浅谈农村可再生能源应用技术
一、农村可再生能源资源 我国农村地域广阔,可再生能源资源十分丰富。目前我国农村比较适宜开发的可再生能源有:生物质能源,太阳能,风能等,其中生物质能源是最丰富、最便宜、农村使用最广泛的可再生能源,生物质能源是由植物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能源,是人类使用最早、最直接的可再生能源,也是目前我国农村的重要能源之一,其消费总量仅次于煤炭、石油和天燃气,居能源消费总量第四位,生物质能源主要来源于农村生产的有机废弃物,如薪柴,秸秆、稻草、畜禽粪便等。 我国太阳能资源也非常丰富,占全国面积2/3以上的区域太阳能年辐射量超过6000J/m2,我国除四川盆地等局部地区不适宜太阳能利用以外,其余大部分地区都具有太阳能资源利用的优越条件,尤其是西北、西南、华南地区更具有利用太阳能资源的优势。我国风能资源受地形的影响很大,多集中在沿海和开阔的陆地收缩地带,如我国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带,这些区域的年平均风速达到4~8m/s,具有相当大的开发和利用价值。 我国微水力资源丰富,可利用的微水力资源约8千万千瓦,分布在广西、云南、四川、湖南、福建、江西等省市。截至2007年,在南方山区推广微型水力发电机6.1万台,装机容量221兆瓦。 因此只要把农村直接的可再生能源开发利用,对解决农村生活和生产能源问题,具有十分重要的作用。 二、生物质能 生物质能是太阳能以化学能形式存储在生物中的一种能量形式。它直接或间接来源于植物的光合作用,地球上的植物进行光合作用所消费的能量,占太阳照射到地球总辐射量的0.2%。可见生物质能是一个巨大的能源。作为建筑师在农村建筑设计中应该充分再利用当地的农作物秸秆、禽畜粪便、生活垃圾等生物质能源技术,以提高农村建筑的可持续性。 1、沼气技术 沼气池技术是利用生物质在一定条件下,经过微生物的发酵作用而生成的以甲烷(CH4)为主的可燃气体,用来解决农民的炊事、发电照明等问题的技术。农村能源紧张,人畜粪便与垃圾的管理与处理,是我国农村环保工作的两大难题。农户的生活燃料,一般以柴草和秸秆为主,条件稍好的地方也有用煤作为主要燃料。 由于炉灶落后,燃烧不完全,导致厨房尘土飞扬。建筑设计中充分考虑这些废弃的生物质,利用沼气池技术产生沼气,使生物质能源得到充分的利用,同时又改善了农村的环境卫生。沼气池的类型较多,目前主要应用的是埋地式圆柱形水压式沼气池,主要由进料口、进料管、发酵间、储气间、出料管、水压池、活动盖和导气管组成。 (1)水压式沼气池原理 目前,在我国农村推广建造的沼气池,主要是水压式沼气池。如图1所示。 沼气池的主体是由发酵间和储气间两部分组成。以沼气发酵液液面为界,上部为储气间,下部为发酵间。当发酵间产生的沼气逐渐增多时,沼气压力随之增高,将发酵间的料液压至进出料间,直到内外压力平衡为止,这就叫做“气压水”。当用户使用沼气时,池内气压减少,进出料间的料液便返回池内,以维持新的平衡,这叫“水压气”。这样,不断产气和用气,池内外的液面差不断变化,始终保持池内外压力平衡状态。因此,这种沼气池叫做水压式沼气。 (2)农村家用沼气池的池形结构 目前,我国农村推广建造的水压式沼气池,一般是圆形和球形,其结构见图2。 从图2可以看出,沼气池一般都设有进料口1、出料间4、发酵间3、气箱(图中未画)、活动盖板5、导气管6等部分。出料问一般兼用水压箱,因此,亦称为水压式沼气池。 2、秸秆气化集中供气工程 秸秆气化集中供气技术是以生物质为原料,包括各种农作物秸秆和林业废弃料,在粉碎后通过气化装置,在缺氧状态下,经过热化学反应变为一定热值的一氧化碳、氢气、甲烷等混合可燃气体,通过供气系统,配送农户作为生活用能。一般每公斤秸秆可产2~2.4m3可燃气。