农村清洁能源供应体系进展探析

石 岩 陈红旭 甄 勃 刘诚丞 路亚东

1.吉林建筑大学市政与环境工程学院

2.长春北科智尚房地产开发有限责任公司

0 引言

农村能源在社会总能源中的占比逐年提升，2021年农村能源占社会总能源的15%（详见表1）。同时，为响应国家乡村振兴战略，在农村建设新型的农村能源系统，充分开发利用农村的空间资源和储能资源，针对我国村镇普遍存在的应用技术基础薄弱、居民经济承受能力较弱、商品能源供给不足、建筑室内人居环境状况亟待改善等特点，紧扣北方地区农村冬季清洁取暖的迫切需求，以低成本、可持续、好实施、易运行、免维护为宗旨，立足太阳能、生物质能、低品位能源以及电力等清洁能源，结合经济高效的蓄热技术和用能系统，为解决村镇地区清洁供能问题提供强有力技术支撑。

表1 我国农村能源在社会总能源中的占比（单位：亿tce）

《“十四五”推进农业农村现代化规划》中指出，加强乡村清洁能源建设，就要因地制宜推动农村地区光伏、风电发展，推进农村生物质能源多元化利用。因此，本文主要综述了光伏发电、太阳能热泵系统、生物质能源系统、空气源热泵耦合其它能源系统四个方面在国内外的研究现状，希望能对我国清洁能源的进一步发展提供新思路。

1 光伏发电技术

太阳能发电技术作为一种新型发电技术与传统发电技术相比具有很多的优点，具有储存能量大，清洁无污染等优点，此新型发电技术的提出激发了国内外学者的研究兴趣。最初的太阳能发电技术是在美国发展起来的，美国于1954 年贝尔实验室内开发出了第一个硅太阳能电池，并迅速发展成为最早实现太阳能转换为电能的国家［1］。除此之外，德国的太阳能发电技术发展也是较快的。1999年，德国为了推动太阳能发电技术的发展，提出了超过100 000的屋顶计划，为德国太阳能发电技术的进一步发展提供了政策支持。随着德国光伏发电技术的不断发展，以及全球碳达峰碳中和目标的提出，德国的光伏发电技术越来越完善，截至2019年，德国的光伏总发电量为46.5 TWh，在世界上占据了很高水平，并减少了近3 000万t的碳排放，为全球碳达峰碳中和目标的实现提供了新思路［2］。

与国外光伏发电技术相比，我国的光伏发电技术起步较晚，但是发展速度较快。在2006年底，我国诞生了第一套户用光伏发电系统，其发明人为赵春江教授。2012年，赵教授将屋顶光伏覆盖面积扩大到40 m2（如图1所示）。其发电功率达3 700 W，平均年发电量约3 900 kWh，经过长期的实践测试，该光伏系统几乎没有任何的衰减。在此之后，我国的光伏发展逐步走上快速通道，国家加大对光伏发电的扶持力度，制定了许多大力发展我国光伏技术的政策，为我国光伏技术的进一步发展打下了扎实的基础。2021年，我国分布式光伏新增装机容量为29.27 GWp，占总装机容量的55%。同年6-9 月，中国31 个省份有676 个屋顶太阳能光伏（RTSPV）试点项目［3］。Wang等人［4］的研究发现，国内的屋顶发电潜力为每年3.27×109 MWh，这意味着每年CO2排放将会减少2.41×109 t。由此可知，屋顶太阳能光伏利用建筑屋顶资源来设计分布式光伏电站，不仅可以有效帮助减少温室气体排放，也是加速绿色能源转型以实现可持续发展目标的一个好方法。

图1 屋顶光伏覆盖面积扩大到40 m2的光伏发电系统

2 太阳能与热泵联合系统

众所周知，太阳能通常具有间歇性和波动性等缺点。由此可知，太阳能作为单独能源供能并不能持续很长的时间，往往需要将太阳能作为辅助能源与其它能源相结合，可以提高其能源利用效率。在村镇中通常是将太阳能与热泵系统耦合在一起使用，太阳能与热泵系统耦合在一起的技术国内外有很多的学者进行研究。

在国外，太阳能与热泵系统耦合在一起使用构想最初是Jodan 和Therkeld［5］提出来的。Jodan 和Therkeld分别比较了太阳能和热泵单独使用的能量利用效率，经过比较之后,太阳能耦合热泵系统可以很好地提高能量利用效率。随着太阳能耦合热泵系统的不断优化，Kamil Kaygusuz为了得出更好的耦合系统，设计出了一种太阳能热泵与相变储能装置联合的系统，系统通过阀门的切换，实现多种供热模式的转变。Collins等人［6］设计出一种新型的自动调节的双水箱太阳能热泵系统，经过TRNSYS软件模拟后可以得到集热器面积为7.5 m2时，节能效果可以达到60%以上。Youssef等人［7］设计出一种间接式太阳能热泵，该系统利用了相变材料，使用该材料时，晴天与阴天的时候能源效率可以分别提高6.1%和14%。

