郭放　孫迎建　郝瑞林

中國(guó)有14億人口，世界之最。其中，農(nóng)業(yè)人口占據(jù)了一半，這意味著在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)生活著約7億人口。大部分農(nóng)村都遠(yuǎn)離大城市和經(jīng)濟(jì)中心。這導(dǎo)致對(duì)于農(nóng)業(yè)人口的能源運(yùn)輸成為一個(gè)巨大的問(wèn)題。同時(shí)，中國(guó)國(guó)土面積約960萬(wàn)平方公里，幅員遼闊，地形復(fù)雜。這無(wú)疑增大了能源輸送的難度。但是，復(fù)雜的地形也為新能源發(fā)展提供了條件。在中國(guó)，幾乎所有新能源都有所利用。這其中，有兩種最廣泛用于農(nóng)村。一種是風(fēng)能，主要用于內(nèi)蒙古；另一種是農(nóng)耕地區(qū)大量運(yùn)用的沼氣。此論文將主要討論這兩種新能源。同時(shí)也將探究新能源在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的前景。

風(fēng)能在內(nèi)蒙古的發(fā)展主要由于該地區(qū)人口密度低，地形和氣候條件有利于風(fēng)能的利用。在面積上，內(nèi)蒙古占據(jù)了全國(guó)面積的12%，人口僅為總?cè)丝诘?.84%，這其中大部分為蒙古族。與其他民族不同，蒙古族屬于游牧民族，以放牧為生。他們并沒(méi)有固定住所，也不以村或鎮(zhèn)為單位聚集。多數(shù)時(shí)候，也許只有一戶(hù)人家生活在很大一片區(qū)域內(nèi)。另外，整個(gè)家庭隨著季節(jié)變化變換住所，以找到最適合放牧的地點(diǎn)。對(duì)于這種生活習(xí)俗，受西伯利亞冷空氣和蒙古高原颶風(fēng)的影響，內(nèi)蒙古地區(qū)有豐富的風(fēng)力資源。風(fēng)力發(fā)電成為一種可行和高效的措施。

沼氣在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用是利用農(nóng)業(yè)廢物和動(dòng)物糞便。中國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)國(guó)家。直至今日，農(nóng)業(yè)依舊是一個(gè)至關(guān)重要的產(chǎn)業(yè)。中國(guó)的農(nóng)耕歷史始于公元前7500年。自20世紀(jì)80年代起，中國(guó)就成功地將沼氣用作一種家用能源。20世紀(jì)90年代，中國(guó)的沼氣建設(shè)已延伸至西部那些化石燃料不足，供電不足的地區(qū)。對(duì)于發(fā)展中國(guó)家，沼氣的應(yīng)用不僅解決了能源供應(yīng)不足的問(wèn)題，更提高了農(nóng)村地區(qū)人民的生活質(zhì)量。

具體應(yīng)用

這部分將具體討論風(fēng)電和沼氣這兩種新能源。包括使用的歷史，涉及到的科技原理以及未來(lái)發(fā)展前景。

內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)能的利用

風(fēng)能利用的歷史。中國(guó)在風(fēng)能的利用方面有很長(zhǎng)的歷史，可追溯至3000年前的商朝。最早運(yùn)用于帆船。利用風(fēng)力的水輪也在古書(shū)中有記載。利用風(fēng)來(lái)灌溉和制造食鹽的技術(shù)一直沿用至20世紀(jì)50年代。

中國(guó)農(nóng)村地區(qū)發(fā)展風(fēng)能的動(dòng)機(jī)。中國(guó)政府發(fā)展風(fēng)能技術(shù)主要有四個(gè)方面的動(dòng)機(jī)：經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)和科技。經(jīng)濟(jì)利益是最明顯的因素。由于有著高質(zhì)量的風(fēng)力資源，中國(guó)許多地區(qū)都非常適合發(fā)展風(fēng)能。最典型的便是內(nèi)蒙古地區(qū)。內(nèi)蒙古位于北緯38度至53度地區(qū)，受西伯利亞冷空氣和蒙古高原颶風(fēng)影響。每年超過(guò)20m/s風(fēng)速的總風(fēng)時(shí)可達(dá)4000-5000小時(shí)。該地區(qū)的風(fēng)力穩(wěn)定性、持久性都很高，有利于建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。此外，這種離網(wǎng)的能源系統(tǒng)可以顯著降低維護(hù)費(fèi)用和長(zhǎng)距離的線路損耗。這樣也就降低了電力系統(tǒng)的造價(jià)和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。不僅如此，化石燃料的消耗是一個(gè)非常嚴(yán)峻和現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。在人類(lèi)文明快速發(fā)展的進(jìn)程中，經(jīng)歷過(guò)幾次能源危機(jī)。對(duì)煤炭、石油、天然氣和其他化石燃料的過(guò)度開(kāi)采將導(dǎo)致能源的最終枯竭。所以，大力發(fā)展風(fēng)能不僅是出于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，更符合發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的要求。

