農(nóng)村清潔能源供應(yīng)體系進(jìn)展探析

石 巖 陳紅旭 甄 勃 劉誠(chéng)丞 路亞?wèn)|

1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

2.長(zhǎng)春北科智尚房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司

0 引言

農(nóng)村能源在社會(huì)總能源中的占比逐年提升，2021年農(nóng)村能源占社會(huì)總能源的15%（詳見表1）。同時(shí)，為響應(yīng)國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，在農(nóng)村建設(shè)新型的農(nóng)村能源系統(tǒng)，充分開發(fā)利用農(nóng)村的空間資源和儲(chǔ)能資源，針對(duì)我國(guó)村鎮(zhèn)普遍存在的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、居民經(jīng)濟(jì)承受能力較弱、商品能源供給不足、建筑室內(nèi)人居環(huán)境狀況亟待改善等特點(diǎn)，緊扣北方地區(qū)農(nóng)村冬季清潔取暖的迫切需求，以低成本、可持續(xù)、好實(shí)施、易運(yùn)行、免維護(hù)為宗旨，立足太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、低品位能源以及電力等清潔能源，結(jié)合經(jīng)濟(jì)高效的蓄熱技術(shù)和用能系統(tǒng)，為解決村鎮(zhèn)地區(qū)清潔供能問(wèn)題提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。

表1 我國(guó)農(nóng)村能源在社會(huì)總能源中的占比（單位：億tce）

《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中指出，加強(qiáng)鄉(xiāng)村清潔能源建設(shè)，就要因地制宜推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)光伏、風(fēng)電發(fā)展，推進(jìn)農(nóng)村生物質(zhì)能源多元化利用。因此，本文主要綜述了光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)、生物質(zhì)能源系統(tǒng)、空氣源熱泵耦合其它能源系統(tǒng)四個(gè)方面在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，希望能對(duì)我國(guó)清潔能源的進(jìn)一步發(fā)展提供新思路。

1 光伏發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)作為一種新型發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)，具有儲(chǔ)存能量大，清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，此新型發(fā)電技術(shù)的提出激發(fā)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究興趣。最初的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是在美國(guó)發(fā)展起來(lái)的，美國(guó)于1954 年貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開發(fā)出了第一個(gè)硅太陽(yáng)能電池，并迅速發(fā)展成為最早實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的國(guó)家［1］。除此之外，德國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)發(fā)展也是較快的。1999年，德國(guó)為了推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，提出了超過(guò)100 000的屋頂計(jì)劃，為德國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了政策支持。隨著德國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，以及全球碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，德國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)越來(lái)越完善，截至2019年，德國(guó)的光伏總發(fā)電量為46.5 TWh，在世界上占據(jù)了很高水平，并減少了近3 000萬(wàn)t的碳排放，為全球碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了新思路［2］。

與國(guó)外光伏發(fā)電技術(shù)相比，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展速度較快。在2006年底，我國(guó)誕生了第一套戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)，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(kuò)大到40 m2（如圖1所示）。其發(fā)電功率達(dá)3 700 W，平均年發(fā)電量約3 900 kWh，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐測(cè)試，該光伏系統(tǒng)幾乎沒(méi)有任何的衰減。在此之后，我國(guó)的光伏發(fā)展逐步走上快速通道，國(guó)家加大對(duì)光伏發(fā)電的扶持力度，制定了許多大力發(fā)展我國(guó)光伏技術(shù)的政策，為我國(guó)光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。2021年，我國(guó)分布式光伏新增裝機(jī)容量為29.27 GWp，占總裝機(jī)容量的55%。同年6-9 月，中國(guó)31 個(gè)省份有676 個(gè)屋頂太陽(yáng)能光伏（RTSPV）試點(diǎn)項(xiàng)目［3］。Wang等人［4］的研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)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(huì)減少2.41×109 t。由此可知，屋頂太陽(yáng)能光伏利用建筑屋頂資源來(lái)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)型以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的一個(gè)好方法。

