新能源在中國農村地區的應用與普及

郭放　孫迎建　郝瑞林

中國有14億人口，世界之最。其中，農業人口占據了一半，這意味著在中國農村地區生活著約7億人口。大部分農村都遠離大城市和經濟中心。這導致對于農業人口的能源運輸成為一個巨大的問題。同時，中國國土面積約960萬平方公里，幅員遼闊，地形復雜。這無疑增大了能源輸送的難度。但是，復雜的地形也為新能源發展提供了條件。在中國，幾乎所有新能源都有所利用。這其中，有兩種最廣泛用于農村。一種是風能，主要用于內蒙古；另一種是農耕地區大量運用的沼氣。此論文將主要討論這兩種新能源。同時也將探究新能源在中國農村地區的前景。

風能在內蒙古的發展主要由于該地區人口密度低，地形和氣候條件有利于風能的利用。在面積上，內蒙古占據了全國面積的12%，人口僅為總人口的1.84%，這其中大部分為蒙古族。與其他民族不同，蒙古族屬于游牧民族，以放牧為生。他們并沒有固定住所，也不以村或鎮為單位聚集。多數時候，也許只有一戶人家生活在很大一片區域內。另外，整個家庭隨著季節變化變換住所，以找到最適合放牧的地點。對于這種生活習俗，受西伯利亞冷空氣和蒙古高原颶風的影響，內蒙古地區有豐富的風力資源。風力發電成為一種可行和高效的措施。

沼氣在中國農村地區的應用是利用農業廢物和動物糞便。中國是一個傳統的農業國家。直至今日，農業依舊是一個至關重要的產業。中國的農耕歷史始于公元前7500年。自20世紀80年代起，中國就成功地將沼氣用作一種家用能源。20世紀90年代，中國的沼氣建設已延伸至西部那些化石燃料不足，供電不足的地區。對于發展中國家，沼氣的應用不僅解決了能源供應不足的問題，更提高了農村地區人民的生活質量。

具體應用

這部分將具體討論風電和沼氣這兩種新能源。包括使用的歷史，涉及到的科技原理以及未來發展前景。

內蒙古地區風能的利用

風能利用的歷史。中國在風能的利用方面有很長的歷史，可追溯至3000年前的商朝。最早運用于帆船。利用風力的水輪也在古書中有記載。利用風來灌溉和制造食鹽的技術一直沿用至20世紀50年代。

中國農村地區發展風能的動機。中國政府發展風能技術主要有四個方面的動機：經濟、環境、社會和科技。經濟利益是最明顯的因素。由于有著高質量的風力資源，中國許多地區都非常適合發展風能。最典型的便是內蒙古地區。內蒙古位于北緯38度至53度地區，受西伯利亞冷空氣和蒙古高原颶風影響。每年超過20m/s風速的總風時可達4000-5000小時。該地區的風力穩定性、持久性都很高，有利于建設風電場。此外，這種離網的能源系統可以顯著降低維護費用和長距離的線路損耗。這樣也就降低了電力系統的造價和農民的經濟負擔。不僅如此，化石燃料的消耗是一個非常嚴峻和現實的問題。在人類文明快速發展的進程中，經歷過幾次能源危機。對煤炭、石油、天然氣和其他化石燃料的過度開采將導致能源的最終枯竭。所以，大力發展風能不僅是出于經濟因素的考慮，更符合發展新能源產業的要求。

第二方面，與傳統的發電方式如熱電、核電相比，風能既安全又環保，有其獨特的優勢。作為發展中國家，中國在高速發展中遭遇了環境污染的代價。未來要面臨多種產業的發展，環境問題就變成了挑戰社會進程的主要問題。1997年，聯合國起草了《京都議定書》，提到了發展新能源，減少溫室氣體排放。風能在能量轉換過程中不會產生煙灰、二氧化硫、一氧化碳及其他污染物。

第三方面，發展風能可以直接或間接地為整個社會提供就業機會。不僅在生產和安裝工藝方面，還體現在整個系統的運行維護方面。現如今在中國，風能的發展和使用早已成為熱門話題，許多人對風能很感興趣，對于政府的風能產業和項目大力支持。盡管風能的成熟度和效益還不如熱力能源，人們依舊愿意嘗試讓它走進千家萬戶。

