光伏/光熱/沼氣能源生態模式設計與應用

馬學文 魚慧 魏蓉

摘? 要：該文針對陜西省榆陽區連陰雨雪天氣光伏發電少、光熱采暖熱量不足、冬季低溫沼氣池難以啟動運行甚至凍壞池體的現實情況，設計采用光伏發電、光熱太陽能采暖和沼氣系統組合運行應用的能源生態模式，打破單一系統新能源使用受限問題，實現清潔能源互補持續利用和農業廢棄物循環高效利用，促進農村節能減排、低碳生活、綠色發展和產業轉型升級，服務打贏“藍天保衛戰”、“碧水攻堅戰”、“凈土防御戰”，推進美麗新農村建設和鄉村全面振興。

關鍵詞：光伏/光熱/沼氣;能源生態模式;設計與應用

中圖分類號 S214;S216.4文獻標識碼 A文章編號 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

榆陽區位于陜西省北部，地處毛烏素沙漠南緣，與內蒙古接壤。氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，春季多風，夏季炎熱多雨，秋季清朗溫和，冬季寒冷干燥。年太陽輻射達5500～6000MJ/m2，相當于日輻射量4.2～4.5kW·h/m2，年均日照時數為2600～2900h，是全國太陽能資源富集區之一，是陜西省太陽能資源高值區，開發利用太陽能有著得天獨厚的自然優勢。同時該區從2006年開始建設沼氣池，目前已建成戶用沼氣13000多口，大型沼氣6處，養殖場中小型沼氣工程62處，沼氣入戶率占農村常住戶的50%以上。近年來，隨著榆林能源化工基地崛起，促進了本區農業迅速發展，成為國家級糧食生產大區，2018年糧食產量突破25萬t，羊子、生豬分別達到234萬只、114萬頭，農業總產值突破50億元。但是發展的同時也給環境帶來嚴重污染，特別是畜禽糞污、秸稈等農業有機物得不到有效處理利用，化肥、農藥等農業投入品用量持續增長，農業面源污染問題日漸凸顯。為此，榆陽區從2016年開始實施建設農村新能源產品、新能源技術、新能源工程與循環生態農業新模式、新技術、新工藝融合示范項目，探索光伏、光熱、沼氣能源生態模式設計與應用，通過2年示范，運行效果良好。

1 模式設計

榆陽區光伏、光熱、沼氣互補利用能源生態模式是以光伏發電系統、光熱太陽能采暖系統和沼氣發酵系統為基本裝置，通過優化組合配置，實現各能量流動互補利用及物質轉化循環利用，具有綠色高效、節能減排、低碳環保、經濟實用等優點，模式結構如圖1所示。

1.1 分布式光伏發電系統裝置 包括光伏電池組件、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器和交流配電柜。光伏電池組件吸收太陽光使離子運動產生直流電，經直流匯流箱集中送入直流配電柜，通過并網逆變器逆變成交流電接入國家電網，多余或不足的電力通過聯接電網調節。本模式為10kW分布式光伏發電系統，采用低壓并網，實現自發自用余電上網，是生活用電和該模式能源互補利用的核心，直接補充太陽能采暖供熱不足問題，保證冬季連陰雨雪天氣正常取暖和冬季沼氣池正常發酵溫度需求。

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

1.3 沼氣發酵系統裝置 包括沼氣池、廁所、圈舍、供氣、爐灶等裝置，一頭連接養殖業、一頭連接種植業，是物質和能量循環轉化利用的紐帶。沼氣可用作日常炊事、照明和溫室生產增溫及增施二氧化碳氣肥，也可燃燒補充冬季太陽能采暖系統供熱不足問題。沼肥（沼渣、沼液）是優質有機肥，廣泛用于特色種植業，是發展綠色循環生態農業的物質基礎。沼氣池是連接種植業和養殖業的橋梁，可實現種植業和養殖業廢棄物無害化處理及能源和資源化利用，促進農業面源污染治理和種養殖產業平衡協調可持續發展。該示范基地形成了“豬（羊）→沼→糧（果、菜）”生態種養循環生產模式，實現了物質能量高效循環利用和產業綠色發展。

2 應用模式

2.1 光伏光熱沼氣能源生態模式 配置光伏發電、光熱太陽能采暖和沼氣3套裝置，利用光伏發電補充太陽能采暖，太陽能采暖補充沼氣，沼氣補充太陽能采暖，實現能源互補利用。一是為降低建設成本，采用并網分布式光伏發電系統，是實現能源互補利用的核心;二是針對取暖和滿足沼氣池冬季正常發酵溫度需求，配置光熱太陽能采暖系統，是實現能源互補利用的樞紐;三是為促進農業生產廢棄物資源化循化高效利用，配置沼氣池發酵系統，是連接種植業和養殖業的橋梁，是實現物質能量轉化循環利用的紐帶。此外，3套裝置可任意選擇其中2個，兩兩自由組合應用，建設規模可大可小，靈活方便。