圖1 屋頂光伏覆蓋面積擴(kuò)大到40 m2的光伏發(fā)電系統(tǒng)

2 太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)

眾所周知，太陽(yáng)能通常具有間歇性和波動(dòng)性等缺點(diǎn)。由此可知，太陽(yáng)能作為單獨(dú)能源供能并不能持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間，往往需要將太陽(yáng)能作為輔助能源與其它能源相結(jié)合，可以提高其能源利用效率。在村鎮(zhèn)中通常是將太陽(yáng)能與熱泵系統(tǒng)耦合在一起使用，太陽(yáng)能與熱泵系統(tǒng)耦合在一起的技術(shù)國(guó)內(nèi)外有很多的學(xué)者進(jìn)行研究。

在國(guó)外，太陽(yáng)能與熱泵系統(tǒng)耦合在一起使用構(gòu)想最初是Jodan 和Therkeld［5］提出來(lái)的。Jodan 和Therkeld分別比較了太陽(yáng)能和熱泵單獨(dú)使用的能量利用效率，經(jīng)過(guò)比較之后,太陽(yáng)能耦合熱泵系統(tǒng)可以很好地提高能量利用效率。隨著太陽(yáng)能耦合熱泵系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，Kamil Kaygusuz為了得出更好的耦合系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了一種太陽(yáng)能熱泵與相變儲(chǔ)能裝置聯(lián)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)閥門的切換，實(shí)現(xiàn)多種供熱模式的轉(zhuǎn)變。Collins等人［6］設(shè)計(jì)出一種新型的自動(dòng)調(diào)節(jié)的雙水箱太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)TRNSYS軟件模擬后可以得到集熱器面積為7.5 m2時(shí)，節(jié)能效果可以達(dá)到60%以上。Youssef等人［7］設(shè)計(jì)出一種間接式太陽(yáng)能熱泵，該系統(tǒng)利用了相變材料，使用該材料時(shí)，晴天與陰天的時(shí)候能源效率可以分別提高6.1%和14%。

在國(guó)內(nèi)，陽(yáng)季春提出了一種間接式太陽(yáng)能多功能熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)閥門的開閉就可調(diào)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(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)太陽(yáng)能利用不足的缺點(diǎn)，提出了一種能夠高效利用各種強(qiáng)度的太陽(yáng)能并在除霜過(guò)程中穩(wěn)定供熱的太陽(yáng)能-空氣熱泵系統(tǒng)，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(dá)到除霜的目的。2021年，Jibo Long等人［9］提出了一種混合太陽(yáng)能熱水與空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水與空氣源熱泵并聯(lián)加熱模式、串聯(lián)加熱模式、太陽(yáng)能熱水作為空氣源熱泵熱源的預(yù)熱式連接方式等多種連接方式。

3 生物質(zhì)能源系統(tǒng)

20世紀(jì)以來(lái)，許多國(guó)家都開展了有關(guān)生物質(zhì)能源的研究計(jì)劃，美國(guó)、瑞典、奧地利三個(gè)國(guó)家在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)規(guī)模化以及應(yīng)用商業(yè)化的同時(shí)，還將大規(guī)模生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高品位能源。美國(guó)已熟練地掌握了生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)，并將其廣泛應(yīng)用，尤其在生物質(zhì)氣化合成燃料乙醇方面也表現(xiàn)突出，其技術(shù)水平遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。1988年，美國(guó)煤電廠就已經(jīng)應(yīng)用了生物質(zhì)氣化混合燃料技術(shù)，煤與生物質(zhì)燃?xì)饣旌显阱仩t內(nèi)進(jìn)行燃燒，這項(xiàng)技術(shù)得到了商業(yè)化的應(yīng)用。

