基于太阳能-地热能-生物质能的农村地区可再生能源系统研究

张宏运

摘 要：我国农村地区可再生能源资源丰富、随季节性变化显著，农村用能可再生能源化潜力巨大。欧洲国家在可再生能源应用上的实践经验具有较高参考价值。基于农村地区的可再生能源资源禀赋和能源消费特点，设计了太阳能-浅层地热能-生物质能的可再生能源系统，实现冬、夏两季运行模式，以满足农村地区冷-热-电能源需求。

关键词：可再生能源;太阳能;地热能;生物质能;农村地区

1 我国农村能源发展现状及特征

截至2018年底，我国农村常住人口约5.6亿，占总人口的40.4%。2017年农作物总播种面积166.3万平方公里，占国土面积的17.3%。2014年，农业能源消耗量约7.6亿吨标准煤，占全国能源消耗总量的17.8%，农村能源消费的庞大基数影响着我国能源发展整体水平。

目前，我国农村地区已从根本上改变了长久以来以柴草和煤炭为绝对主导的能源消费格局[1]。到2016年末，99.7%的村庄通电，11.9%的村庄通天然气。太阳能供热、家庭分布式光伏发电已形成较大规模[2]。

1.1农村生活用能

2010年之前，我国农村居民生活用能远低于城镇居民生活用能，但在2010年左右，差距开始急剧减小。根据《中国能源统计年鉴2018》数据，2017年全国人均生活用能量（千克标准煤）为416kgce，其中，城镇人均生活用能量为415kgce，农村人均生活用能量为417kgce，农村人均生活用能已超过城镇人均生活用能。

根据第三次全国农业普查数据，49.3%的农户以燃气为主要的炊事和取暖用能，58.6%的农户以电力为主（每户可以填报不超过两种能源）。农民做饭取暖使用的能源中，主要使用电的占58.6%;主要使用煤气、天然气、液化石油气的占49.3%;主要使用柴草的占44.2%;主要使用煤的占23.9%;主要使用沼气的占0.7%;使用其他能源的占0.5%;主要使用太阳能的占0.2%。

1.2农村生产用能

2017年，农业（含农、林、牧、渔）能源消费总量8931万吨标准煤，其中煤炭1857万吨，汽油229.64万吨，柴油1546.82万吨，天然气1.14亿立方米，电力1175.12亿kWh。生产用能仍以商品能源为主。

1.3农村用能的主要特征

文献分析表明，我国农村能源发展呈现以下特征：

（1）农村家庭的能源消费动态变化，非商品能源消费依然存在，但呈下降趋势。生物质能和煤等传统能源向电力和液化石油气等现代和商业能源的转变正在广泛进行。

（2）农村家庭的能源消费存在较大区域差异。商品能源消费城乡差距较大，地区经济的发展是重要影响因素。不同地域间能源消费差异显著，尤其是南、北方地区，沿海、内陆地区，能源消费有极大优化空间。

（3）传统非商品能源（秸秆、薪柴、畜禽粪便等）可再生能源化程度和消费不断提高，太阳能、风能、水能等发展迅猛，使得农村能源消费结构不断优化，发展更优质、经济性更好的可再生能源能促使农村居民用能习惯发生变化。

2 农村可再生能源发展现状

可再生能源占我国总能源消费结构的12%[3]。农村可再生能源技术已较为成熟，发展迅速，市场广阔。根据《2017年度全国农村可再生能源统计汇总表》，全国户用沼气池4161.14万户，小型沼气工程9.5万个;太阳能热水器4770.84万台，太阳灶227.94万台;小型光伏发电9.5万千瓦;秸秆沼气集中供气454处。

2.1生物质能潜力巨大

生物质在农村地区易于获取、储量丰富，若能根据实际情况加以利用，同时参考欧洲的经验，预计能有较好的发展。仇焕广等[4]发现，农村传统可再生能源（秸秆、薪柴）人均年消费量从2008年的408.56kgce下降到2012年的349.85kgce;新型可再生能源（太阳能、沼气）人均年消费量由2008年的9.31kgce上升到2012年人均26.41kgce，增长较快。