2000~2005年间,在各级政府资金支持下,先后在全国各地建立了500多座秸秆气化集中供气示范工程,每座供气规模大约为200户农户左右。由于存在许多运营和管理问题,发展不是很好。 3、生物质固体成型燃料的利用 生物质固化成型是以锯末、刨花、砂光粉等林产品废弃物和农作物秸杆、稻壳等废弃物为原料,加工成高密度中空棒状的固体燃料的技术。生物质固体成型可以改善松散废弃物的燃烧性能,提高废弃物的价值品位,而且生产简单,运输和存储比较方便,且发热量大,是代替燃油、煤炭等常规能源的理想燃料。目前,市场上已出现多种型号的生物质固化成型机,可以进行大规模7U化生产,也有各种家用生物质颗粒燃料成型机,适合农户自己加工颗粒燃料。 三、太阳能 太阳能资源是指到达整个地球表面的太阳辐射能源,中国的太阳能资源,西部的年辐射量高于东部,北部高于南部,高原高于平原。太阳能资源是可再生的并且使用后不产生也不残留任何污染的洁净能源;太阳能遍布全球不受任何国家垄断和控制,具有广泛的应用前景。建筑师可以通过主动或被动的形式利用太阳能。 1、太阳能热水器 随着农村经济的发展和农民生活的改善,农村城市化的速度也将不断加快,农村(包括中小城镇)对太阳能热水器的需求也将不断增大。 (1)太阳能热水器系统原理 太阳能热水器通过太阳能集热器将太阳辐射能转热能来提高水温,是目前城乡应用最多、技术最成熟的太阳能热利用装置。它不仅可提供洗澡、洗衣、炊事等热水,同时还可用于空调、干燥、农业种植、水产养殖、海化等,具有极大的发展前途。 (2)太阳能热水器的分类及结构分析 太阳能热水器通常由集热器、贮水箱、连接管道、支撑架和控制系统组成。按使用分类,可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器:按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器;玻璃管式太阳能热水器根据热介质的不同又可分为全玻璃真空管集热器和热管真空管(玻璃金属结合)集热器两种。主要结构如下: 集热器:集热器是太阳能热水器接收太阳能量并转换为热能的核心部件和技术关键,其造价约占太阳能热水器总造价的50%左右。目前国内最普及的全玻璃真空集热管像一个拉长的暖水瓶,由两管长为1.2m或1.5m,内外径分别为37mm和47mm的同心圆玻璃管,经抽真空而成的。全玻璃真空集热管材料、工艺和结构简单,可靠性好,具有极大的应用前景。 贮水箱:贮水箱按外形分为方形、扁盒型、圆柱型、球形水箱;按放置方法分为立式和卧式两种;按耐压状态分有常压的开式水箱和耐压的闭式水箱;按是否有辅助热源可分为普通水箱和具有辅助热源的水箱;按换热方式不同可分为直接换热水箱和二次换热的间接热 交换水箱,所用材料通常为防腐处理钢板或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、不锈钢板等,保温效果则完全取决于保温材料的种类和保温材料的厚度及密度。 支撑架:太阳能热水器的支撑架主要由反射板、尾座及主撑架组成。反射板的作用主要是把射入真空管缝隙中的光有效地利用起来,分为平面不锈钢板、轧花铝板、大聚焦、小聚焦等形式,其中小聚焦型反射板,其弧面宽度为6cm,能够把太阳光完全聚集到真空管上,可大大提高太阳能热使用率;尾座的作用是保持真空玻璃管的稳定,多选用厚度在0.6mm以上的不锈钢板;主撑架则选用430#不锈钢,并用不锈钢螺钉连接。 2、太阳灶 (1)太阳灶的工作原理 太阳灶即把太阳能收集起来,用于做饭、烧水的一种器具。太阳灶的作用就是把低密度、分散的太阳辐射能聚集起来,进行烹调作业。根据不同地区的自然条件和群众不同的生活习惯,太阳灶每年的实际使用时间在400~600h,每台太阳灶每年可以节省秸秆500~800kg,经济和生态效益十分显著。 (2)太阳灶的使用方法 1)使用太阳灶的灶具底部要涂黑,新灶具要用柴、草熏黑底部,以提高热效率,减少光的反射。 2)安装要合理,应根据抛物线上的点到焦点和准线的距离,保证旋转灵活。