石 巖 陳紅旭 甄 勃 劉誠丞 路亞東

1.吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院

2.長春北科智尚房地產開發(fā)有限責任公司

0 引言

農村能源在社會總能源中的占比逐年提升，2021年農村能源占社會總能源的15%（詳見表1）。同時，為響應國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，在農村建設新型的農村能源系統，充分開發(fā)利用農村的空間資源和儲能資源，針對我國村鎮(zhèn)普遍存在的應用技術基礎薄弱、居民經濟承受能力較弱、商品能源供給不足、建筑室內人居環(huán)境狀況亟待改善等特點，緊扣北方地區(qū)農村冬季清潔取暖的迫切需求，以低成本、可持續(xù)、好實施、易運行、免維護為宗旨，立足太陽能、生物質能、低品位能源以及電力等清潔能源，結合經濟高效的蓄熱技術和用能系統，為解決村鎮(zhèn)地區(qū)清潔供能問題提供強有力技術支撐。

表1 我國農村能源在社會總能源中的占比（單位：億tce）

《“十四五”推進農業(yè)農村現代化規(guī)劃》中指出，加強鄉(xiāng)村清潔能源建設，就要因地制宜推動農村地區(qū)光伏、風電發(fā)展，推進農村生物質能源多元化利用。因此，本文主要綜述了光伏發(fā)電、太陽能熱泵系統、生物質能源系統、空氣源熱泵耦合其它能源系統四個方面在國內外的研究現狀，希望能對我國清潔能源的進一步發(fā)展提供新思路。

1 光伏發(fā)電技術

太陽能發(fā)電技術作為一種新型發(fā)電技術與傳統發(fā)電技術相比具有很多的優(yōu)點，具有儲存能量大，清潔無污染等優(yōu)點，此新型發(fā)電技術的提出激發(fā)了國內外學者的研究興趣。最初的太陽能發(fā)電技術是在美國發(fā)展起來的，美國于1954 年貝爾實驗室內開發(fā)出了第一個硅太陽能電池，并迅速發(fā)展成為最早實現太陽能轉換為電能的國家［1］。除此之外，德國的太陽能發(fā)電技術發(fā)展也是較快的。1999年，德國為了推動太陽能發(fā)電技術的發(fā)展，提出了超過100 000的屋頂計劃，為德國太陽能發(fā)電技術的進一步發(fā)展提供了政策支持。隨著德國光伏發(fā)電技術的不斷發(fā)展，以及全球碳達峰碳中和目標的提出，德國的光伏發(fā)電技術越來越完善，截至2019年，德國的光伏總發(fā)電量為46.5 TWh，在世界上占據了很高水平，并減少了近3 000萬t的碳排放，為全球碳達峰碳中和目標的實現提供了新思路［2］。

與國外光伏發(fā)電技術相比，我國的光伏發(fā)電技術起步較晚，但是發(fā)展速度較快。在2006年底，我國誕生了第一套戶用光伏發(fā)電系統，其發(fā)明人為趙春江教授。2012年，趙教授將屋頂光伏覆蓋面積擴大到40 m2（如圖1所示）。其發(fā)電功率達3 700 W，平均年發(fā)電量約3 900 kWh，經過長期的實踐測試，該光伏系統幾乎沒有任何的衰減。在此之后，我國的光伏發(fā)展逐步走上快速通道，國家加大對光伏發(fā)電的扶持力度，制定了許多大力發(fā)展我國光伏技術的政策，為我國光伏技術的進一步發(fā)展打下了扎實的基礎。2021年，我國分布式光伏新增裝機容量為29.27 GWp，占總裝機容量的55%。同年6-9 月，中國31 個省份有676 個屋頂太陽能光伏（RTSPV）試點項目［3］。Wang等人［4］的研究發(fā)現，國內的屋頂發(fā)電潛力為每年3.27×109 MWh，這意味著每年CO2排放將會減少2.41×109 t。由此可知，屋頂太陽能光伏利用建筑屋頂資源來設計分布式光伏電站，不僅可以有效幫助減少溫室氣體排放，也是加速綠色能源轉型以實現可持續(xù)發(fā)展目標的一個好方法。

圖1 屋頂光伏覆蓋面積擴大到40 m2的光伏發(fā)電系統

2 太陽能與熱泵聯合系統

眾所周知，太陽能通常具有間歇性和波動性等缺點。由此可知，太陽能作為單獨能源供能并不能持續(xù)很長的時間，往往需要將太陽能作為輔助能源與其它能源相結合，可以提高其能源利用效率。在村鎮(zhèn)中通常是將太陽能與熱泵系統耦合在一起使用，太陽能與熱泵系統耦合在一起的技術國內外有很多的學者進行研究。

在國外，太陽能與熱泵系統耦合在一起使用構想最初是Jodan 和Therkeld［5］提出來的。Jodan 和Therkeld分別比較了太陽能和熱泵單獨使用的能量利用效率，經過比較之后,太陽能耦合熱泵系統可以很好地提高能量利用效率。隨著太陽能耦合熱泵系統的不斷優(yōu)化，Kamil Kaygusuz為了得出更好的耦合系統，設計出了一種太陽能熱泵與相變儲能裝置聯合的系統，系統通過閥門的切換，實現多種供熱模式的轉變。Collins等人［6］設計出一種新型的自動調節(jié)的雙水箱太陽能熱泵系統，經過TRNSYS軟件模擬后可以得到集熱器面積為7.5 m2時，節(jié)能效果可以達到60%以上。Youssef等人［7］設計出一種間接式太陽能熱泵，該系統利用了相變材料，使用該材料時，晴天與陰天的時候能源效率可以分別提高6.1%和14%。

