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我国分散型可再生能源技术扩散特征和模型设计-基于元胞自动

我国分散型可再生能源技术扩散特征和
模型设计-基于元胞自动机#
史春秀,张磊**
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(项目编号:20090095120014);国家自然科学基
金(项目编号71003097);教育部人文社会科学基金(项目编号:09YJC630218);江苏省社会科学基金
(项目编号:11CSJ001);中国矿业大学社科基金(项目编号:2009W01)
作者简介:史春秀,(1988-),女,硕士研究生。
通信联系人:张磊,(1975-),男,副教授,分散型可再生能源技术创新与扩散. E-mail: mailing126@126.com
5 (中国矿业大学管理学院,江苏 徐州 221116)
摘要:发展分散型可再生能源是我国新农村建设的重要选项,可以有效满足农村居民对低成
本、清洁和高效的能源需求。本文对分散型可再生能源技术扩散特征进行了分析,指出其本
质上符合创新产品扩散理论,据此构建融合了Bass 模型的元胞自动机模型,并以太阳能热
水器为例进行了仿真分析,发现模型能够较好地拟合历史数据,并且动态直观地展现了市场
10 扩散的演化过程,对太阳能热水器未来扩散的预测结果也更为可靠,从而有利于企业管理科
学决策。
关键词:分散型可再生能源;技术扩散;特征;元胞自动机;模型
 30
0 引言
常规化石能源开发利用过程中存在着资源枯竭、环境污染和气候变化等问题,发展可再
生能源成为解决人与环境和谐持续发展的重要选项,这既包括大型水电站、风电场和光伏发
电站等集中式可再生能源,也包括小型风力发电机、太阳能热水器、户用光伏系统和生物沼
35 气池等分散型可再生能源。后者既可以因地制宜解决偏远地区电力供应和农村居民生活用能
问题,又可以将其发展成为农村特色产业,增加农民收入,在我国新农村建设中发挥着尤其
重要的作用。
当前国内外对分散型可再生能源技术扩散的研究主要停留在影响因素方面。张新喜等[1]
介绍了太阳能热水器在农村的使用现状,并从建筑设计和居民用水需求等方面讨论了关键影
40 响因素其未来发展趋势;李景明等[2]根据我国生物质能资源、技术和经济等因素的影响,提
 出了生物质能优先发展的技术路线;Ndzibah[3]通过问卷调查的方法从能源供给能力,经济
实力,财政支持和信息获知等方面对加纳的太阳能进行了研究;Margolis[4]对美国太阳能技
术从政策支持、信息交流、与现有能源系统的兼容性以及公众意识等方面进行了文献综述;
Sidiras[5]从居民收入、技术性能、清洁能源意识、广告等信息以及技术标准和加快扩散的激
45 励措施等方面对希腊的太阳能热水器进行了研究;Nouni[6]用技术经济分析的方法对印度的
小型风力发电机进行了介绍,并指出了印度小型风力发电机的技术成本高、缺乏风能资源信
息、储电池性能需待改进、用户培训不够,公众对技术的认知差等不足;Mahapatra[7]从新旧
设备间转换成本、技术价格、技术可靠性以及信息获知途径对瑞典的生物质能进行了阐述。
上述研究给出了分散型可再生能源技术扩散的促进/阻碍因素,为政策设计提供了依据。不
50 足之处在于:这些研究主要从技术采用者角度进行的,没有从分散型可再生能源技术的本身
特征及扩散环境角度来分析其扩散速度和范围,如高科技产品属性,主要面对农村市场环境
等;同时,已有研究主要采用问卷调查法,只能获取某一时点采用者采用意愿的截面数据,
无法科学揭示分散型可再生能源技术扩散的时间趋势。
为此,本文深入分析了分散型可再生能源技术扩散的本质特征,并据此提出了基于微观
55 角度的元胞自动机模型,相较广泛使用的Bass 模型,它更能够刻画分散型可再生能源技术
扩散的动态过程,并以太阳能热水器在农村地区的扩散为例进行了仿真预测分析,并通过不
同模型预测结果的比较分析,证明了模型的合理性。
1 我国分散型可再生能源技术扩散现状与特征
1.1 技术扩散现状
60 近年来,我国分散型可再生能源得到了较大发展,千瓦级的小型风力发电机技术已基本
成熟,风电成本持续下降,经济性与常规能源已十分接近;太阳能热利用技术成熟,经济性
好,产业体系完整,可大规模推广应用;户用光伏发电技术成熟,在偏远地区使用较常规电
网延伸供电要经济的得多;气化技术已是成熟的生物质能利用技术;地热采暖技术也比较成
熟。2000-2009 年沼气池、太阳能热水器和小型风力发电机在农村地区的扩散增长情况如图
65 1 所示,前二者的年增长率稳定在20-30%间,小型风力发电机年增长率波动幅度较大,但
总体增长率与太阳能热水器和沼气池的增长率保持一致。
图1 分散型可再生能源在农村地区的扩散增长情况
Fig 1. The diffusion growth of distributed renewable energy in rural areas
 由于薪柴,秸秆、畜粪、农业废弃物以及农林产品加工废弃物等生物质能非常丰富易得,
沼气池在我国农村较早得以发展。据报告,2001-2008 年间,国家投资了121.98 亿元用来推