近年來(lái)，受我國(guó)生物質(zhì)秸稈種類多、能源轉(zhuǎn)化技術(shù)不成熟、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式?jīng)]有太多創(chuàng)新等因素的影響，使得我國(guó)即使大力支持和鼓勵(lì)生物質(zhì)能的開發(fā)利用，但仍未取得顯著的成效。同時(shí)，人們沒(méi)有較強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，在收獲農(nóng)作物后，大量秸稈被直接焚燒，不僅沒(méi)有將生物質(zhì)能源充分利用，還影響了原料供給，導(dǎo)致在市場(chǎng)中供不應(yīng)求。從農(nóng)業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)可看出，我國(guó)每年產(chǎn)生的秸稈除去直接還田造肥的部分，只有小部分轉(zhuǎn)化為能源，其余大部分被直接焚燒，造成了大量浪費(fèi)。因此，我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源高效轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究刻不容緩。

4 空氣源熱泵耦合其它能源系統(tǒng)

雖然空氣源熱泵在實(shí)際應(yīng)用中有許多的優(yōu)勢(shì)，但是它還存在著效率不高的問(wèn)題，改善壓縮機(jī)性能和提升壓縮機(jī)除霜的能力是之前研究的側(cè)重點(diǎn)。對(duì)于改善壓縮機(jī)性能，研究的方向一直是從單級(jí)壓縮系統(tǒng)到雙級(jí)壓縮，近年來(lái)研究的側(cè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?yàn)閷?duì)新型制冷劑工質(zhì)的研究。Kim等［10］提出了一種雙熱氣旁路除霜與蓄熱器聯(lián)合系統(tǒng)，研究表明這種熱泵系統(tǒng)供熱量高于反循環(huán)除霜熱泵系統(tǒng)，此研究的側(cè)重點(diǎn)在于改善低溫環(huán)境下空氣源熱泵機(jī)組的性能。還有一些學(xué)者通過(guò)將空氣源熱泵與其它清潔供暖系統(tǒng)耦合的方法來(lái)提高空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)供暖的能效比。Liu等人［11］采用搭建試驗(yàn)臺(tái)的方法，研究并分析了太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)在面對(duì)低溫環(huán)境時(shí)其供熱能力的情況，結(jié)果表明，在-15 ℃的環(huán)境下，太陽(yáng)能耦合系統(tǒng)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(yán)寒地區(qū)水源熱泵耦合空氣源熱泵的供暖應(yīng)用情況，一共選取了十個(gè)城市，分別對(duì)其進(jìn)行分析和優(yōu)化，研究表明耦合系統(tǒng)比單系統(tǒng)具有更高的COP，環(huán)境適應(yīng)性也相對(duì)更高。裴玉萍［13］研究了生物質(zhì)耦合空氣源熱泵在北方農(nóng)村地區(qū)的供暖情況，通過(guò)TRNSYS軟件進(jìn)行瞬時(shí)模擬分析，結(jié)果表明，就沈陽(yáng)地區(qū)而言，這個(gè)系統(tǒng)并不適用，但在北京農(nóng)村分時(shí)電價(jià)下，該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益較好。

5 結(jié)語(yǔ)

為加快構(gòu)建以可再生能源為基礎(chǔ)的農(nóng)村清潔能源供應(yīng)體系，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，本文基于農(nóng)村發(fā)展的背景，針對(duì)農(nóng)村清潔能源進(jìn)行了綜述。從上述研究中，發(fā)現(xiàn)屋頂光伏設(shè)計(jì)需求會(huì)越來(lái)越多，光伏技術(shù)也越來(lái)越成熟，但是對(duì)于更復(fù)雜的屋頂類型和地貌分布，光伏資源調(diào)查、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)維等方面將非常困難，因此需要從以上幾個(gè)方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)清潔能源的有效利用，有效減少CO2排放。針對(duì)太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)以及空氣源熱泵耦合其它能源系統(tǒng)，目前更多的是做好優(yōu)化，因地制宜地實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益。對(duì)于農(nóng)村生物質(zhì)能源，盡管現(xiàn)在已經(jīng)作出了巨大的努力和重要的進(jìn)展，但仍需要進(jìn)一步研究，以促進(jìn)該技術(shù)的市場(chǎng)滲透，早日實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生物質(zhì)能源資源化利用。