智慧新能源城鄉(xiāng)建設(shè)模式應(yīng)用研究

朱秉森，劉葉冰，歐偉英，薄志謙

(1.中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)，北京市 海淀區(qū) 100044；2.中城科新能源科技(北京)有限公司，北京市 海淀區(qū) 100044；3.IEEE Power & Energy Society，北京市 海淀區(qū) 100044)

0 引言

近些年，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者和官員認(rèn)為智慧城市是信息技術(shù)應(yīng)用良好的城市，智慧的含義被解釋為信息化的延伸。這種以技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，偏向城市地區(qū)的智慧化定義具有一定的局限性。國(guó)外的美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家，在20世紀(jì)70年代前便完成了城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程。它們對(duì)智慧化建設(shè)的定義是：以可持續(xù)發(fā)展作為核心理念，以環(huán)境優(yōu)化的程度作為發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，信息技術(shù)只是輔助的工具。

針對(duì)此現(xiàn)象，本文提出智慧新能源城鄉(xiāng)建設(shè)的新理念。將地廣人稀，且是北方冬季霧霾罪魁禍?zhǔn)椎霓r(nóng)村地區(qū)作為主要研究對(duì)象，發(fā)展新能源發(fā)電和清潔供熱，建設(shè)區(qū)域分布式綜合能源微網(wǎng)[1-5]。

本文依據(jù)對(duì)盤錦市的實(shí)地調(diào)研，在大洼區(qū)紅村既有清潔能源取暖項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，增加戶用光伏取暖、小型生物質(zhì)發(fā)電等新能源項(xiàng)目的建設(shè)，設(shè)立能源管理中心，形成大洼區(qū)域分布式綜合能源系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建盤錦城鄉(xiāng)區(qū)域分布式綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)想。

本文跳出傳統(tǒng)新能源建設(shè)的思路，研究的對(duì)象由城市轉(zhuǎn)向農(nóng)村，由單一能源轉(zhuǎn)向多能互補(bǔ)，由集中式轉(zhuǎn)向分布式，實(shí)現(xiàn)了本地可再生能源的高效利用，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)城鄉(xiāng)融合發(fā)展和東北老工業(yè)基地能源轉(zhuǎn)型具有示范作用。

1 盤錦調(diào)研概況

1.1 城鄉(xiāng)區(qū)域取暖調(diào)研

經(jīng)調(diào)研，中心城區(qū)已經(jīng)完成了集中供暖改造，熱源由燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)熱源廠提供，基本滿足供暖需求。農(nóng)村地區(qū)問題較為突出，歸納總結(jié)為：1)散煤燃燒；2)燃?xì)獗趻鞝t替代燃煤取暖，能效不高、運(yùn)行成本高，可靠性高，推廣性差；3)市政熱網(wǎng)不能到達(dá)的邊遠(yuǎn)區(qū)域的燃煤替代存在問題；4)建筑外墻保溫及供熱管網(wǎng)老舊問題造成大量能源浪費(fèi)，不利于節(jié)能減排；5)本地生物質(zhì)、太陽能、深層地?zé)岷蜏\層地?zé)岬刃履茉次闯浞珠_發(fā)利用。

1.2 戶用光伏調(diào)研

當(dāng)?shù)厝照諚l件良好，年日照時(shí)數(shù)大于2 600 h，經(jīng)過仿真計(jì)算得到當(dāng)?shù)啬臧l(fā)電小時(shí)數(shù)為1 523 h。具體實(shí)施條件見表1。

本研究對(duì)當(dāng)?shù)馗鲄^(qū)縣內(nèi)大崗子村、南郭村、梁家村等地進(jìn)行了走訪調(diào)研，大洼區(qū)的農(nóng)民和村委會(huì)對(duì)項(xiàng)目接受程度較高，房屋結(jié)構(gòu)適宜，且當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)可以根據(jù)太陽能裝機(jī)情況適當(dāng)調(diào)整變壓器容量，可按每戶8 kW光伏裝機(jī)量安排試點(diǎn)工程實(shí)施。盤錦盤山縣由于農(nóng)戶家中存在高大植物，根據(jù)實(shí)際情況，每戶可按5～8 kW安排試點(diǎn)工程實(shí)施。盤錦興隆臺(tái)區(qū)為市區(qū)，城中村較多，農(nóng)村面積較小，且有條件實(shí)施的2個(gè)村均為退耕還濕地區(qū)，高大樹木較多，農(nóng)戶老舊房屋偏多，離變壓器距離偏遠(yuǎn)，不具備規(guī)模實(shí)施條件。調(diào)研得出項(xiàng)目實(shí)施條件的優(yōu)劣次序?yàn)?大洼區(qū)≥盤山縣≥興隆臺(tái)區(qū)。