第二方面，與傳統(tǒng)的發(fā)電方式如熱電、核電相比，風(fēng)能既安全又環(huán)保，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。作為發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)在高速發(fā)展中遭遇了環(huán)境污染的代價(jià)。未來(lái)要面臨多種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題就變成了挑戰(zhàn)社會(huì)進(jìn)程的主要問(wèn)題。1997年，聯(lián)合國(guó)起草了《京都議定書(shū)》，提到了發(fā)展新能源，減少溫室氣體排放。風(fēng)能在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生煙灰、二氧化硫、一氧化碳及其他污染物。

第三方面，發(fā)展風(fēng)能可以直接或間接地為整個(gè)社會(huì)提供就業(yè)機(jī)會(huì)。不僅在生產(chǎn)和安裝工藝方面，還體現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)方面?，F(xiàn)如今在中國(guó)，風(fēng)能的發(fā)展和使用早已成為熱門(mén)話(huà)題，許多人對(duì)風(fēng)能很感興趣，對(duì)于政府的風(fēng)能產(chǎn)業(yè)和項(xiàng)目大力支持。盡管風(fēng)能的成熟度和效益還不如熱力能源，人們依舊愿意嘗試讓它走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。

最后一方面是科技的驅(qū)動(dòng)力。多方面多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的滲透和提升都成為風(fēng)能發(fā)展的最強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)能發(fā)電機(jī)和發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和進(jìn)步涉及到許多領(lǐng)域，如空氣動(dòng)力學(xué)理論的應(yīng)用和材質(zhì)輕強(qiáng)度大的新型材料。

當(dāng)今的風(fēng)能技術(shù)和未來(lái)在中國(guó)的發(fā)展。這一部分將簡(jiǎn)要介紹風(fēng)是怎樣形成的以及風(fēng)力渦輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。受太陽(yáng)照射，地球表面不均勻受熱，導(dǎo)致大氣壓的不均勻分布。受氣壓差的影響，空氣水平移動(dòng)，也就形成了風(fēng)。風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)氣流吹過(guò)葉片，帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)旋翼葉轂轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，就完成了風(fēng)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。接著，與之連接的軸帶動(dòng)齒輪箱，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，完成由機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。風(fēng)能與風(fēng)速的立方成正比。如果風(fēng)速增加一倍，能量將達(dá)到原來(lái)的八倍。這意味著風(fēng)速對(duì)于建設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠至關(guān)重要。

理論上講，60%的風(fēng)能可以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，現(xiàn)代的風(fēng)力渦輪機(jī)最高效率可達(dá)40%。隨著科技的發(fā)展，風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)者開(kāi)始改變?nèi)~片的大小和形狀及發(fā)電機(jī)的類(lèi)別以達(dá)到更高的效率。

中國(guó)西部農(nóng)村地區(qū)沼氣的應(yīng)用

沼氣普及的背景。在中國(guó)農(nóng)村，資源匱乏，農(nóng)業(yè)廢物卻嚴(yán)重浪費(fèi)。只有發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)才是中國(guó)農(nóng)業(yè)的基本途徑。生態(tài)農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)循環(huán)、再生、可持續(xù)發(fā)展。沼氣發(fā)酵是達(dá)到能量轉(zhuǎn)換，材料回收利用和綜合利用農(nóng)業(yè)廢料的最佳方法和關(guān)鍵點(diǎn)。它融合了生態(tài)系統(tǒng)、生產(chǎn)者、消費(fèi)者、和分解者。

甲烷發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生沼氣、泥漿和殘?jiān)取＿@些產(chǎn)物在建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)過(guò)程中扮演著重要角色。近些年，以沼氣發(fā)展為契機(jī)，生態(tài)農(nóng)業(yè)工程模式也快速發(fā)展起來(lái)，成效顯著。尤其是在減少牲畜飼養(yǎng)產(chǎn)業(yè)的排泄物方面。

