光伏/光热/沼气能源生态模式设计与应用

马学文 鱼慧 魏蓉

摘  要：該文针对陕西省榆阳区连阴雨雪天气光伏发电少、光热采暖热量不足、冬季低温沼气池难以启动运行甚至冻坏池体的现实情况，设计采用光伏发电、光热太阳能采暖和沼气系统组合运行应用的能源生态模式，打破单一系统新能源使用受限问题，实现清洁能源互补持续利用和农业废弃物循环高效利用，促进农村节能减排、低碳生活、绿色发展和产业转型升级，服务打赢“蓝天保卫战”、“碧水攻坚战”、“净土防御战”，推进美丽新农村建设和乡村全面振兴。

关键词：光伏/光热/沼气;能源生态模式;设计与应用

中图分类号 S214;S216.4文献标识码 A文章编号 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

榆阳区位于陕西省北部，地处毛乌素沙漠南缘，与内蒙古接壤。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，春季多风，夏季炎热多雨，秋季清朗温和，冬季寒冷干燥。年太阳辐射达5500～6000MJ/m2，相当于日辐射量4.2～4.5kW·h/m2，年均日照时数为2600～2900h，是全国太阳能资源富集区之一，是陕西省太阳能资源高值区，开发利用太阳能有着得天独厚的自然优势。同时该区从2006年开始建设沼气池，目前已建成户用沼气13000多口，大型沼气6处，养殖场中小型沼气工程62处，沼气入户率占农村常住户的50%以上。近年来，随着榆林能源化工基地崛起，促进了本区农业迅速发展，成为国家级粮食生产大区，2018年粮食产量突破25万t，羊子、生猪分别达到234万只、114万头，农业总产值突破50亿元。但是发展的同时也给环境带来严重污染，特别是畜禽粪污、秸秆等农业有机物得不到有效处理利用，化肥、农药等农业投入品用量持续增长，农业面源污染问题日渐凸显。为此，榆阳区从2016年开始实施建设农村新能源产品、新能源技术、新能源工程与循环生态农业新模式、新技术、新工艺融合示范项目，探索光伏、光热、沼气能源生态模式设计与应用，通过2年示范，运行效果良好。

1 模式设计

榆阳区光伏、光热、沼气互补利用能源生态模式是以光伏发电系统、光热太阳能采暖系统和沼气发酵系统为基本装置，通过优化组合配置，实现各能量流动互补利用及物质转化循环利用，具有绿色高效、节能减排、低碳环保、经济实用等优点，模式结构如图1所示。

1.1 分布式光伏发电系统装置 包括光伏电池组件、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器和交流配电柜。光伏电池组件吸收太阳光使离子运动产生直流电，经直流汇流箱集中送入直流配电柜，通过并网逆变器逆变成交流电接入国家电网，多余或不足的电力通过联接电网调节。本模式为10kW分布式光伏发电系统，采用低压并网，实现自发自用余电上网，是生活用电和该模式能源互补利用的核心，直接补充太阳能采暖供热不足问题，保证冬季连阴雨雪天气正常取暖和冬季沼气池正常发酵温度需求。

1.2 光热太阳能采暖系统装置 包括集热、循环、控制、终端使用和能源补充装置。太阳能集热管吸收太阳能热量使集热管中水温升高，热水通过循环控制系统接入居室采暖终端使用。本模式中采用光伏电能和沼气2种新能源作为太阳能采暖补充能源，设计了沼气+薪柴/煤炭燃烧锅炉和电热棒加热补充太阳能采暖升温装置，是冬季居室采暖和日常生活热水供应及冬季沼气池增温发酵的热量来源（沼气池增温采用太阳能采暖系统热水通过管道输送冲洗养殖圈舍粪污入沼气池提高沼气池发酵温度），是冬季居室取暖和冬季沼气应用的枢纽，保证了严寒季节沼气池正常发酵处理粪污温度需求，防止了沼气池池体冻裂事故发生。

1.3 沼气发酵系统装置 包括沼气池、厕所、圈舍、供气、炉灶等装置，一头连接养殖业、一头连接种植业，是物质和能量循环转化利用的纽带。沼气可用作日常炊事、照明和温室生产增温及增施二氧化碳气肥，也可燃烧补充冬季太阳能采暖系统供热不足问题。沼肥（沼渣、沼液）是优质有机肥，广泛用于特色种植业，是发展绿色循环生态农业的物质基础。沼气池是连接种植业和养殖业的桥梁，可实现种植业和养殖业废弃物无害化处理及能源和资源化利用，促进农业面源污染治理和种养殖产业平衡协调可持续发展。该示范基地形成了“猪（羊）→沼→粮（果、菜）”生态种养循环生产模式，实现了物质能量高效循环利用和产业绿色发展。