在國內，陽季春提出了一種間接式太陽能多功能熱泵系統，該系統通過閥門的開閉就可調整為供熱模式、制冷與熱水模式、單一熱水模式和單一制冷模式。Ran等人［8］則是針對傳統太陽能熱泵系統太陽能利用不足的缺點，提出了一種能夠高效利用各種強度的太陽能并在除霜過程中穩(wěn)定供熱的太陽能-空氣熱泵系統，使其能夠在除霜條件下提供穩(wěn)定的熱量并減少使用的能量達到除霜的目的。2021年，Jibo Long等人［9］提出了一種混合太陽能熱水與空氣源熱泵聯合供熱系統，可實現太陽能熱水與空氣源熱泵并聯加熱模式、串聯加熱模式、太陽能熱水作為空氣源熱泵熱源的預熱式連接方式等多種連接方式。

3 生物質能源系統

20世紀以來，許多國家都開展了有關生物質能源的研究計劃，美國、瑞典、奧地利三個國家在實現產業(yè)經營規(guī)模化以及應用商業(yè)化的同時，還將大規(guī)模生物質能轉化為高品位能源。美國已熟練地掌握了生物質能發(fā)電技術，并將其廣泛應用，尤其在生物質氣化合成燃料乙醇方面也表現突出，其技術水平遙遙領先于其他國家。1988年，美國煤電廠就已經應用了生物質氣化混合燃料技術，煤與生物質燃氣混合在鍋爐內進行燃燒，這項技術得到了商業(yè)化的應用。

近年來，受我國生物質秸稈種類多、能源轉化技術不成熟、農業(yè)生產方式沒有太多創(chuàng)新等因素的影響，使得我國即使大力支持和鼓勵生物質能的開發(fā)利用，但仍未取得顯著的成效。同時，人們沒有較強的環(huán)保意識，在收獲農作物后，大量秸稈被直接焚燒，不僅沒有將生物質能源充分利用，還影響了原料供給，導致在市場中供不應求。從農業(yè)部門的統計可看出，我國每年產生的秸稈除去直接還田造肥的部分，只有小部分轉化為能源，其余大部分被直接焚燒，造成了大量浪費。因此，我國對生物質能源高效轉化技術的研究刻不容緩。

4 空氣源熱泵耦合其它能源系統

雖然空氣源熱泵在實際應用中有許多的優(yōu)勢，但是它還存在著效率不高的問題，改善壓縮機性能和提升壓縮機除霜的能力是之前研究的側重點。對于改善壓縮機性能，研究的方向一直是從單級壓縮系統到雙級壓縮，近年來研究的側重點轉向為對新型制冷劑工質的研究。Kim等［10］提出了一種雙熱氣旁路除霜與蓄熱器聯合系統，研究表明這種熱泵系統供熱量高于反循環(huán)除霜熱泵系統，此研究的側重點在于改善低溫環(huán)境下空氣源熱泵機組的性能。還有一些學者通過將空氣源熱泵與其它清潔供暖系統耦合的方法來提高空氣源熱泵在嚴寒地區(qū)供暖的能效比。Liu等人［11］采用搭建試驗臺的方法，研究并分析了太陽能耦合空氣源熱泵系統在面對低溫環(huán)境時其供熱能力的情況，結果表明，在-15 ℃的環(huán)境下，太陽能耦合系統的COP相較于單空氣源熱泵的COP 增加了一半。王冀［12］利用TRNSYS軟件模擬了在嚴寒地區(qū)水源熱泵耦合空氣源熱泵的供暖應用情況，一共選取了十個城市，分別對其進行分析和優(yōu)化，研究表明耦合系統比單系統具有更高的COP，環(huán)境適應性也相對更高。裴玉萍［13］研究了生物質耦合空氣源熱泵在北方農村地區(qū)的供暖情況，通過TRNSYS軟件進行瞬時模擬分析，結果表明，就沈陽地區(qū)而言，這個系統并不適用，但在北京農村分時電價下，該系統的經濟效益和節(jié)能減排效益較好。

5 結語

為加快構建以可再生能源為基礎的農村清潔能源供應體系，實現可持續(xù)發(fā)展目標，本文基于農村發(fā)展的背景，針對農村清潔能源進行了綜述。從上述研究中，發(fā)現屋頂光伏設計需求會越來越多，光伏技術也越來越成熟，但是對于更復雜的屋頂類型和地貌分布，光伏資源調查、系統設計和運維等方面將非常困難，因此需要從以上幾個方面進行研究，實現清潔能源的有效利用，有效減少CO2排放。針對太陽能與熱泵聯合系統以及空氣源熱泵耦合其它能源系統，目前更多的是做好優(yōu)化，因地制宜地實現更高的經濟效益和節(jié)能減排效益。對于農村生物質能源，盡管現在已經作出了巨大的努力和重要的進展，但仍需要進一步研究，以促進該技術的市場滲透，早日實現農村生物質能源資源化利用。