智慧新能源城乡建设模式应用研究

朱秉森，刘叶冰，欧伟英，薄志谦

(1.中国城市科学研究会，北京市 海淀区 100044；2.中城科新能源科技(北京)有限公司，北京市 海淀区 100044；3.IEEE Power & Energy Society，北京市 海淀区 100044)

0 引言

近些年，国内一些学者和官员认为智慧城市是信息技术应用良好的城市，智慧的含义被解释为信息化的延伸。这种以技术为标准，偏向城市地区的智慧化定义具有一定的局限性。国外的美、日、德等发达国家，在20世纪70年代前便完成了城乡一体化进程。它们对智慧化建设的定义是：以可持续发展作为核心理念，以环境优化的程度作为发展标准，信息技术只是辅助的工具。

针对此现象，本文提出智慧新能源城乡建设的新理念。将地广人稀，且是北方冬季雾霾罪魁祸首的农村地区作为主要研究对象，发展新能源发电和清洁供热，建设区域分布式综合能源微网[1-5]。

本文依据对盘锦市的实地调研，在大洼区红村既有清洁能源取暖项目的基础上，增加户用光伏取暖、小型生物质发电等新能源项目的建设，设立能源管理中心，形成大洼区域分布式综合能源系统，在此基础上，提出构建盘锦城乡区域分布式综合能源微网系统的设想。

本文跳出传统新能源建设的思路，研究的对象由城市转向农村，由单一能源转向多能互补，由集中式转向分布式，实现了本地可再生能源的高效利用，对促进国内城乡融合发展和东北老工业基地能源转型具有示范作用。

1 盘锦调研概况

1.1 城乡区域取暖调研

经调研，中心城区已经完成了集中供暖改造，热源由燃煤热电联产热源厂提供，基本满足供暖需求。农村地区问题较为突出，归纳总结为：1)散煤燃烧；2)燃气壁挂炉替代燃煤取暖，能效不高、运行成本高，可靠性高，推广性差；3)市政热网不能到达的边远区域的燃煤替代存在问题；4)建筑外墙保温及供热管网老旧问题造成大量能源浪费，不利于节能减排；5)本地生物质、太阳能、深层地热和浅层地热等新能源未充分开发利用。

1.2 户用光伏调研

当地日照条件良好，年日照时数大于2 600 h，经过仿真计算得到当地年发电小时数为1 523 h。具体实施条件见表1。

本研究对当地各区县内大岗子村、南郭村、梁家村等地进行了走访调研，大洼区的农民和村委会对项目接受程度较高，房屋结构适宜，且当地电力系统可以根据太阳能装机情况适当调整变压器容量，可按每户8 kW光伏装机量安排试点工程实施。盘锦盘山县由于农户家中存在高大植物，根据实际情况，每户可按5～8 kW安排试点工程实施。盘锦兴隆台区为市区，城中村较多，农村面积较小，且有条件实施的2个村均为退耕还湿地区，高大树木较多，农户老旧房屋偏多，离变压器距离偏远，不具备规模实施条件。调研得出项目实施条件的优劣次序为:大洼区≥盘山县≥兴隆台区。

1.3 生物质调研

盘锦市内秸秆总量为125万 t，可利用量为86万 t。其中，稻田面积为533 km2，年产秸秆50万 t，可利用量为36万 t，全部集中在大洼区；芦苇面积为133 km2，年产秸秆为10万 t。秸秆主要用于肥料化，共79万 t，占比91%，约80%肥料化的秸秆用于饲料化等初级利用。

《盘锦市生物质能发展规划(2018—2025年)》规划布局盘锦市生物质热电项目7个，总装机规模98 MW；垃圾发电项目1个，装机规模18 MW。市发改委已经核准批复了其中的3个项目，其中包括生物质热电项目2个，总装机规模38 MW，垃圾发电项目1个，装机规模18 MW。

