光伏/光熱/沼氣能源生態(tài)模式設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬學(xué)文 魚(yú)慧 魏蓉

摘? 要：該文針對(duì)陜西省榆陽(yáng)區(qū)連陰雨雪天氣光伏發(fā)電少、光熱采暖熱量不足、冬季低溫沼氣池難以啟動(dòng)運(yùn)行甚至凍壞池體的現(xiàn)實(shí)情況，設(shè)計(jì)采用光伏發(fā)電、光熱太陽(yáng)能采暖和沼氣系統(tǒng)組合運(yùn)行應(yīng)用的能源生態(tài)模式，打破單一系統(tǒng)新能源使用受限問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)清潔能源互補(bǔ)持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)高效利用，促進(jìn)農(nóng)村節(jié)能減排、低碳生活、綠色發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，服務(wù)打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”、“碧水攻堅(jiān)戰(zhàn)”、“凈土防御戰(zhàn)”，推進(jìn)美麗新農(nóng)村建設(shè)和鄉(xiāng)村全面振興。

關(guān)鍵詞：光伏/光熱/沼氣;能源生態(tài)模式;設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) S214;S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）08-0162-03

Abstract：In view of the fact that the restricted use of New Energy in a single systemin Yuyang District of Shaanxi Province，the fact that there is less photovoltaic power generation and insufficient heat for light and heat heatingduring rainy and snowy weather，the fact that biogas pools are difficult to start up and run，and even freeze out the pool body in winter，this paper presents a energy eco-model which combinedby photovoltaic power generation，photothermal solar heating and biogas system to break the restriction on the use of New Energy in a single system. Expected to achieve complementary and sustainable use of clean energyand the efficient utilization of the agricultural waste，promote the energy conservation and emission reduction of the rural areas and achieve the low-carbon life，green development and industrial transformation and upgrading，service win "blue sky security war"，"water and water attack"，"net-soil defense"、 advance beautiful new countryside construction and rural comprehensive revitalization.

Key words：Photovoltaic and photothermal and biogas;Energy eco-model;Design and application

榆陽(yáng)區(qū)位于陜西省北部，地處毛烏素沙漠南緣，與內(nèi)蒙古接壤。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季清朗溫和，冬季寒冷干燥。年太陽(yáng)輻射達(dá)5500～6000MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量4.2～4.5kW·h/m2，年均日照時(shí)數(shù)為2600～2900h，是全國(guó)太陽(yáng)能資源富集區(qū)之一，是陜西省太陽(yáng)能資源高值區(qū)，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能有著得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢(shì)。同時(shí)該區(qū)從2006年開(kāi)始建設(shè)沼氣池，目前已建成戶(hù)用沼氣13000多口，大型沼氣6處，養(yǎng)殖場(chǎng)中小型沼氣工程62處，沼氣入戶(hù)率占農(nóng)村常住戶(hù)的50%以上。近年來(lái)，隨著榆林能源化工基地崛起，促進(jìn)了本區(qū)農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，成為國(guó)家級(jí)糧食生產(chǎn)大區(qū)，2018年糧食產(chǎn)量突破25萬(wàn)t，羊子、生豬分別達(dá)到234萬(wàn)只、114萬(wàn)頭，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值突破50億元。但是發(fā)展的同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染，特別是畜禽糞污、秸稈等農(nóng)業(yè)有機(jī)物得不到有效處理利用，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品用量持續(xù)增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題日漸凸顯。為此，榆陽(yáng)區(qū)從2016年開(kāi)始實(shí)施建設(shè)農(nóng)村新能源產(chǎn)品、新能源技術(shù)、新能源工程與循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)新模式、新技術(shù)、新工藝融合示范項(xiàng)目，探索光伏、光熱、沼氣能源生態(tài)模式設(shè)計(jì)與應(yīng)用，通過(guò)2年示范，運(yùn)行效果良好。

1 模式設(shè)計(jì)

榆陽(yáng)區(qū)光伏、光熱、沼氣互補(bǔ)利用能源生態(tài)模式是以光伏發(fā)電系統(tǒng)、光熱太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)和沼氣發(fā)酵系統(tǒng)為基本裝置，通過(guò)優(yōu)化組合配置，實(shí)現(xiàn)各能量流動(dòng)互補(bǔ)利用及物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)利用，具有綠色高效、節(jié)能減排、低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，模式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置 包括光伏電池組件、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器和交流配電柜。光伏電池組件吸收太陽(yáng)光使離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生直流電，經(jīng)直流匯流箱集中送入直流配電柜，通過(guò)并網(wǎng)逆變器逆變成交流電接入國(guó)家電網(wǎng)，多余或不足的電力通過(guò)聯(lián)接電網(wǎng)調(diào)節(jié)。本模式為10kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用低壓并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用余電上網(wǎng)，是生活用電和該模式能源互補(bǔ)利用的核心，直接補(bǔ)充太陽(yáng)能采暖供熱不足問(wèn)題，保證冬季連陰雨雪天氣正常取暖和冬季沼氣池正常發(fā)酵溫度需求。