1.3 生物質(zhì)調(diào)研

盤錦市內(nèi)秸稈總量為125萬 t，可利用量為86萬 t。其中，稻田面積為533 km2，年產(chǎn)秸稈50萬 t，可利用量為36萬 t，全部集中在大洼區(qū)；蘆葦面積為133 km2，年產(chǎn)秸稈為10萬 t。秸稈主要用于肥料化，共79萬 t，占比91%，約80%肥料化的秸稈用于飼料化等初級(jí)利用。

《盤錦市生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2018—2025年)》規(guī)劃布局盤錦市生物質(zhì)熱電項(xiàng)目7個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模98 MW；垃圾發(fā)電項(xiàng)目1個(gè)，裝機(jī)規(guī)模18 MW。市發(fā)改委已經(jīng)核準(zhǔn)批復(fù)了其中的3個(gè)項(xiàng)目，其中包括生物質(zhì)熱電項(xiàng)目2個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模38 MW，垃圾發(fā)電項(xiàng)目1個(gè)，裝機(jī)規(guī)模18 MW。

1.4 紅村礦區(qū)多能互補(bǔ)取暖項(xiàng)目調(diào)研

大洼區(qū)的“紅村礦區(qū)多能互補(bǔ)取暖項(xiàng)目”是燃煤鍋爐改清潔取暖項(xiàng)目，取暖面積43萬 m2。該項(xiàng)目以地源熱泵和空氣源熱泵系統(tǒng)作為基礎(chǔ)熱源，燃?xì)忮仩t、太陽能集熱器和蓄熱系統(tǒng)作為補(bǔ)充熱源；以公共電網(wǎng)市電作為主動(dòng)力電源(驅(qū)動(dòng)熱泵和水泵、風(fēng)機(jī)等)，光伏發(fā)電作為補(bǔ)充電源(驅(qū)動(dòng)太陽能集熱器的循環(huán)泵)。太陽能集熱器在供暖季為直供熱源，在非供暖季為淺層巖土蓄熱，以取得巖土放熱量不衰減。項(xiàng)目極大地提升了可再生能源利用率，是目前國(guó)內(nèi)最大的規(guī)?；瘧?yīng)用多能互補(bǔ)清潔能源取暖的項(xiàng)目。

該項(xiàng)目總投資2 810萬元，總熱負(fù)荷20 MW，總供熱量36 363 MW·h。該項(xiàng)目完全由社會(huì)資本投資，依靠采暖費(fèi)收回投資并盈利。項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本20.1元/m2，采暖費(fèi)28元/m2，預(yù)計(jì)8～9年收回投資。由于該項(xiàng)目是老舊小區(qū)燃煤鍋爐改造項(xiàng)目，存在建筑保溫性能較差，管網(wǎng)老舊等問題，在一定程度上增加了運(yùn)營(yíng)成本。若是新建項(xiàng)目，運(yùn)營(yíng)成本可降低至17元/m2左右，5～6即可收回投資，具備規(guī)?；瘜?shí)施的市場(chǎng)條件。

2 城鄉(xiāng)分布式新能源建設(shè)

基于本研究調(diào)研結(jié)果，提出在紅村既有清潔能源取暖的基礎(chǔ)上，因地制宜地在大洼區(qū)實(shí)施分布式新能源建設(shè)方案。方案建設(shè)內(nèi)容包括40×8 kW農(nóng)村戶用光伏取暖試點(diǎn)和1×1 MW小型生物質(zhì)發(fā)電試點(diǎn)。依托大電網(wǎng)，以天然氣、太陽能、地?zé)崮?、空氣能、水稻秸?生物質(zhì))等清潔能源為供給側(cè)，利用光伏、光熱、地源熱泵、空氣源熱泵、生物質(zhì)發(fā)電發(fā)電量)，以及折算成標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能減排數(shù)據(jù)。等多種能源技術(shù)，為居民社區(qū)、村落、農(nóng)業(yè)機(jī)械等需求側(cè)提供冷、熱、電等清潔能源服務(wù)，構(gòu)建區(qū)域分布式綜合能源系統(tǒng)[6-8](combined cooling heating and power，CCHP)(圖1)。