广沼气池技术,使得2008 年底我国农户沼气池使用量已达到3049 万户,普及率达到22%。
2009 年,我国又新增519.30 万户采用者[8],这使得我国年沼气总产量达到了124.1 亿立方米,
75 极大地改善了农村用能的落后局面。
太阳能热水器近年来也在我国农村地区得到大范围地推广应用。据统计,截至2009 年
底,我国太阳能热水器总集热面积保有量约为1.45 亿平方米,年生产总量突破4000 万平方
米,使用量和年产量均占到了世界总量的一半以上,产业化程度走在了世界前列。按1 平方
米太阳能热水器每年可节约120 公斤煤核算,2009 年因使用太阳能热水器节约的煤炭为1740
80 万吨,可少排二氧化碳约4524 万吨,二氧化硫约41.76 万吨,氮氧化物约为12.18 万吨,经
济社会效益显著。
20 世纪70 年代,小风电技术在我国风能资源丰富的内蒙古、新疆等地得到了率先发展,
随着送电下乡等工程的实施,小风电技术得到了迅速发展,其产量从1999 年的7096 台增长
到了2009 年的113259 台,年均增长率达到了149%,为广大边远少电的农村地区送去了光
85 明。
1.2 技术扩散特征
与化石能源的资源约束不同,分散型可再生能源主要受到技术约束,其开发利用过程本
身就是一个技术扩散过程,具备以下特征:
(1)分散型可再生能源技术扩散过程也是新产品市场扩散过程。当前,分散型可再生
90 能源的利用技术,如光集热技术、风力发电技术和生物发酵技术等,都是嵌入在太阳能热水
器、小型风力发电机和沼气池等创新产品或工程中的,因此,推广应用分散型可再生能源可
以看作为这些创新产品的市场扩散过程,能够应用创新扩散理论,如S 型扩散模式等,对这
一过程进行科学分析。
(2)农村地区是分散型可再生能源技术扩散的主要场所。我国广袤的农村、牧区和西
95 部山区的居民用能长期依赖柴薪等传统能源,还有约3000 万人口没有解决用电问题,大电
网在短期内也无法到达,在此背景下,分散型可再生能源在以上地区得到了广泛应用。太阳
能热水器为农牧民提供了及时、清洁和高效的热水来源方式,小型风力发电机安装使用方便,
能为缺电地区居民提供离网型电力,而沼气池工程更是解决了农村用能粗放、低效和污染的
局面。
100 (3)分散型可再生能源技术扩散程度受公共信息影响。分散型可再生能源技术是一种
新型能源替代技术,虽然具有清洁高效等优势,但成本还相对较高,受传统用能习俗影响,
居民对新技术采用也还存在抵触心理,对其认识可能还并不全面,因此需要政府加大新能源
技术知识和农村环保意识的普及程度,逐步转变农村居民的用能习惯,提高对分散型可再生
能源技术的认知度。
105 (4)分散型可再生能源技术扩散动力主要来自口头传播。由于分散型可再生能源技术
扩散场所主要在农村地区,但由于农村地区知识的欠缺和消费信息的不对称,农民了解产品
信息的渠道较少,口头传播成为信息传播的主要方式,他们更相信周围邻居中前期使用者的
选择及其评价,往往形成周围许多农民都购买同一类产品的现象,出现所谓的“邻居效应”。
 2 模型构建
110 根据分散型可再生能源技术扩散特征,我们基于元胞自动机技术和创新扩散理论,建立
其技术扩散模型。
2.1 元胞自动机
元胞自动机是一个在时间和空间上都离散的动力系统,可用来仿真局部规则和局部联系
扩散现象,即"个体的下一时刻状态由该时刻自身及邻居的状态决定,少数个体的状态逐步
115 影响周围个体状态,以此来引起该状态的传播和扩散"[9]。元胞自动机(CA)由元胞、元胞
空间、邻居和演化规则四部分组成,其形式可用一个四元组表示:
( , , , ) d CA = L S N f
其中,CA 为一个元胞自动机; d L 为离散的元胞空间,即元胞所分布的空间上网格点
的集合,其中L 为空间的规模, d 指空间的维数; S 为元胞的有限状态集; N 表示一个所
120 有邻居内元胞的组合,包含n 个不同元胞; f 表示元胞的状态转换函数,即元胞状态的演
化规则。
2.2 创新扩散理论
在20 世纪60 年代,随着创新产品的采用和扩散,产生了大量的创新扩散理论,被广泛
使用的是美国学者F. M. Bass 在1969 年提出Bass 模型。该模型将创新产品扩散看作成一个
125 模仿过程:发生在有M 个潜在采用者的区域内,个体受到“传染”采用新产品的可能性随
着已采用者N(t)数目的增长而增加,但它同时又存在着两个相反的作用力,一个来自已采用
者数目的增加,它使未采用者被传染的几率不断增大;另一个来自未采用者 (M - N(t)) 数目
的减少,它使可供传染的个体不断减少,二者共同作用最终形成 S 型扩散曲线。
按照“传染病”扩散模式,消费者的采用决策行为主要受到信息变量的影响,Bass 将
130 其进一步分为大众媒介和口头交流两种类型,其中,大众媒介是指潜在采用者通过电视、报
纸和广告等途径获知新产品形状、色彩等方面信息,又被称为外部影响系数或创新系数,而
口头交流是指潜在采用者通过与已采用者进行近距离交流来获取新产品品质、使用效果等方
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