沼氣在中國(guó)的發(fā)展史。中國(guó)的沼氣利用開(kāi)始于20世紀(jì)70年代。政府開(kāi)始重視農(nóng)村地區(qū)的能源問(wèn)題。從那時(shí)起，約有6000個(gè)家庭用上了沼氣。1980年，這個(gè)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)到了7230000。到1986年底，約有沼氣池453000座。20世紀(jì)90年代，沼氣利用的技術(shù)大大提高。當(dāng)時(shí)有很多重大突破，如更優(yōu)質(zhì)的沼氣池，更先進(jìn)的發(fā)酵技術(shù)，成熟的利用途徑以及管理方法。與此同時(shí)，中國(guó)的沼氣戰(zhàn)略向更遠(yuǎn)的廣西東部地區(qū)延伸。該地區(qū)電能?chē)?yán)重短缺。到2000年底，中國(guó)有9800000座家用沼氣池。從那以后，政府加大了農(nóng)村地區(qū)沼氣建設(shè)的投資。到2005年底，18000000家庭用上了沼氣。

沼氣的生成原理。沼氣的構(gòu)成和品質(zhì)：沼氣是一種可燃的混合氣體，主要成分是甲烷，含量達(dá)55-70%，25-40%為二氧化碳，另外還有小部分的氫氣、硫化氫、一氧化碳、氮等。

沼氣發(fā)酵的基本原理：甲烷發(fā)酵的本質(zhì)是微生物自身和能量新陳代謝的生理過(guò)程。在甲烷發(fā)酵過(guò)程中，為了在厭氧條件下創(chuàng)造出微生物自身生存繁殖所需的能量，微生物分解一些高能量的有機(jī)物為其新陳代謝釋放能量，同時(shí)產(chǎn)生一些低能的部分。

沼氣發(fā)酵過(guò)程：第一階段是液化過(guò)程。微生物細(xì)胞外產(chǎn)生的酶（如纖維素、淀粉酶、蛋白酶）將有機(jī)物酶解，多糖被水解為單糖，蛋白質(zhì)被分解為氨基酸和縮氨酸。通過(guò)酶解作用，將固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶于水的物質(zhì)。這些物質(zhì)進(jìn)入微生物細(xì)胞，參與細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)。第二階段是產(chǎn)酸作用。以上過(guò)程的水解產(chǎn)物可以進(jìn)入微生物細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)的酶解作用下，進(jìn)一步分解為小分子物質(zhì)，如揮發(fā)性脂肪酸、酒精、乙醛、酮、油脂、中性化合物、氫、二氧化碳、乙酸等。這些物質(zhì)占80%左右。這階段包含的細(xì)菌都是產(chǎn)酸細(xì)菌。第三階段是產(chǎn)生沼氣。這一階段，產(chǎn)生氨的細(xì)菌不斷繁殖，變得更活躍。氨氮濃度上升，揮發(fā)性酸濃度下降，給產(chǎn)烷生物、產(chǎn)生沼氣的細(xì)菌提供了一個(gè)良好的生存環(huán)境。

a.酒精和二氧化碳產(chǎn)生甲烷氣體

2CH3CH2OH+CO2→2CH3COOH+CH4

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O

b.揮發(fā)性酸產(chǎn)生甲烷氣體

2CH3CH2CH2COOH+2H2O+C02→4CH3COOH+CH4

c.二氧化碳與氫氣反應(yīng)產(chǎn)生甲烷氣體

CO2+4H2→CH4+2H2O

沼氣發(fā)酵的這三個(gè)階段相互聯(lián)系，彼此交叉進(jìn)行，以保持動(dòng)平衡。在正常條件下，消化分解有機(jī)物和瓦斯氣體是相對(duì)穩(wěn)定的。如果平衡被破壞，將會(huì)影響氣體產(chǎn)量。如果液化階段酸產(chǎn)物的發(fā)酵速率過(guò)慢，沼氣產(chǎn)生速度將會(huì)變得非常緩慢，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程周期會(huì)變長(zhǎng)。原料的分解將會(huì)不完全，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的殘?jiān)Ｈ欢?，如果產(chǎn)酸過(guò)程速度太快，逼近前兩個(gè)階段的甲烷產(chǎn)生速率，將會(huì)積累大量的有機(jī)酸，這會(huì)產(chǎn)生酸抑制，也會(huì)影響氣體產(chǎn)生。如果發(fā)生嚴(yán)重的“酸中毒”，將不會(huì)產(chǎn)生沼氣。

農(nóng)村家用沼氣池中沼氣發(fā)酵的基本條件

合適的碳、氮濃度。沼氣發(fā)酵可以根據(jù)成分分為富氮材料和富碳材料。富氮材料主要有人、牲畜、家禽的糞便。富碳材料主要有農(nóng)作物殘?jiān)?，如麥稈、外殼。氮和碳的比例不同?huì)導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量的變化。從營(yíng)養(yǎng)和新陳代謝角度看，細(xì)菌的消耗速度是氮的20-30倍。因此，在其他條件滿(mǎn)足的情況下，碳、氮比達(dá)到25：1至30：1可令沼氣發(fā)酵達(dá)到較合適的速度。