表1 盤錦戶用光伏項(xiàng)目實(shí)施條件

圖1 CCHP系統(tǒng)原理圖

本方案設(shè)立能源管理中心[9](generally energy management center，GEMC)，將分散于各處的光伏、生物質(zhì)子電站和燃?xì)?、空氣源、地源、光熱等熱力站，通過遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal units，RTU)實(shí)現(xiàn)無線、總線數(shù)據(jù)通信(圖2)。GEMC在實(shí)現(xiàn)對(duì)各子電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和管理的同時(shí)，還可以接受上級(jí)配電網(wǎng)控制指令，參與配電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)。GEMC中央管理計(jì)算機(jī)可顯示各個(gè)子系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)和累計(jì)的各種歷史數(shù)據(jù)(日、月、年

圖2 盤錦城鄉(xiāng)區(qū)域分布式能源網(wǎng)絡(luò)框架圖

2.1 戶用光伏取暖

“戶用光伏取暖系統(tǒng)”[10-12]是指在太陽能資源豐富的北方地區(qū)，為農(nóng)戶建設(shè)一座獨(dú)立小型的光伏發(fā)電站，對(duì)農(nóng)戶室內(nèi)的電取暖設(shè)備進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)電取暖。電取暖設(shè)備可以是蓄熱電暖器、電熱炕(碳纖維)、各類壁掛電暖器、空氣源熱泵等。

2.1.1 技術(shù)模式

經(jīng)過綜合比對(duì)，盤錦市大洼區(qū)戶用光伏項(xiàng)目的實(shí)施條件較好，每戶可建設(shè)8 kW戶用光伏電站1套，配置1面2×4 m2電熱炕(碳纖維)和1臺(tái)1×2.4 kW的蓄熱電暖氣(圖3)。

圖3 戶用光伏取暖系統(tǒng)圖

當(dāng)?shù)毓夥髟掳l(fā)電數(shù)據(jù)見表2，1 kW光伏電站全年發(fā)電1 523 kW·h，冬季發(fā)電574 kW·h。1間25 m2房間采暖的用電量為3 750 kW·h。設(shè)計(jì)光伏裝機(jī)量8 kW，年發(fā)電12 184 kW·h，其中冬季發(fā)電4 592 kW·h，可以滿足該農(nóng)戶一間25 m2房間的采暖能耗。

2.1.2 商業(yè)模式

光伏取暖項(xiàng)目不需要政府和農(nóng)民投入一分錢，引入有實(shí)力的社會(huì)資本投資商通過銀行的新能源貸款進(jìn)行建設(shè)，投資商通過農(nóng)戶電費(fèi)、余電上網(wǎng)收益和國(guó)家補(bǔ)貼收回投資并盈利。電站冬季發(fā)出的電以低廉的價(jià)格供給農(nóng)民取暖使用，夏季發(fā)出的電以低于火電的價(jià)格供給農(nóng)民日常用電，余電上網(wǎng)賣電。

本方案綜合建設(shè)成本為3.5元/W(含2 400元的電取暖設(shè)備費(fèi)),總計(jì)2.8萬元。銀行新能源貸款利率為6%，采用等額本金還款的方式，貸款期限為10年。2020年的戶用光伏補(bǔ)貼為0.08元/(kW·h)，持續(xù)20年。劉葉冰對(duì)戶用光伏取暖利潤(rùn)的測(cè)算方式進(jìn)行了推理和考證工作[13-14]，本文測(cè)算方式如下：

表2 盤錦光伏各月發(fā)電情況

式中：I為投資商利潤(rùn)，元；Fn為第n年的本息和；En為電站第n年發(fā)電量，kW·h；t1為采暖綠電比例，取0.3；t2為日常綠電比例，取0.2；t3為上網(wǎng)綠電比例,取0.5；P1為采暖綠色電價(jià)，取0.2元/(kW·h)；P2為日常綠色電價(jià)，取0.45元/(kW·h)；P3為上網(wǎng)電價(jià)，取0.374 9元/(kW·h)；S為國(guó)家補(bǔ)貼，取0.08元/(kW·h)；G為保險(xiǎn)費(fèi)，取100元/年；M為運(yùn)維費(fèi)，取240元/年；C為貸款本金，元；i為銀行貸款利率，取6%。

圖4 戶用光伏取暖項(xiàng)目收益支出

本方案也可以作為光伏扶貧項(xiàng)目實(shí)施，光伏扶貧是促進(jìn)農(nóng)民增收，解決貧困人口脫貧致富的有效途徑。光伏扶貧的顯著特點(diǎn)是國(guó)家給予的0.42元/(kW·h)扶貧補(bǔ)貼，除去投資商0.08元/(kW·h)的獲利，農(nóng)民可獲利0.34元/(kW·h)。建設(shè)8 kW光伏電站，可確保貧困農(nóng)民20年內(nèi)，在享受上述綠電取暖的基礎(chǔ)上，每年有額外2 000元左右的光伏補(bǔ)貼收入，并且不受勞動(dòng)力和病殘的影響。