2.2 光伏沼氣能源生態模式 配置光伏發電和沼氣發酵系統裝置，用光伏發電加熱裝置加熱冷水沖洗圈舍畜禽糞污進入沼氣池，補充提高沼氣池料液發酵溫度，實現沼氣池冬季正常發酵利用和無害化處理畜禽糞污，防止沼氣池凍壞，并為溫室冬季生產提供高效沼肥和燃燒沼氣提高溫室溫度及補充溫室CO2氣肥，提高作物產量品質。

2.3 光熱沼氣能源生態模式 配置光熱太陽能采暖和沼氣發酵系統裝置，用太陽能采暖系統熱水沖洗圈舍畜禽糞污進入沼氣池，補充提高沼氣池料液發酵溫度，同時沼氣燃燒補充連陰雨雪天氣太陽能采暖系統熱量及溫室溫度，實現冬季2套系統互補利用，也可為冬季溫室生產提供高效沼肥。

2.4 光伏光熱清潔能源模式 配置光伏發電和光熱太陽能采暖裝置，用光伏發電加熱裝置補充低溫陰雨雪天氣光熱采暖系統熱量供應不足問題，實現晴天系統獨立運行、光伏發電貯電及陰天補能。

3 效益分析

光伏、光熱、沼氣3套清潔能源系統共需投資40萬元。其中沼氣系統建有150m3沼氣池1處、配套建設豬圈240m2、廁所6m2并和沼氣池相通，安裝沼氣炊事照明設備、溫室沼氣燃燒增溫設備和太陽能采暖沼氣補充燃燒裝置及電加熱裝置等，投資15萬元;建設分布式光伏發電10kW，并入國家低壓電網，投資10萬元;太陽能采暖房350m2，投資15萬元。

3.1 光伏發電效益 2018年光伏累計發電1.5萬kW·h，電售價0.75元/kW·h，共計收入11250元;基地年生產生活用電2.4萬kW·h，電費0.25元/kW·h，合計電費支出6000元;通過光伏發電應用不但可滿足基地60%以上用電，而且年可創收5250元。

3.2 沼氣效益 150m3沼氣池年無害化處理基地10頭豬、300多只羊的糞污和部分農作物莖桿，生產沼肥300t、折價6萬元，可滿足基地6.67hm2耕地施肥需求;產沼氣1.6萬m3，折合標準煤11.34t、折價4000～5000元，可滿足基地30多人炊事、育苗溫室增溫和補充光熱采暖用能，年減少二氧化碳排放量41.6t;沼肥應用促進了綠色生態特色農業產業建設，實現了示范基地果菜產業提質增效，基地年種植養殖產業增收節支10萬元，成為該區發展綠色循環生態農業典型樣板，每年吸引1000多人次參觀學習。

3.3 太陽能采暖效益 基地350m2采暖面積根據往年取暖季最低5個月計算需煤18t，取暖費7000～8000元，安裝太陽能采暖系統后節約了該項支出，改變了農村燒柴、燒煤原始取暖方式，實現了家居溫暖清潔化，為農村治理霧霾、保護藍天、提高生活水平提供了典型示范。

4 強化建設保障建議

4.1 技術保障 一是建設光伏發電和光熱太陽能采暖時，須考慮當地太陽日照時數和太陽輻射量，日照時間短，光照差的地區運行效果不佳;二是須根據當地緯度、氣溫條件、采暖面積和熱量損失核算安裝太陽能采暖集熱面積;三是須根據現有資源和現實需求靈活選用能源生態模式。

4.2 政策保障 一是堅持政府引導、群眾自愿原則;二是堅持發展清潔能源利用與種養殖產業及美麗鄉村建設有效銜接融合的原則;三是堅持簡化辦事流程、提高服務質量的原則。

4.3 運行保障 一是政府應加大農村新能源利用投入，推行以獎代補辦法，減輕農民負擔，提高農民建設的積極性;二是技術部門應加大農村新能源技術和循環農業技術指導服務工作，提高服務質量，排解農民后顧之憂;三是全社會應廣泛宣傳支持，特別是電力等部門應簡化辦事流程和手續，降低行業準入門檻，以開放包容的精神互利合作。

5 結論

綜上分析，光伏、光熱、沼氣不管是單個系統獨立運行，還是兩兩組合運行亦或三者組合應用，其能源、生態、環保、經濟、社會等效益顯著，特別是光伏、光熱、沼氣能源生態模式更有利于克服單個系統缺陷，實現能源互補利用最佳配置和生態效益最大化。同時，無論哪種模式，設計規模可大可小，組合靈活，技術簡單，資金投入收益率高。該能源生態模式應用順應時代發展方向，適合當前我國綠色發展理念要求和農業產業轉型升級發展要求及污染防治治理需求，在太陽能輻射強、日照時數長的地區，有種植、養殖產業和沼氣池的農戶、家庭農場及規模化農業企業可大力推廣使用。

參考文獻

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（責編：徐世紅）