北方农村地区可再生能源系统设计及分析

北方农村地区可再生能源系统设计及分析

张宏运

国家开发投资集团有限公司 北京市 100034

摘 要：以张家口某村为研究对象，设计两种光伏+生物质+地热供能系统，计算两种系统下该村可再生能源普及率和自用电量占比。结果表明，应用光伏+生物质热电联产+地源热泵+浅层地热能（系统1），可再生能源替代率为71.4%；应用光伏/光热热电联产+生物质发电+地源热泵+跨季储能（系统2），可再生能源替代率为87.3%。

关键词：可再生能源；光伏；地热能；生物质能；北方农村

1.前言

数十年来，我国农村地区都在寻找在季节变化情形下，能满足用电、用暖、用冷、用气等综合能源需求的方案[1]。随着可再生能源技术发展和成本下降，农村地区大规模应用可再生能源潜力显现[2]。我国北方地区可再生能源资源丰富，如风能、太阳能、地热能、生物质能等，若充分开发这类资源，可有效解决能源供需矛盾问题[3]。

2.研究路径

农村地区多能源互补供能系统多见研究，如郭琪[4]通过分析，太阳能、空气源热泵、土壤源热泵均可用于农村独立民居供暖，但各热源设备单独用于承担供暖季全部负荷存在一定问题，因此建立了多源互补供热系统，并对其运行模式进行了设计和优化。本文基于现有适宜在北方农村的可再生能源资源（光伏、地热、生物质），匹配特定研究对象的能源需求，主要包括电力负荷和热负荷。计算能源转换效率得出满足能源需求量，设计随季节变换的多种可再生能源互补供应系统。

2.1电力负荷的匹配

主要用于家庭和农业用电需求。考虑光伏和生物质发电，并入电网。同时考虑保障夏季农忙期间电力供应。

2.2热负荷的匹配

主要用于家庭和温室大棚取暖。立足本地资源禀赋、经济实力、基础设施等条件及环保要求，采取适宜的清洁供暖策略，在同等条件下选择成本最低和污染物排放最少的清洁供暖组合方式，如：地热+生物质。

3.农村可再生能源系统设计

本文研究了两种不同的系统配置：

系统1：光伏（PV）+生物质热电联产（Biomass CHP）+地源热泵（GHP）+浅层地热能（SGE）。在这个系统中，光伏板安装在屋顶上发电；生物质在供暖季节发电和供热，但在夏季只发电；地源热泵利用浅层地热来供热。这种系统主要适用于地热能丰富的村庄。

系统2：光伏/光热热电联产（PV/T CHP）+生物质发电（Biomass Electricity）+地源热泵（GHP）+跨季储能。与系统1相比，光伏板被替换为光伏/光热面板，可同时供热和发电；生物质全年由发电厂利用；光伏/光热系统的产生的热能被储存在土壤中，可在冬季被地源热泵利用。该系统适用于具有跨季储能条件的村庄。

4.两种可再生能源系统效率的实证研究

4.1研究对象

经筛选，选取张家口市康保县阎油坊村（41°45'19"N 114°49'10"E）为具体研究对象。表4-1列出了该村的基本信息及能源系统估算的关键数据，作为系统设计和分析的输入参数。其中，电力负荷数据参考了康保县电量负荷历史数据，温室及住宅热负荷数据参考了文献[5-8]的计算和结论。以张家口市或河北省的平均值来验证估计的数据，使这些参数对该研究对象来说是合理的。

表4-1 阎油坊村可再生能源系统输入参数

4.2阎油坊村的能源需求

图4-1 阎油坊村用电需求和用热需求，月度统计：a)用电需求；b)用热需求和月平均温度

图4-1a描绘了阎油坊村农业和居民用电需求。全年电力需求总体稳定，夏季略高。农业用电需求大约是居民用电需求的两倍。另一方面，阎油坊村的用热需求如图4-1b所示。温室大棚用热需求占主要地位，尤其是在寒冷季节。康保县的采暖季节为每年10月15日至次年4月30日，共6.5个月，采暖季平均气温低于10℃。由于该区域夏季平均气温不超过20℃，因此本研究未考虑空间冷却能耗。