近4年國(guó)內(nèi)分布式光伏建設(shè)成本由8元/W下降到3.2元/W(圖5)，2020年受疫情影響，建設(shè)成本有小幅上漲，但長(zhǎng)期仍是下降趨勢(shì)；戶用光伏補(bǔ)貼由0.42元下降到0.08元。2019年分布式光伏裝機(jī)量為12.2 GW，其中戶用光伏裝機(jī)量為5.3 GW，占比為54.9%。2020年分布式光伏新增容量12 GW左右，其中戶用光伏新增10.12 GW，占比超過85%。根據(jù)這個(gè)趨勢(shì)，戶用光伏將是國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)對(duì)象，且在未來1～2年內(nèi)或可實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，即在不需要國(guó)家補(bǔ)貼的情況下，戶用光伏取暖項(xiàng)目仍然具備規(guī)?；瘜?shí)施的條件。

圖5 分布式光伏建設(shè)成本趨勢(shì)

2.2 生物質(zhì)發(fā)電

2.2.1 技術(shù)模式

針對(duì)項(xiàng)目地大洼區(qū)水稻秸稈燃料單一和發(fā)電機(jī)組規(guī)模小型化的特點(diǎn)，選用生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電的技術(shù)模式。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)燃料在氣化裝置中氣化產(chǎn)生燃?xì)?，再將燃?xì)廨斔椭寥济哄仩t進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生蒸汽后帶動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電(圖6)。

圖6 生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電系統(tǒng)流程圖

2.2.2 商業(yè)模式

根據(jù)在盤錦市大洼區(qū)的實(shí)地調(diào)研，建設(shè)1×1 MW生物質(zhì)氣化發(fā)電機(jī)組。項(xiàng)目引入有實(shí)力的社會(huì)資本投資商通過銀行的新能源貸款進(jìn)行建設(shè)，發(fā)出的電力直接上網(wǎng)賣電。

項(xiàng)目投資約560萬元，年耗秸稈量104t，上網(wǎng)補(bǔ)貼電價(jià)為0.75元/(kW·h)，持續(xù)15年。銀行新能源貸款利率為6%，采用等額本金還款的方式，貸款期限為10年。燃料、設(shè)備折舊、人工、運(yùn)行分別占電站運(yùn)行成本的60%、13%、11%、16%，具體效益估算見表3。

項(xiàng)目15年間的投資收益見圖7，前10年，電站的收益在支出貸款和運(yùn)行成本后，每年仍有168～200萬的盈利。后5年，電站每年盈利264萬元。投資商15年間獲利約3 162萬元，投資靜態(tài)收益率為37.6%。農(nóng)民15年間獲得秸稈燃料費(fèi)約為3 000萬元。根據(jù)盤錦大洼區(qū)水稻種植戶的調(diào)研情況，一個(gè)村子約250戶農(nóng)民，水稻種植總面積為2 km2。每戶家庭平均種植0.008 km2水稻，每年可產(chǎn)生秸稈7.5 t，1萬 t秸稈相當(dāng)于1 500戶農(nóng)民的水稻秸稈量，5～6個(gè)村落即可滿足電廠一年的秸稈消耗量。盤錦地廣人稀，電廠選址較為方便，可設(shè)置在秸稈收儲(chǔ)村落的中心位置，附近3～5 km內(nèi)的村落即可滿足電廠1萬 t/年的秸稈消耗量，避免出現(xiàn)國(guó)內(nèi)大型秸稈發(fā)電廠普遍面臨的原料供應(yīng)不穩(wěn)定的問題。

寫話是習(xí)作教學(xué)核心的部分，前面說詞語、說句子、說語段已經(jīng)為寫話打下了基礎(chǔ)，學(xué)生在寫的過程中，就會(huì)得心應(yīng)手。如在寫話課《我喜歡的蔬菜》中，先采用觀察體驗(yàn)、分層表達(dá)的形式，讓孩子們通過用眼睛看、用手摸、用鼻子去聞、用嘴去嘗、用腦去思考等活動(dòng)，讓學(xué)生將蔬菜的每一部分描寫和敘述摘抄到習(xí)作本上，然后讓學(xué)生通過畫一畫、貼一貼，這樣再讓學(xué)生提筆寫話時(shí)，就不會(huì)因?yàn)椴恢趺磳懟虿恢撚媚男┰~語而犯愁。有了之前的這一系列的鋪墊，學(xué)生寫作的熱情被極大地點(diǎn)燃，最后整篇文章也就會(huì)一氣呵成。這是上完《我喜歡的蔬菜》寫話課后書寫的片段：