1.4 红村矿区多能互补取暖项目调研

大洼区的“红村矿区多能互补取暖项目”是燃煤锅炉改清洁取暖项目，取暖面积43万 m2。该项目以地源热泵和空气源热泵系统作为基础热源，燃气锅炉、太阳能集热器和蓄热系统作为补充热源；以公共电网市电作为主动力电源(驱动热泵和水泵、风机等)，光伏发电作为补充电源(驱动太阳能集热器的循环泵)。太阳能集热器在供暖季为直供热源，在非供暖季为浅层岩土蓄热，以取得岩土放热量不衰减。项目极大地提升了可再生能源利用率，是目前国内最大的规模化应用多能互补清洁能源取暖的项目。

该项目总投资2 810万元，总热负荷20 MW，总供热量36 363 MW·h。该项目完全由社会资本投资，依靠采暖费收回投资并盈利。项目运营成本20.1元/m2，采暖费28元/m2，预计8～9年收回投资。由于该项目是老旧小区燃煤锅炉改造项目，存在建筑保温性能较差，管网老旧等问题，在一定程度上增加了运营成本。若是新建项目，运营成本可降低至17元/m2左右，5～6即可收回投资，具备规模化实施的市场条件。

2 城乡分布式新能源建设

基于本研究调研结果，提出在红村既有清洁能源取暖的基础上，因地制宜地在大洼区实施分布式新能源建设方案。方案建设内容包括40×8 kW农村户用光伏取暖试点和1×1 MW小型生物质发电试点。依托大电网，以天然气、太阳能、地热能、空气能、水稻秸秆(生物质)等清洁能源为供给侧，利用光伏、光热、地源热泵、空气源热泵、生物质发电发电量)，以及折算成标准的节能减排数据。等多种能源技术，为居民社区、村落、农业机械等需求侧提供冷、热、电等清洁能源服务，构建区域分布式综合能源系统[6-8](combined cooling heating and power，CCHP)(图1)。

表1 盘锦户用光伏项目实施条件

图1 CCHP系统原理图

本方案设立能源管理中心[9](generally energy management center，GEMC)，将分散于各处的光伏、生物质子电站和燃气、空气源、地源、光热等热力站，通过远程终端单元(remote terminal units，RTU)实现无线、总线数据通信(图2)。GEMC在实现对各子电站运行状态监测和管理的同时，还可以接受上级配电网控制指令，参与配电网运行控制与保护。GEMC中央管理计算机可显示各个子系统当前工作状态和累计的各种历史数据(日、月、年

图2 盘锦城乡区域分布式能源网络框架图

2.1 户用光伏取暖

“户用光伏取暖系统”[10-12]是指在太阳能资源丰富的北方地区，为农户建设一座独立小型的光伏发电站，对农户室内的电取暖设备进行供电，实现电取暖。电取暖设备可以是蓄热电暖器、电热炕(碳纤维)、各类壁挂电暖器、空气源热泵等。

2.1.1 技术模式

经过综合比对，盘锦市大洼区户用光伏项目的实施条件较好，每户可建设8 kW户用光伏电站1套，配置1面2×4 m2电热炕(碳纤维)和1台1×2.4 kW的蓄热电暖气(图3)。

图3 户用光伏取暖系统图

当地光伏各月发电数据见表2，1 kW光伏电站全年发电1 523 kW·h，冬季发电574 kW·h。1间25 m2房间采暖的用电量为3 750 kW·h。设计光伏装机量8 kW，年发电12 184 kW·h，其中冬季发电4 592 kW·h，可以满足该农户一间25 m2房间的采暖能耗。

2.1.2 商业模式

光伏取暖项目不需要政府和农民投入一分钱，引入有实力的社会资本投资商通过银行的新能源贷款进行建设，投资商通过农户电费、余电上网收益和国家补贴收回投资并盈利。电站冬季发出的电以低廉的价格供给农民取暖使用，夏季发出的电以低于火电的价格供给农民日常用电，余电上网卖电。