最后一方面是科技的驅動力。多方面多領域科學技術的滲透和提升都成為風能發展的最強驅動力。風能發電機和發電系統的設計和進步涉及到許多領域，如空氣動力學理論的應用和材質輕強度大的新型材料。

當今的風能技術和未來在中國的發展。這一部分將簡要介紹風是怎樣形成的以及風力渦輪機的基本結構。受太陽照射，地球表面不均勻受熱，導致大氣壓的不均勻分布。受氣壓差的影響，空氣水平移動，也就形成了風。風力渦輪機將風能轉化成機械能，再進一步轉化成電能。當氣流吹過葉片，帶動葉片轉動，隨之帶動旋翼葉轂轉動。這樣，就完成了風能向機械能轉化的過程。接著，與之連接的軸帶動齒輪箱，進而驅動發電機，完成由機械能向電能的轉換。風能與風速的立方成正比。如果風速增加一倍，能量將達到原來的八倍。這意味著風速對于建設風力發電廠至關重要。

理論上講，60%的風能可以轉化成機械能，現代的風力渦輪機最高效率可達40%。隨著科技的發展，風力渦輪機的設計者開始改變葉片的大小和形狀及發電機的類別以達到更高的效率。

中國西部農村地區沼氣的應用

沼氣普及的背景。在中國農村，資源匱乏，農業廢物卻嚴重浪費。只有發展生態農業才是中國農業的基本途徑。生態農業強調循環、再生、可持續發展。沼氣發酵是達到能量轉換，材料回收利用和綜合利用農業廢料的最佳方法和關鍵點。它融合了生態系統、生產者、消費者、和分解者。

甲烷發酵過程產生沼氣、泥漿和殘渣等。這些產物在建設生態農業過程中扮演著重要角色。近些年，以沼氣發展為契機，生態農業工程模式也快速發展起來，成效顯著。尤其是在減少牲畜飼養產業的排泄物方面。

沼氣在中國的發展史。中國的沼氣利用開始于20世紀70年代。政府開始重視農村地區的能源問題。從那時起，約有6000個家庭用上了沼氣。1980年，這個數據增長到了7230000。到1986年底，約有沼氣池453000座。20世紀90年代，沼氣利用的技術大大提高。當時有很多重大突破，如更優質的沼氣池，更先進的發酵技術，成熟的利用途徑以及管理方法。與此同時，中國的沼氣戰略向更遠的廣西東部地區延伸。該地區電能嚴重短缺。到2000年底，中國有9800000座家用沼氣池。從那以后，政府加大了農村地區沼氣建設的投資。到2005年底，18000000家庭用上了沼氣。

沼氣的生成原理。沼氣的構成和品質：沼氣是一種可燃的混合氣體，主要成分是甲烷，含量達55-70%，25-40%為二氧化碳，另外還有小部分的氫氣、硫化氫、一氧化碳、氮等。

沼氣發酵的基本原理：甲烷發酵的本質是微生物自身和能量新陳代謝的生理過程。在甲烷發酵過程中，為了在厭氧條件下創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機物為其新陳代謝釋放能量，同時產生一些低能的部分。

沼氣發酵過程：第一階段是液化過程。微生物細胞外產生的酶（如纖維素、淀粉酶、蛋白酶）將有機物酶解，多糖被水解為單糖，蛋白質被分解為氨基酸和縮氨酸。通過酶解作用，將固體物質轉化為可溶于水的物質。這些物質進入微生物細胞，參與細胞內的生化反應。第二階段是產酸作用。以上過程的水解產物可以進入微生物細胞，在細胞內的酶解作用下，進一步分解為小分子物質，如揮發性脂肪酸、酒精、乙醛、酮、油脂、中性化合物、氫、二氧化碳、乙酸等。這些物質占80%左右。這階段包含的細菌都是產酸細菌。第三階段是產生沼氣。這一階段，產生氨的細菌不斷繁殖，變得更活躍。氨氮濃度上升，揮發性酸濃度下降，給產烷生物、產生沼氣的細菌提供了一個良好的生存環境。

a.酒精和二氧化碳產生甲烷氣體

2CH3CH2OH+CO2→2CH3COOH+CH4

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O

b.揮發性酸產生甲烷氣體

2CH3CH2CH2COOH+2H2O+C02→4CH3COOH+CH4

c.二氧化碳與氫氣反應產生甲烷氣體

CO2+4H2→CH4+2H2O

沼氣發酵的這三個階段相互聯系，彼此交叉進行，以保持動平衡。在正常條件下，消化分解有機物和瓦斯氣體是相對穩定的。如果平衡被破壞，將會影響氣體產量。如果液化階段酸產物的發酵速率過慢，沼氣產生速度將會變得非常緩慢，整個發酵過程周期會變長。原料的分解將會不完全，導致產生更多的殘渣。然而，如果產酸過程速度太快，逼近前兩個階段的甲烷產生速率，將會積累大量的有機酸，這會產生酸抑制，也會影響氣體產生。如果發生嚴重的“酸中毒”，將不會產生沼氣。