图4-2 阎油坊村在特定天数内光伏发电量及用电需求

图4-2显示了典型日的光伏发电量。光伏发电可满足一天中8-11小时的用电需求，但仅仅使用光伏发电不能满足全天的电力需求。这意味着其他电力供应来源（生物质发电）是阎油坊村分布式可再生能源系统的重要组成部分。

4.3系统1和系统2的比较——月度统计

图4-3 用电情况月度统计：a）系统1发电量；b）系统2发电量；c）系统1功率比例；d）系统2功率比例

使用生物质热电联产和光伏/光热热电联产的电力需求和生产情况，如图4-3a和b所示，其它发电方式发电量所占比例如图4-3c和d所示。使用生物质热电联产（系统1），冬天的能耗远高于夏季，尤其是从11月到次年2月，将近一半的电力需求由电网满足。然而，对于光伏/光热热电联产（系统2），冬季来自电网的电量较低，个别月份甚至低于30%。从5月至9月，系统1和系统2的电力需求表现出类似的模式。光伏发电和生物质发电可满足该村90%的电力需求。同时，各个月的光伏发电量也都要送到电网中，夏季光伏发电量远远高于村庄的可用电量。系统2总用电量为754,549 kWh，向电网售电量为1,043,790 kWh。

图4-4 产热与蓄热情况月度统计：a）系统1产热量；b）系统2产热量；c）系统1产热比例；d）系统2产热比例

由于农村地区不适合接入集中供热，我们假设为阎油坊村提供100%的局部供热。图4-4为阎油坊村的产热和蓄热情况。生物质热电联产工厂夏天不供热，对系统1来说，没有额外的热量供应，但对于系统2，PV/T CHP系统产生较多的热量，几乎可以涵盖供暖季节的所有热量需求，夏天PV/T CHP系统收集到的热量可以利用跨季储能方式存储在土壤中。即使只有＜30%的热量被PV/T CHP系统接收器接收，GHP最终也可以利用，总的存储热量仍然非常大，为3,274,740 MJ/年，而总的热量消耗是3,797,209 MJ/年。由于PV/T CHP系统能够满足96%的热需求，所以在目前的情况下，存储的热量并没有被充分利用。储存的热量几乎与当前的热量需求相同，这意味着可以满足更多的建筑和温室需求。

4.4系统1和系统2的比较——年度统计

图4-5 阎油坊村全年供电情况：a）系统1；b）系统2

阎油坊村全年供电情况如图4-5所示。在系统1中，生物质发电和光伏发电分别占电力需求的25%和46%左右。而在系统2中，生物质发电增加到40%。随着热泵能耗的降低，电网的用电需求也随之降低。

图4-6 阎油坊村全年供热情况：a）系统1；b）系统2

阎油坊村全年供热情况如图4-6所示。对于系统1，来自生物质的热量约占热量需求的30%。其他需求由GHP的浅层地热能来满足。如果采用PV/T CHP系统，热需求将覆盖96%。与此同时，由于GHP不使用浅层地热能，土壤中储存了等量的热量。

表4-2总结了阎油坊村可再生能源普及率和自用电量占比。很明显，光伏/光热热电联产+生物质发电+地源热泵+跨季储能（系统2）与光伏+生物质热电联产+地源热泵+浅层地热能（系统1）相比可利用更多的可再生能源。因为系统2的光伏发电自耗率较低，电网的可调度性应该略微提高。

表4-2 阎油坊村应用两种系统的能源供应统计。

5.结论

在农村地区因地制宜开发利用可再生能源，能够提高农村地区资源利用率、缓解农忙和用暖季节能源供应紧张形势。本文通过提出以太阳能、生物质能及地热能替代现有能源供应，从而满足农村电、热两种主要能源需求假设。结果表明设计的两种光伏+生物质+地热供能系统可满足北方某农村大部分能源需求，系统2较系统1可利用更多的可再生能源。

参考文献

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筑技术. 2009, 31(11): 97-99.

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