按具体设计规格、要求安装使用,使之达到良好的使用效果。 3)使用太阳灶时,应随季节和时间的变化进行调整。由于太阳每日东起西落,阳光不断偏西移动,所以太阳灶同样也应跟踪阳光从东偏西旋转,不断调整方位与高度,用手动法调节好焦距。首先调节方位,用手抓住灶壳上边缘左右推转,使灶面正对阳光;其次调节高度,用左手抓住灶的上沿,上下活动试压,右手调节调节杆(旋转螺丝杆),眼看灶面锅具对准焦斑于锅底部中央位置即可。需要调整的时间为15min左右1次,始终保持焦斑照在灶具底部。 4)若想提高其热利用率,减少热损失,最好自制1个能放在锅圈上的无底保温避风的保温套,重量不超过2kg。农村一般可就地取材,用无底废铁盒(脸盆)。保温套可由2个部分组成,即保温圈和保温帽。保温圈可用轻型绝热材料做成的圆筒。绝热材料绝对要耐高温(高于800℃以上),以防止烧坏或造成火灾。保温帽盖在锅具上部,一般可用棉布缝制即可。 5)太阳灶上的锅具盖要严密不漏气。 3、农村太阳房 (1)太阳房概述 太阳房是一种俗称,其正规的技术名称为:被动式太阳能采暖建筑。太阳房可以在冬季起采暖作用,提高房屋的室内温度,同时兼顾夏季的降温。 我国的第一栋被动式采暖太阳房建成于1977年,地点在甘肃省民勤县,由甘肃省武威地区科委研究设计。这是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙集取太阳得热的组合式太阳房。从1977~1987年的10年间,我国建成了实验性太阳房和被动式太阳能采暖示范建筑近400栋,总建筑面积近10万m2。这些太阳房的建筑类型,大部分为农村住宅,但也包括学校、办公楼、商店、宾馆等。 (2)太阳房的供暖方式分类 1)直接受益式 这是被动式太阳房中最简单的一种形式(图3),在房屋的向阳立面有较大面积的玻璃窗,即加大房间向阳面的窗,做成落地式大玻璃墙或增设高侧窗、天窗,让阳光直接进到室内加热房间;窗扇的密封性要好,并且配有保温窗帘或保温窗扇(板),以防止夜间从窗户向外的热损失。 2)集热墙和集热蓄热墙式 在向阳面的墙体外覆盖一玻璃罩盖,玻璃罩盖和外墙面之间形成一空气夹层,厚度在60~100mm间为宜。墙体宜采用具有一定蓄热能力的混凝土或砖砌体;玻璃罩盖后的墙体上可以贴保温材料(如聚苯乙烯板材),及加贴一层金属板(铁皮、铝皮)吸热材料,金属板做成平板型或折板型以增加吸收面积,也可以不贴保温材料、不加吸热材料;墙的外表面或吸热材料表面涂成黑色或其他深色,以更多地吸收阳光,空气夹层设置位置有两种,一种在玻璃板和金属板之间(吸热板前风道式),另一种在金属与保温材料之间(吸热板后风道式)。为区别两者,可称贴有保温材料的为集热墙,未贴的为集热蓄热墙,如图4所示。 3)附加阳光间式 这种形式是在房屋南侧附建一个阳光间(或称日光温室),建筑南墙作为间墙把室内空间与阳光间分隔,阳光间的围护结构全部或部分由玻璃等透光材料做成,可以将屋顶、南墙和两面侧墙都用透光材料,也可以屋顶不透光或屋顶、侧墙都不透光,阳光间的透光面宜加设保温帘、板,阳光间与房间之间的公共隔墙上开有门、窗或通风孔洞等,作为空气对流的通道。采暖主要经由空气对流实现,太阳光穿过透光面加热阳光间内的空气,再经由间隔墙上的门窗或专设风口对流进入室内供暖。夜间阳光间成为室内外的缓冲区,阳光间温度高于外部环境温度,可以减少房间对外热损失。 4)屋顶集热蓄热式 屋顶集热蓄热式是利用屋顶进行集热蓄热,即在屋顶设置集热蓄热装置,工作原理是白天吸热蓄热,昼夜通过顶棚热辐射及对流方式向室内空间供热,如图5所示。由于热空气密度小,由顶向下进行对流供热一般需要加风扇强制送热风。 5)对流环路式 它适用于建在山坡上的房屋。平板集热器低于房屋地面,蓄热器设在集热器上面,形成高差,利用流体的热对流循环。白天,太阳能集热器中的空气(或水)被加热后,借助温差产生的自然循环作用,通过风道(用水时为水管)提升到它的上部岩石储热仓(用水是蓄热水箱),热空气被岩石堆吸收热量而变冷,再流回集热器的底部,进行下一个循环。