《欧洲生物质能源发展报告》显示，生物质能源是欧洲冬季供暖的必要保障。在欧洲，生物质能源供暖占可再生能源的供暖的93%，占全欧洲总体供暖的12.9%。欧洲应用地热能供暖历史悠久。在德国，应用最为普遍的是约5～20m深的表层地下水区交换式热泵，约8℃～12℃的地下热水从热源井管中被抽出，其热量被热泵抽走后冷却至约4℃，又从回灌井中被重新泵入地下水区[5]。

2.2太阳能快速增长

我国太阳能装机容量增长迅速。2019年，我国光伏发电累计装机达20430万千瓦，占总装机的10%;发电量达2243亿千瓦时，约占总发电量的3%。从地理分布和住房特点来看，农村地区适合发展分布式光伏发电和太阳能集热。

张帆[6]通过估算各地风能、太阳能储量和农村家庭用能量，提出一种假设，即在每户安装1kW风力发电机和1.2m2太阳能集热的分布式供能系统，在全国57%的省份，本地可再生能源可完全满足农村居民生活用能需求。

2.3地热能潜力较大

我国地热能资源储量占世界地热资源的7.9%，以中低温为主，分布广泛。目前我国地热水年开采量约5亿m3，而在我国中东部沉积盆地中就探明地下热水资源491.7亿m3，可见地热资源开发利用潜力很大[7]。

《关于加快浅层地热能开发利用促进北方采暖地区燃煤减量替代的通知》（发改环资〔2017〕2278号）提出，到2020年，浅层地热能在供热（冷）领域得到有效应用，应用水平得到较大提升，在替代民用散煤供熱（冷）方面发挥积极作用，区域供热（冷）用能结构得到优化。

3 农村可再生能源系统初步设想

基于农村地区的可再生能源资源禀赋和能源消费特点，本文舍弃造价较高的风力发电技术，考虑采用常见且成本较低的光伏、地源热、生物质发电技术为农村地区供能。因此，设想包含有太阳能-浅层地热能-生物质能的可再生能源系统，以供应农村地区冷-热-电能源需求。该系统由浅层地热储热/储冷模块、地源热泵、太阳能光伏/热系统、生物质热电联产系统组成，用于供应农村住宅、温室和农田的能源需求。

3.1冬季农村可再生能源系统运行模式

冬季时农村可再生能源系统的运行模式如图3-1所示。温室和住宅所需电能由光伏及生物质发电设备提供，不足部分由电网接入部分提供。温室和住宅在冬季热负荷较大，通过地源热泵获取浅表地热，光伏/热复合系统提供热量不足时，由生物质电厂热电联产补充提供热量。同时，部分储热单元热量消耗后作为储冷单元使用，将冬季冷量存储。

3.2夏季农村可再生能源系统运行模式

夏季时运行模式转换为图3-2所示。此时电气部分运行模式无变化，夏季太阳能光伏/热系统所多发的电能并入电网。生物质热电联产系统及光伏/热系统的热能主要用于补充冬季消耗的土壤蓄热，部分蓄冷单元通过地源热泵为住宅提供制冷。

4 结论

在農村因地制宜地利用可再生能源，包括光伏、地热能、生物质能等，技术上成熟可行;经济上减少了对于一次能源的依赖，长期综合效益较好;环保上减少了传统直接燃烧秸秆等生物质资源的使用方式，大大提高效率的同时减轻了环境污染。总的来看，包含有太阳能-浅层地热能-生物质能的可再生能源系统，预计可以较大程度满足农村地区冷-热-电综合能源需求，具有广阔发展前景。

参考文献

[1]廖华，魏一鸣. 我国农村居民生活用能现状与展望[R]. 2019. CEEP-BIT-2019-003.

[2]付虎. 分布式光伏电源并网及对配电网的影响分析[D]. 华北电力大学， 2018.

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

[4]仇焕广，严健标，江颖等. 中国农村可再生能源消费现状及影响因素分析[J]. 北京理工大学学报（社会科学版）. 2015， 17（03）： 10-15.

[5]蔡玉峰，王竹，贺勇. 德国小城镇浅层地热运用的解析与启发[J]. 华中建筑. 2017， 35（04）： 63-66.

[6]张帆，杨明皓. 中国农村分布式供能模式供需分析[J]. 电力系统保护与控制. 2010， 38（23）： 121-125.

[7]邓波，龙惟定. 中深层地热资源合理开发利用现状综述[Z]. 中国北京： 2019.8.