圖7 生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目收益支出

2.2.3 城鄉(xiāng)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)化建議

經(jīng)過對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的用能需求、環(huán)保、效益、能源梯級(jí)利用的綜合考量，建議在盤錦實(shí)施小型化、粗糧化、模塊化的分布式生物質(zhì)氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)熱、肥技術(shù)試驗(yàn)?！靶⌒突敝柑剿饕砸粋€(gè)村鎮(zhèn)為原料供應(yīng)半徑小型化設(shè)備，便于充分利用當(dāng)?shù)亟斩捄蜕镔|(zhì)進(jìn)行(沼氣)發(fā)電和冬季采暖供熱?！按旨Z化”指探索可適應(yīng)不同種類的秸稈做原料進(jìn)行發(fā)電和供熱的設(shè)備，便于充分利用盤錦大面積的水稻和蘆葦蕩等農(nóng)林生物質(zhì)原材料作為燃料供應(yīng)?！澳K化”指探索可復(fù)制的模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和工藝流程，便于新技術(shù)、新模式的推廣應(yīng)用。該項(xiàng)目是對(duì)當(dāng)?shù)亟斩捓煤蜔o廢處理的嘗試，最終達(dá)到該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推廣的目的。

3 分布式綜合能源微網(wǎng)構(gòu)想

截止目前，盤錦僅有過1個(gè)微網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目——遼寧大洼臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)增量配電業(yè)務(wù)試點(diǎn)項(xiàng)目，且該項(xiàng)目由于業(yè)主未確定的原因一直得不到推進(jìn)。鑒于此項(xiàng)技術(shù)的空白，建議在盤錦開展分布式綜合能源微網(wǎng)建設(shè)，貫徹實(shí)施“關(guān)于印發(fā)《推進(jìn)并網(wǎng)型微電網(wǎng)建設(shè)試行辦法》的通知”(發(fā)改能源[2017]1339號(hào))，實(shí)現(xiàn)“域內(nèi)售電、隔墻售電”，大規(guī)模發(fā)展和使用可再生能源。

在前述的CCHP項(xiàng)目建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模后，綜合考慮盤錦城鄉(xiāng)區(qū)域內(nèi)冷熱電各項(xiàng)能源需求負(fù)荷和發(fā)展，進(jìn)行區(qū)域性微電網(wǎng)建設(shè)。在CCHP和GEMC的基礎(chǔ)上，引入歐洲先進(jìn)的能源策略，解決CCHP系統(tǒng)內(nèi)熱電獨(dú)立供應(yīng)、轉(zhuǎn)換利用率不高等問題，實(shí)現(xiàn)多種能源協(xié)同供應(yīng)和梯次利用。技術(shù)路線是以電網(wǎng)為基礎(chǔ)，綜合多種能源輸入形式，采用按需化設(shè)計(jì)、模塊化組合、預(yù)置式安裝模式，在用能端分布建設(shè)新能源電站和多能互補(bǔ)的清潔熱(冷)力站，最終在盤錦城鄉(xiāng)區(qū)域構(gòu)建綜合能源供能經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的分布式綜合能源微網(wǎng)(圖8)。

目前分布式綜合能源微網(wǎng)仍然處于概念階段，需要解決面對(duì)本地化的多種能源協(xié)調(diào)問題，并考慮如何高效接入大量分散分布的可再生能源。

表3 投資商每年收益分析

圖8 分布式綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)想

4 結(jié)論

1) 盤錦紅村礦區(qū)多能互補(bǔ)取暖模式在新建項(xiàng)目上具備產(chǎn)業(yè)化實(shí)施的前景。

2) 農(nóng)村地區(qū)戶用光伏取暖項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)作。項(xiàng)目可以培養(yǎng)農(nóng)民使用綠電的消費(fèi)習(xí)慣，并且具有治理霧霾、惠農(nóng)扶貧的功效。

3) 通過論證分析可知小型生物質(zhì)氣化發(fā)電有助于農(nóng)民增收、提高水稻秸稈利用的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)提出了設(shè)備小型化、原料粗糧化、工藝模塊化的生物質(zhì)發(fā)展新模式。

4) 提出了以電為中心，深化新能源利用，推廣區(qū)域多能互補(bǔ)的清潔供暖技術(shù)，在農(nóng)村地區(qū)發(fā)展戶用光伏取暖和小型生物質(zhì)發(fā)電，提供多種能源協(xié)同供應(yīng)和梯次利用的綜合解決方案。