農村家用沼氣池中沼氣發酵的基本條件

合適的碳、氮濃度。沼氣發酵可以根據成分分為富氮材料和富碳材料。富氮材料主要有人、牲畜、家禽的糞便。富碳材料主要有農作物殘渣，如麥稈、外殼。氮和碳的比例不同會導致沼氣產量的變化。從營養和新陳代謝角度看，細菌的消耗速度是氮的20-30倍。因此，在其他條件滿足的情況下，碳、氮比達到25：1至30：1可令沼氣發酵達到較合適的速度。

足量的高質細菌。種菌主要來源于沼氣池、湖泊、沼澤、池塘底部、管溝污泥、動物排泄物、動物糞便等地方。種菌的添加量多為總量的10%-30%。增加其添加量會加快氣體產生速率、提高產品質量、降低偏差率。

嚴格的厭氧環境。沼氣微生物和產烷生物的核心菌群是一種對氧氣十分敏感的厭氧菌。空氣中的氧氣會抑制其活性，甚至致其死亡。沼氣生產只能在嚴格的厭氧條件下進行。因此，沼氣池必須有良好的密封性。

適宜的發酵溫度。溫度是沼氣發酵的一個重要的外部因素。如果溫度適宜，細菌活性會比較高，厭氧消化和沼氣生成速率也會加快。

研究顯示，在10-60°C范圍內，甲烷氣體可以自然地生成。如將發酵溫度分為三個范圍，46-60°C為高溫發酵，28-38°C為中溫發酵，10-26°C為常溫發酵。農村的沼氣池中溫度為常溫。盡管常溫發酵范圍較廣，但在此區間內，溫度越高，氣體質量越好。

宜的pH值。沼氣微生物的生長和繁殖需要發酵原材料保持在中性pH值或弱堿性環境。過酸或過堿都會影響氣體產生。農村使用的沼氣池一般不需要人工調節pH值。

發酵的穩定濃度。干性材料的適宜濃度為4-10%，這意味著發酵原料中含90-96%的水分。濃度隨溫度變化而變化，夏天在6%左右，冬天大約為8-10%。濃度過高或過低都不利于沼氣發酵的進行。

未來發展

上文提到過風能和沼氣在中國農村地區的發展前景。然而，除去這兩種能源，還有更多的新能源可以用于中國偏遠的農村地區。例如，在偏遠山區，風能和沼氣可能并不適用，但是這些地區有豐富的地熱能源。由于太陽能有輕便的優點，它在內蒙古地區仍然廣泛適用。

根據本文的研究，新型能源在中國農村地區有四大發展趨勢：

更經濟：經濟成本是新型能源在中國農村應用的最重要方面。新能源應當更加經濟。

更高效：對于一些偏遠地區而言，新型能源可能成為當地的唯一能源。因此，發展更高效的新能源才能提供充足的能量。

便于存儲：對于新型能源系統，將技術人員分派到每個遠方地區是不可能的。也不可能對農村地區的農民、牧民一一進行科普教育。在這種情況下，將能量儲存起來變得易于使用就非常重要。

更便攜：正如上文提到的，內蒙古地區的牧民隨季節遷移，所以新能源系統的便攜性非常重要，應當便于打包攜帶。

新能源的發展應當遵循這四個原則。

此論文主要探究了新能源在中國農村地區應用的背景。也探討了中國農村地區使用的新能源技術原理以及新能源的未來發展前景。新能源在中國農村地區的應用不僅解決了千萬人的日常需求，也在最大程度上改善了環境。中國政府也出臺了相關法律和政策支持新能源建設。并投入了大量資金。隨著更多的新能源在農村地區應用，中國農村會發展得越來越好，整個國家的環境問題也將得到改善。