地生成。如将发酵温度分为三个范围，46-60°C为高温发酵，28-38°C为中温发酵，10-26°C为常温发酵。农村的沼气池中温度为常温。尽管常温发酵范围较广，但在此区间内，温度越高，气体质量越好。

宜的pH值。沼气微生物的生长和繁殖需要发酵原材料保持在中性pH值或弱碱性环境。过酸或过碱都会影响气体产生。农村使用的沼气池一般不需要人工调节pH值。

发酵的稳定浓度。干性材料的适宜浓度为4-10%，这意味着发酵原料中含90-96%的水分。浓度随温度变化而变化，夏天在6%左右，冬天大约为8-10%。浓度过高或过低都不利于沼气发酵的进行。

未来发展

上文提到过风能和沼气在中国农村地区的发展前景。然而，除去这两种能源，还有更多的新能源可以用于中国偏远的农村地区。例如，在偏远山区，风能和沼气可能并不适用，但是这些地区有丰富的地热能源。由于太阳能有轻便的优点，它在内蒙古地区仍然广泛适用。

根据本文的研究，新型能源在中国农村地区有四大发展趋势：

更经济：经济成本是新型能源在中国农村应用的最重要方面。新能源应当更加经济。

更高效：对于一些偏远地区而言，新型能源可能成为当地的唯一能源。因此，发展更高效的新能源才能提供充足的能量。

便于存储：对于新型能源系统，将技术人员分派到每个远方地区是不可能的。也不可能对农村地区的农民、牧民一一进行科普教育。在这种情况下，将能量储存起来变得易于使用就非常重要。

更便携：正如上文提到的，内蒙古地区的牧民随季节迁移，所以新能源系统的便携性非常重要，应当便于打包携带。

新能源的发展应当遵循这四个原则。

此论文主要探究了新能源在中国农村地区应用的背景。也探讨了中国农村地区使用的新能源技术原理以及新能源的未来发展前景。新能源在中国农村地区的应用不仅解决了千万人的日常需求，也在最大程度上改善了环境。中国政府也出台了相关法律和政策支持新能源建设。并投入了大量资金。随着更多的新能源在农村地区应用，中国农村会发展得越来越好，整个国家的环境问题也将得到改善。