在国内，阳季春提出了一种间接式太阳能多功能热泵系统，该系统通过阀门的开闭就可调整为供热模式、制冷与热水模式、单一热水模式和单一制冷模式。Ran等人［8］则是针对传统太阳能热泵系统太阳能利用不足的缺点，提出了一种能够高效利用各种强度的太阳能并在除霜过程中稳定供热的太阳能-空气热泵系统，使其能够在除霜条件下提供稳定的热量并减少使用的能量达到除霜的目的。2021年，Jibo Long等人［9］提出了一种混合太阳能热水与空气源热泵联合供热系统，可实现太阳能热水与空气源热泵并联加热模式、串联加热模式、太阳能热水作为空气源热泵热源的预热式连接方式等多种连接方式。

3 生物质能源系统

20世纪以来，许多国家都开展了有关生物质能源的研究计划，美国、瑞典、奥地利三个国家在实现产业经营规模化以及应用商业化的同时，还将大规模生物质能转化为高品位能源。美国已熟练地掌握了生物质能发电技术，并将其广泛应用，尤其在生物质气化合成燃料乙醇方面也表现突出，其技术水平遥遥领先于其他国家。1988年，美国煤电厂就已经应用了生物质气化混合燃料技术，煤与生物质燃气混合在锅炉内进行燃烧，这项技术得到了商业化的应用。

近年来，受我国生物质秸秆种类多、能源转化技术不成熟、农业生产方式没有太多创新等因素的影响，使得我国即使大力支持和鼓励生物质能的开发利用，但仍未取得显著的成效。同时，人们没有较强的环保意识，在收获农作物后，大量秸秆被直接焚烧，不仅没有将生物质能源充分利用，还影响了原料供给，导致在市场中供不应求。从农业部门的统计可看出，我国每年产生的秸秆除去直接还田造肥的部分，只有小部分转化为能源，其余大部分被直接焚烧，造成了大量浪费。因此，我国对生物质能源高效转化技术的研究刻不容缓。

4 空气源热泵耦合其它能源系统

虽然空气源热泵在实际应用中有许多的优势，但是它还存在着效率不高的问题，改善压缩机性能和提升压缩机除霜的能力是之前研究的侧重点。对于改善压缩机性能，研究的方向一直是从单级压缩系统到双级压缩，近年来研究的侧重点转向为对新型制冷剂工质的研究。Kim等［10］提出了一种双热气旁路除霜与蓄热器联合系统，研究表明这种热泵系统供热量高于反循环除霜热泵系统，此研究的侧重点在于改善低温环境下空气源热泵机组的性能。还有一些学者通过将空气源热泵与其它清洁供暖系统耦合的方法来提高空气源热泵在严寒地区供暖的能效比。Liu等人［11］采用搭建试验台的方法，研究并分析了太阳能耦合空气源热泵系统在面对低温环境时其供热能力的情况，结果表明，在-15 ℃的环境下，太阳能耦合系统的COP相较于单空气源热泵的COP 增加了一半。王冀［12］利用TRNSYS软件模拟了在严寒地区水源热泵耦合空气源热泵的供暖应用情况，一共选取了十个城市，分别对其进行分析和优化，研究表明耦合系统比单系统具有更高的COP，环境适应性也相对更高。裴玉萍［13］研究了生物质耦合空气源热泵在北方农村地区的供暖情况，通过TRNSYS软件进行瞬时模拟分析，结果表明，就沈阳地区而言，这个系统并不适用，但在北京农村分时电价下，该系统的经济效益和节能减排效益较好。

5 结语

为加快构建以可再生能源为基础的农村清洁能源供应体系，实现可持续发展目标，本文基于农村发展的背景，针对农村清洁能源进行了综述。从上述研究中，发现屋顶光伏设计需求会越来越多，光伏技术也越来越成熟，但是对于更复杂的屋顶类型和地貌分布，光伏资源调查、系统设计和运维等方面将非常困难，因此需要从以上几个方面进行研究，实现清洁能源的有效利用，有效减少CO2排放。针对太阳能与热泵联合系统以及空气源热泵耦合其它能源系统，目前更多的是做好优化，因地制宜地实现更高的经济效益和节能减排效益。对于农村生物质能源，尽管现在已经作出了巨大的努力和重要的进展，但仍需要进一步研究，以促进该技术的市场渗透，早日实现农村生物质能源资源化利用。