2 应用模式

2.1 光伏光热沼气能源生态模式 配置光伏发电、光热太阳能采暖和沼气3套装置，利用光伏发电补充太阳能采暖，太阳能采暖补充沼气，沼气补充太阳能采暖，实现能源互补利用。一是为降低建设成本，采用并网分布式光伏发电系统，是实现能源互补利用的核心;二是针对取暖和满足沼气池冬季正常发酵温度需求，配置光热太阳能采暖系统，是实现能源互补利用的枢纽;三是为促进农业生产废弃物资源化循化高效利用，配置沼气池发酵系统，是连接种植业和养殖业的桥梁，是实现物质能量转化循环利用的纽带。此外，3套装置可任意选择其中2个，两两自由组合应用，建设规模可大可小，灵活方便。

2.2 光伏沼气能源生态模式 配置光伏发电和沼气发酵系统装置，用光伏发电加热装置加热冷水冲洗圈舍畜禽粪污进入沼气池，补充提高沼气池料液发酵温度，实现沼气池冬季正常发酵利用和无害化处理畜禽粪污，防止沼气池冻坏，并为温室冬季生产提供高效沼肥和燃烧沼气提高温室温度及补充温室CO2气肥，提高作物产量品质。

2.3 光热沼气能源生态模式 配置光热太阳能采暖和沼气发酵系统装置，用太阳能采暖系统热水冲洗圈舍畜禽粪污进入沼气池，补充提高沼气池料液发酵温度，同时沼气燃烧补充连阴雨雪天气太阳能采暖系统热量及温室温度，实现冬季2套系统互补利用，也可为冬季温室生产提供高效沼肥。

2.4 光伏光热清洁能源模式 配置光伏发电和光热太阳能采暖装置，用光伏发电加热装置补充低温阴雨雪天气光热采暖系统热量供应不足问题，实现晴天系统独立运行、光伏发电贮电及阴天补能。

3 效益分析

光伏、光热、沼气3套清洁能源系统共需投资40万元。其中沼气系统建有150m3沼气池1处、配套建设猪圈240m2、厕所6m2并和沼气池相通，安装沼气炊事照明设备、温室沼气燃烧增温设备和太阳能采暖沼气补充燃烧装置及电加热装置等，投资15万元;建设分布式光伏发电10kW，并入国家低压电网，投资10万元;太阳能采暖房350m2，投资15万元。

3.1 光伏发电效益 2018年光伏累计发电1.5万kW·h，电售价0.75元/kW·h，共计收入11250元;基地年生产生活用电2.4万kW·h，电费0.25元/kW·h，合计电费支出6000元;通过光伏发电应用不但可满足基地60%以上用电，而且年可创收5250元。

3.2 沼气效益 150m3沼气池年无害化处理基地10头猪、300多只羊的粪污和部分农作物茎杆，生产沼肥300t、折价6万元，可满足基地6.67hm2耕地施肥需求;产沼气1.6万m3，折合标准煤11.34t、折价4000～5000元，可满足基地30多人炊事、育苗温室增温和补充光热采暖用能，年减少二氧化碳排放量41.6t;沼肥应用促进了绿色生态特色农业产业建设，实现了示范基地果菜产业提质增效，基地年种植养殖产业增收节支10万元，成为该区发展绿色循环生态农业典型样板，每年吸引1000多人次参观学习。

3.3 太阳能采暖效益 基地350m2采暖面积根据往年取暖季最低5个月计算需煤18t，取暖费7000～8000元，安装太阳能采暖系统后节约了该项支出，改变了农村烧柴、烧煤原始取暖方式，实现了家居温暖清洁化，为农村治理雾霾、保护蓝天、提高生活水平提供了典型示范。

4 强化建设保障建议

4.1 技术保障 一是建设光伏发电和光热太阳能采暖时，须考虑当地太阳日照时数和太阳辐射量，日照时间短，光照差的地区运行效果不佳;二是须根据当地纬度、气温条件、采暖面积和热量损失核算安装太阳能采暖集热面积;三是须根据现有资源和现实需求灵活选用能源生态模式。

4.2 政策保障 一是坚持政府引导、群众自愿原则;二是坚持发展清洁能源利用与种养殖产业及美丽乡村建设有效衔接融合的原则;三是坚持简化办事流程、提高服务质量的原则。

4.3 运行保障 一是政府应加大农村新能源利用投入，推行以奖代补办法，减轻农民负担，提高农民建设的积极性;二是技术部门应加大农村新能源技术和循环农业技术指导服务工作，提高服务质量，排解农民后顾之忧;三是全社会应广泛宣传支持，特别是电力等部门应简化办事流程和手续，降低行业准入门槛，以开放包容的精神互利合作。

5 结论

综上分析，光伏、光热、沼气不管是单个系统独立运行，还是两两组合运行亦或三者组合应用，其能源、生态、环保、经济、社会等效益显著，特别是光伏、光热、沼气能源生态模式更有利于克服单个系统缺陷，实现能源互补利用最佳配置和生态效益最大化。同时，无论哪种模式，设计規模可大可小，组合灵活，技术简单，资金投入收益率高。该能源生态模式应用顺应时代发展方向，适合当前我国绿色发展理念要求和农业产业转型升级发展要求及污染防治治理需求，在太阳能辐射强、日照时数长的地区，有种植、养殖产业和沼气池的农户、家庭农场及规模化农业企业可大力推广使用。

参考文献

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（责编：徐世红）