夜间,岩石储热仓通过送风口向采暖房间以对流方式采暖,热空气加热卵石储存后在需要采暖时向室内供热。一般要借助风扇强制循环。 6)组合式太阳房 由上述两种或两种以上的基本类型组合而成的被动式太阳房称之为组合式太阳房。不同的采暖方式结合使用,可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。实际建成的太阳房大多为组合式。针对不同地区和不同需要,可采用不同的太阳房型式。以上几种类型的被动式太阳房,在实际应用中,往往是几种类型结合起来使用,称为组合式或复合式太阳房。尤以前三种型式应用在一个建筑物上更为普遍。其他还有主、被动结合在一起使用的情况。 四、微型水力发电 1、微水电的定义 微型水力发电设备是指将微水电资源转换成符合民用电要求的电能的发电设备,其额定发电功率在500kW及以下,简称微水电设备。微型水力发电设备包括微型水轮发电机组和微型水力发电辅助设备。微型水力发电机组主要由微型水轮机、发电机、控制器组成。微型水力发电辅助设备是指保障微型水力发电机组正常运行所需要的引、排水管控和机组管护的机电设备。 总装机容量在500kW及以下的水电站,称为微型水力发电站,简称微水电站。由多台微水电机组组成的总装机容量在500kW以上的水电站,应称之为由微水电机 组组成的小水电站,其电站的建设和管理必须符合小水电站的标准和规范。 2、微水电工程及其工作过程 微水电工程实际上是在微水电站的基础上增加输电线路构成的。典型的微水电工程(以冲击式机组为例)如图6所示。 微水电工程工作过程如下:通过拦水坝集中小模流水,水经过引水渠流入压力前池,然后经引水管进入机房内的微水电机组,推动水轮机转轮旋转,转轮带动发电机发电,电能通过输电线供给用电户。以上过程是以冲击式机组运行过程为例的,对于轴流式机组,其过程与冲击式机组有些区别,引水渠中的水直接流入蜗壳,推动水轮机转轮旋转,不需要经过引水管。 微水电工程的组成和功能可以简单地用图7来表示。 从图中可知,微水电工程一定要有: 土建工程(修筑引水工程、机房和排水沟等); 微水电机组(水轮机和发电机等); 输电线路: 用户内线等。 微水电工程的性能质量水平由以上四部分及各个环节控制调节的效率、可靠性、准确性、方便性来衡量。微水电工程的总体布置,应综合考虑以下诸多因素,通过经济技术比较来确定。 (1)首先应考虑当地微水力资源,只有微水力资源满足微水电机组的使用要求才能安装微水电机组。没有微水力资摞或微水力资源不满足微水电机组的使用要求的,都不能安装微水电机组。 (2)其次要考虑农田灌概要求。有些微水力资源并不是常年都很丰富,在枯水季节,应优先考虑农田灌溉,再考虑微水电发电。不能因使用微水电发电而影响了农业生产。 (3)再次考虑地形地质条件和洪水的影响。微水电不能安装在容易滑坡和洪水容易淹到的地方。在购买机组时,应根据微水力资源所在地的地形地质条件来选择合适的机型(卧式或立式)。 (4)在决定安装微水电机组发电时,还应考虑工程技资额和施工条件。工程投资包括在土建和输电线路等方面的投资。如果引水渠太长、机组安装基础花费较大或机组安装的地点离用户居住的地方太远(2km以上),安装微水电应当说是不经济的。它不仅投入过高,而且不便于管理和维护。 五、结语 随着能源危机和环境恶化问题的日益突出,使以可再生能源为主的农村能源建设问题越来越受到人们的普遍关注,成为可持续发展战略的重要组成部分和社会主义新农村建设的重要内容。随着《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源产业发展指导目录》、《可再生能源中长期发展规划》等一系列法律法规的颁布,以及党中央加大对农村可再生能源建设力度号召的提出,我国农村可再生能源产业化进入了一个全面、快速、健康发展的新阶段。