1.2 光熱太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)裝置 包括集熱、循環(huán)、控制、終端使用和能源補(bǔ)充裝置。太陽(yáng)能集熱管吸收太陽(yáng)能熱量使集熱管中水溫升高，熱水通過(guò)循環(huán)控制系統(tǒng)接入居室采暖終端使用。本模式中采用光伏電能和沼氣2種新能源作為太陽(yáng)能采暖補(bǔ)充能源，設(shè)計(jì)了沼氣+薪柴/煤炭燃燒鍋爐和電熱棒加熱補(bǔ)充太陽(yáng)能采暖升溫裝置，是冬季居室采暖和日常生活熱水供應(yīng)及冬季沼氣池增溫發(fā)酵的熱量來(lái)源（沼氣池增溫采用太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)熱水通過(guò)管道輸送沖洗養(yǎng)殖圈舍糞污入沼氣池提高沼氣池發(fā)酵溫度），是冬季居室取暖和冬季沼氣應(yīng)用的樞紐，保證了嚴(yán)寒季節(jié)沼氣池正常發(fā)酵處理糞污溫度需求，防止了沼氣池池體凍裂事故發(fā)生。

1.3 沼氣發(fā)酵系統(tǒng)裝置 包括沼氣池、廁所、圈舍、供氣、爐灶等裝置，一頭連接養(yǎng)殖業(yè)、一頭連接種植業(yè)，是物質(zhì)和能量循環(huán)轉(zhuǎn)化利用的紐帶。沼氣可用作日常炊事、照明和溫室生產(chǎn)增溫及增施二氧化碳?xì)夥?，也可燃燒補(bǔ)充冬季太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)供熱不足問(wèn)題。沼肥（沼渣、沼液）是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，廣泛用于特色種植業(yè)，是發(fā)展綠色循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。沼氣池是連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的橋梁，可實(shí)現(xiàn)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)廢棄物無(wú)害化處理及能源和資源化利用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染治理和種養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)平衡協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。該示范基地形成了“豬（羊）→沼→糧（果、菜）”生態(tài)種養(yǎng)循環(huán)生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)能量高效循環(huán)利用和產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

2 應(yīng)用模式

2.1 光伏光熱沼氣能源生態(tài)模式 配置光伏發(fā)電、光熱太陽(yáng)能采暖和沼氣3套裝置，利用光伏發(fā)電補(bǔ)充太陽(yáng)能采暖，太陽(yáng)能采暖補(bǔ)充沼氣，沼氣補(bǔ)充太陽(yáng)能采暖，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)利用。一是為降低建設(shè)成本，采用并網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)利用的核心;二是針對(duì)取暖和滿(mǎn)足沼氣池冬季正常發(fā)酵溫度需求，配置光熱太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)利用的樞紐;三是為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物資源化循化高效利用，配置沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)，是連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的橋梁，是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化循環(huán)利用的紐帶。此外，3套裝置可任意選擇其中2個(gè)，兩兩自由組合應(yīng)用，建設(shè)規(guī)?？纱罂尚?，靈活方便。

2.2 光伏沼氣能源生態(tài)模式 配置光伏發(fā)電和沼氣發(fā)酵系統(tǒng)裝置，用光伏發(fā)電加熱裝置加熱冷水沖洗圈舍畜禽糞污進(jìn)入沼氣池，補(bǔ)充提高沼氣池料液發(fā)酵溫度，實(shí)現(xiàn)沼氣池冬季正常發(fā)酵利用和無(wú)害化處理畜禽糞污，防止沼氣池凍壞，并為溫室冬季生產(chǎn)提供高效沼肥和燃燒沼氣提高溫室溫度及補(bǔ)充溫室CO2氣肥，提高作物產(chǎn)量品質(zhì)。

2.3 光熱沼氣能源生態(tài)模式 配置光熱太陽(yáng)能采暖和沼氣發(fā)酵系統(tǒng)裝置，用太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)熱水沖洗圈舍畜禽糞污進(jìn)入沼氣池，補(bǔ)充提高沼氣池料液發(fā)酵溫度，同時(shí)沼氣燃燒補(bǔ)充連陰雨雪天氣太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)熱量及溫室溫度，實(shí)現(xiàn)冬季2套系統(tǒng)互補(bǔ)利用，也可為冬季溫室生產(chǎn)提供高效沼肥。

2.4 光伏光熱清潔能源模式 配置光伏發(fā)電和光熱太陽(yáng)能采暖裝置，用光伏發(fā)電加熱裝置補(bǔ)充低溫陰雨雪天氣光熱采暖系統(tǒng)熱量供應(yīng)不足問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)晴天系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行、光伏發(fā)電貯電及陰天補(bǔ)能。