本方案综合建设成本为3.5元/W(含2 400元的电取暖设备费),总计2.8万元。银行新能源贷款利率为6%，采用等额本金还款的方式，贷款期限为10年。2020年的户用光伏补贴为0.08元/(kW·h)，持续20年。刘叶冰对户用光伏取暖利润的测算方式进行了推理和考证工作[13-14]，本文测算方式如下：

表2 盘锦光伏各月发电情况

式中：I为投资商利润，元；Fn为第n年的本息和；En为电站第n年发电量，kW·h；t1为采暖绿电比例，取0.3；t2为日常绿电比例，取0.2；t3为上网绿电比例,取0.5；P1为采暖绿色电价，取0.2元/(kW·h)；P2为日常绿色电价，取0.45元/(kW·h)；P3为上网电价，取0.374 9元/(kW·h)；S为国家补贴，取0.08元/(kW·h)；G为保险费，取100元/年；M为运维费，取240元/年；C为贷款本金，元；i为银行贷款利率，取6%。

图4 户用光伏取暖项目收益支出

本方案也可以作为光伏扶贫项目实施，光伏扶贫是促进农民增收，解决贫困人口脱贫致富的有效途径。光伏扶贫的显著特点是国家给予的0.42元/(kW·h)扶贫补贴，除去投资商0.08元/(kW·h)的获利，农民可获利0.34元/(kW·h)。建设8 kW光伏电站，可确保贫困农民20年内，在享受上述绿电取暖的基础上，每年有额外2 000元左右的光伏补贴收入，并且不受劳动力和病残的影响。

近4年国内分布式光伏建设成本由8元/W下降到3.2元/W(图5)，2020年受疫情影响，建设成本有小幅上涨，但长期仍是下降趋势；户用光伏补贴由0.42元下降到0.08元。2019年分布式光伏装机量为12.2 GW，其中户用光伏装机量为5.3 GW，占比为54.9%。2020年分布式光伏新增容量12 GW左右，其中户用光伏新增10.12 GW，占比超过85%。根据这个趋势，户用光伏将是国内光伏产业发展的重点对象，且在未来1～2年内或可实现平价上网，即在不需要国家补贴的情况下，户用光伏取暖项目仍然具备规模化实施的条件。

图5 分布式光伏建设成本趋势

2.2 生物质发电

2.2.1 技术模式

针对项目地大洼区水稻秸秆燃料单一和发电机组规模小型化的特点，选用生物质热解气化发电的技术模式。生物质气化发电技术是将生物质燃料在气化装置中气化产生燃气，再将燃气输送至燃煤锅炉进行燃烧，产生蒸汽后带动汽轮机组发电(图6)。

图6 生物质热解气化发电系统流程图

2.2.2 商业模式

根据在盘锦市大洼区的实地调研，建设1×1 MW生物质气化发电机组。项目引入有实力的社会资本投资商通过银行的新能源贷款进行建设，发出的电力直接上网卖电。

项目投资约560万元，年耗秸秆量104t，上网补贴电价为0.75元/(kW·h)，持续15年。银行新能源贷款利率为6%，采用等额本金还款的方式，贷款期限为10年。燃料、设备折旧、人工、运行分别占电站运行成本的60%、13%、11%、16%，具体效益估算见表3。

项目15年间的投资收益见图7，前10年，电站的收益在支出贷款和运行成本后，每年仍有168～200万的盈利。后5年，电站每年盈利264万元。投资商15年间获利约3 162万元，投资静态收益率为37.6%。农民15年间获得秸秆燃料费约为3 000万元。根据盘锦大洼区水稻种植户的调研情况，一个村子约250户农民，水稻种植总面积为2 km2。每户家庭平均种植0.008 km2水稻，每年可产生秸秆7.5 t，1万 t秸秆相当于1 500户农民的水稻秸秆量，5～6个村落即可满足电厂一年的秸秆消耗量。盘锦地广人稀，电厂选址较为方便，可设置在秸秆收储村落的中心位置，附近3～5 km内的村落即可满足电厂1万 t/年的秸秆消耗量，避免出现国内大型秸秆发电厂普遍面临的原料供应不稳定的问题。