足量的高質(zhì)細(xì)菌。種菌主要來(lái)源于沼氣池、湖泊、沼澤、池塘底部、管溝污泥、動(dòng)物排泄物、動(dòng)物糞便等地方。種菌的添加量多為總量的10%-30%。增加其添加量會(huì)加快氣體產(chǎn)生速率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低偏差率。

嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。沼氣微生物和產(chǎn)烷生物的核心菌群是一種對(duì)氧氣十分敏感的厭氧菌。空氣中的氧氣會(huì)抑制其活性，甚至致其死亡。沼氣生產(chǎn)只能在嚴(yán)格的厭氧條件下進(jìn)行。因此，沼氣池必須有良好的密封性。

適宜的發(fā)酵溫度。溫度是沼氣發(fā)酵的一個(gè)重要的外部因素。如果溫度適宜，細(xì)菌活性會(huì)比較高，厭氧消化和沼氣生成速率也會(huì)加快。

研究顯示，在10-60°C范圍內(nèi)，甲烷氣體可以自然地生成。如將發(fā)酵溫度分為三個(gè)范圍，46-60°C為高溫發(fā)酵，28-38°C為中溫發(fā)酵，10-26°C為常溫發(fā)酵。農(nóng)村的沼氣池中溫度為常溫。盡管常溫發(fā)酵范圍較廣，但在此區(qū)間內(nèi)，溫度越高，氣體質(zhì)量越好。

宜的pH值。沼氣微生物的生長(zhǎng)和繁殖需要發(fā)酵原材料保持在中性pH值或弱堿性環(huán)境。過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)影響氣體產(chǎn)生。農(nóng)村使用的沼氣池一般不需要人工調(diào)節(jié)pH值。

發(fā)酵的穩(wěn)定濃度。干性材料的適宜濃度為4-10%，這意味著發(fā)酵原料中含90-96%的水分。濃度隨溫度變化而變化，夏天在6%左右，冬天大約為8-10%。濃度過(guò)高或過(guò)低都不利于沼氣發(fā)酵的進(jìn)行。

未來(lái)發(fā)展

上文提到過(guò)風(fēng)能和沼氣在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展前景。然而，除去這兩種能源，還有更多的新能源可以用于中國(guó)偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)。例如，在偏遠(yuǎn)山區(qū)，風(fēng)能和沼氣可能并不適用，但是這些地區(qū)有豐富的地?zé)崮茉?。由于太?yáng)能有輕便的優(yōu)點(diǎn)，它在內(nèi)蒙古地區(qū)仍然廣泛適用。

根據(jù)本文的研究，新型能源在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)有四大發(fā)展趨勢(shì)：

更經(jīng)濟(jì)：經(jīng)濟(jì)成本是新型能源在中國(guó)農(nóng)村應(yīng)用的最重要方面。新能源應(yīng)當(dāng)更加經(jīng)濟(jì)。

更高效：對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)而言，新型能源可能成為當(dāng)?shù)氐奈ㄒ荒茉?。因此，發(fā)展更高效的新能源才能提供充足的能量。

便于存儲(chǔ)：對(duì)于新型能源系統(tǒng)，將技術(shù)人員分派到每個(gè)遠(yuǎn)方地區(qū)是不可能的。也不可能對(duì)農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)民、牧民一一進(jìn)行科普教育。在這種情況下，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)變得易于使用就非常重要。

更便攜：正如上文提到的，內(nèi)蒙古地區(qū)的牧民隨季節(jié)遷移，所以新能源系統(tǒng)的便攜性非常重要，應(yīng)當(dāng)便于打包攜帶。

新能源的發(fā)展應(yīng)當(dāng)遵循這四個(gè)原則。

此論文主要探究了新能源在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用的背景。也探討了中國(guó)農(nóng)村地區(qū)使用的新能源技術(shù)原理以及新能源的未來(lái)發(fā)展前景。新能源在中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用不僅解決了千萬(wàn)人的日常需求，也在最大程度上改善了環(huán)境。中國(guó)政府也出臺(tái)了相關(guān)法律和政策支持新能源建設(shè)。并投入了大量資金。隨著更多的新能源在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用，中國(guó)農(nóng)村會(huì)發(fā)展得越來(lái)越好，整個(gè)國(guó)家的環(huán)境問(wèn)題也將得到改善。