3 效益分析

光伏、光熱、沼氣3套清潔能源系統(tǒng)共需投資40萬(wàn)元。其中沼氣系統(tǒng)建有150m3沼氣池1處、配套建設(shè)豬圈240m2、廁所6m2并和沼氣池相通，安裝沼氣炊事照明設(shè)備、溫室沼氣燃燒增溫設(shè)備和太陽(yáng)能采暖沼氣補(bǔ)充燃燒裝置及電加熱裝置等，投資15萬(wàn)元;建設(shè)分布式光伏發(fā)電10kW，并入國(guó)家低壓電網(wǎng)，投資10萬(wàn)元;太陽(yáng)能采暖房350m2，投資15萬(wàn)元。

3.1 光伏發(fā)電效益 2018年光伏累計(jì)發(fā)電1.5萬(wàn)kW·h，電售價(jià)0.75元/kW·h，共計(jì)收入11250元;基地年生產(chǎn)生活用電2.4萬(wàn)kW·h，電費(fèi)0.25元/kW·h，合計(jì)電費(fèi)支出6000元;通過(guò)光伏發(fā)電應(yīng)用不但可滿(mǎn)足基地60%以上用電，而且年可創(chuàng)收5250元。

3.2 沼氣效益 150m3沼氣池年無(wú)害化處理基地10頭豬、300多只羊的糞污和部分農(nóng)作物莖桿，生產(chǎn)沼肥300t、折價(jià)6萬(wàn)元，可滿(mǎn)足基地6.67hm2耕地施肥需求;產(chǎn)沼氣1.6萬(wàn)m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤11.34t、折價(jià)4000～5000元，可滿(mǎn)足基地30多人炊事、育苗溫室增溫和補(bǔ)充光熱采暖用能，年減少二氧化碳排放量41.6t;沼肥應(yīng)用促進(jìn)了綠色生態(tài)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了示范基地果菜產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效，基地年種植養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)增收節(jié)支10萬(wàn)元，成為該區(qū)發(fā)展綠色循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)典型樣板，每年吸引1000多人次參觀學(xué)習(xí)。

3.3 太陽(yáng)能采暖效益 基地350m2采暖面積根據(jù)往年取暖季最低5個(gè)月計(jì)算需煤18t，取暖費(fèi)7000～8000元，安裝太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)后節(jié)約了該項(xiàng)支出，改變了農(nóng)村燒柴、燒煤原始取暖方式，實(shí)現(xiàn)了家居溫暖清潔化，為農(nóng)村治理霧霾、保護(hù)藍(lán)天、提高生活水平提供了典型示范。

4 強(qiáng)化建設(shè)保障建議

4.1 技術(shù)保障 一是建設(shè)光伏發(fā)電和光熱太陽(yáng)能采暖時(shí)，須考慮當(dāng)?shù)靥?yáng)日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射量，日照時(shí)間短，光照差的地區(qū)運(yùn)行效果不佳;二是須根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥?、氣溫條件、采暖面積和熱量損失核算安裝太陽(yáng)能采暖集熱面積;三是須根據(jù)現(xiàn)有資源和現(xiàn)實(shí)需求靈活選用能源生態(tài)模式。

4.2 政策保障 一是堅(jiān)持政府引導(dǎo)、群眾自愿原則;二是堅(jiān)持發(fā)展清潔能源利用與種養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)有效銜接融合的原則;三是堅(jiān)持簡(jiǎn)化辦事流程、提高服務(wù)質(zhì)量的原則。

4.3 運(yùn)行保障 一是政府應(yīng)加大農(nóng)村新能源利用投入，推行以獎(jiǎng)代補(bǔ)辦法，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，提高農(nóng)民建設(shè)的積極性;二是技術(shù)部門(mén)應(yīng)加大農(nóng)村新能源技術(shù)和循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)工作，提高服務(wù)質(zhì)量，排解農(nóng)民后顧之憂(yōu);三是全社會(huì)應(yīng)廣泛宣傳支持，特別是電力等部門(mén)應(yīng)簡(jiǎn)化辦事流程和手續(xù)，降低行業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻，以開(kāi)放包容的精神互利合作。

5 結(jié)論

綜上分析，光伏、光熱、沼氣不管是單個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，還是兩兩組合運(yùn)行亦或三者組合應(yīng)用，其能源、生態(tài)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等效益顯著，特別是光伏、光熱、沼氣能源生態(tài)模式更有利于克服單個(gè)系統(tǒng)缺陷，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)利用最佳配置和生態(tài)效益最大化。同時(shí)，無(wú)論哪種模式，設(shè)計(jì)規(guī)模可大可小，組合靈活，技術(shù)簡(jiǎn)單，資金投入收益率高。該能源生態(tài)模式應(yīng)用順應(yīng)時(shí)代發(fā)展方向，適合當(dāng)前我國(guó)綠色發(fā)展理念要求和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展要求及污染防治治理需求，在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)、日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)的地區(qū)，有種植、養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)和沼氣池的農(nóng)戶(hù)、家庭農(nóng)場(chǎng)及規(guī)?；r(nóng)業(yè)企業(yè)可大力推廣使用。

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（責(zé)編：徐世紅）