写话是习作教学核心的部分，前面说词语、说句子、说语段已经为写话打下了基础，学生在写的过程中，就会得心应手。如在写话课《我喜欢的蔬菜》中，先采用观察体验、分层表达的形式，让孩子们通过用眼睛看、用手摸、用鼻子去闻、用嘴去尝、用脑去思考等活动，让学生将蔬菜的每一部分描写和叙述摘抄到习作本上，然后让学生通过画一画、贴一贴，这样再让学生提笔写话时，就不会因为不知怎么写或不知该用哪些词语而犯愁。有了之前的这一系列的铺垫，学生写作的热情被极大地点燃，最后整篇文章也就会一气呵成。这是上完《我喜欢的蔬菜》写话课后书写的片段：

图7 生物质发电项目收益支出

2.2.3 城乡生物质发电产业化建议

经过对当地农户的用能需求、环保、效益、能源梯级利用的综合考量，建议在盘锦实施小型化、粗粮化、模块化的分布式生物质气化发电联产热、肥技术试验。“小型化”指探索以一个村镇为原料供应半径小型化设备，便于充分利用当地秸秆和生物质进行(沼气)发电和冬季采暖供热。“粗粮化”指探索可适应不同种类的秸秆做原料进行发电和供热的设备，便于充分利用盘锦大面积的水稻和芦苇荡等农林生物质原材料作为燃料供应。“模块化”指探索可复制的模块化标准设备和工艺流程，便于新技术、新模式的推广应用。该项目是对当地秸秆利用和无废处理的尝试，最终达到该项技术产业化推广的目的。

3 分布式综合能源微网构想

截止目前，盘锦仅有过1个微网建设项目——辽宁大洼临港经济区增量配电业务试点项目，且该项目由于业主未确定的原因一直得不到推进。鉴于此项技术的空白，建议在盘锦开展分布式综合能源微网建设，贯彻实施“关于印发《推进并网型微电网建设试行办法》的通知”(发改能源[2017]1339号)，实现“域内售电、隔墙售电”，大规模发展和使用可再生能源。

在前述的CCHP项目建设达到一定规模后，综合考虑盘锦城乡区域内冷热电各项能源需求负荷和发展，进行区域性微电网建设。在CCHP和GEMC的基础上，引入欧洲先进的能源策略，解决CCHP系统内热电独立供应、转换利用率不高等问题，实现多种能源协同供应和梯次利用。技术路线是以电网为基础，综合多种能源输入形式，采用按需化设计、模块化组合、预置式安装模式，在用能端分布建设新能源电站和多能互补的清洁热(冷)力站，最终在盘锦城乡区域构建综合能源供能经济性最优的分布式综合能源微网(图8)。

目前分布式综合能源微网仍然处于概念阶段，需要解决面对本地化的多种能源协调问题，并考虑如何高效接入大量分散分布的可再生能源。

表3 投资商每年收益分析

图8 分布式综合能源微网系统构想

4 结论

1) 盘锦红村矿区多能互补取暖模式在新建项目上具备产业化实施的前景。

2) 农村地区户用光伏取暖项目可以实现市场化运作。项目可以培养农民使用绿电的消费习惯，并且具有治理雾霾、惠农扶贫的功效。

3) 通过论证分析可知小型生物质气化发电有助于农民增收、提高水稻秸秆利用的经济效益。同时提出了设备小型化、原料粗粮化、工艺模块化的生物质发展新模式。

4) 提出了以电为中心，深化新能源利用，推广区域多能互补的清洁供暖技术，在农村地区发展户用光伏取暖和小型生物质发电，提供多种能源协同供应和梯次利用的综合解决方案。