一、引言

全球经济扩张推动能源需求攀升[1]，化石能源消耗导致环境污染和气候变化[2]。发展可再生能源是关键，地热能和太阳能光伏是潜力分支。地热能稳定、持续、可循环；太阳能光伏环境友好、资源广泛。然而，单一部署的光伏系统输出不连续和波动，地热能地理受限、成本高。因此，整合地热和光伏互补开发，能扬长避短，提升效能和可靠性，提供绿色可持续解决方案。研究这种系统的协同机制和稳定性，对促进可再生能源高效应用、优化能源供给、缓解能源与环境紧张关系，有迫切实践需求和深远理论意义。

二、地热与太阳能光伏资源特性及互补开发基础

2.1地热能和太阳能光伏资源特性

地热能源自地球内部的放射性衰变产热，是一种储量丰富、输出稳定的清洁能源[3]。根据地热流体温度差异，通常划分为高温（>150℃，主要用于发电）、中温（90-150℃）及低温（<90℃）资源，后两者广泛应用于供暖、制冷、农业温室、温泉洗浴和工业加热等。其核心优势在于稳定性与可再生性——输出不受昼夜、季节或天气影响，能持续稳定供能；在科学开发前提下，源自地球持续内部生热的地热资源本身几乎不会枯竭。虽然资源丰度存在地域差异，但地热能在全球分布相对广泛，在板块边界及火山活跃区（如冰岛、美国西部、中国西藏等地）尤具开发潜力。与此形成对比的是，太阳能作为地球最丰富的能源，通过光伏技术利用光电效应直接转化为电能，其主要优势体现为清洁环保（发电过程无温室气体排放与污染）、分布广泛（全球绝大多数地区，尤以沙漠、高原等阳光充足区域为佳）及取之不尽（依赖太阳持续供能）。然而，太阳能具有显著的间断性与波动性：其发电活动仅限于有光照的白天，夜间完全中断；同时，天气因素（阴天、雨天、多云）会显著削弱辐照强度，导致发电效率大幅降低（如阴天时效率可锐减至晴天的10%-30%），这种发电功率的高度不稳定性对电网的稳定供应提出了严峻挑战。

2.2互补开发基础与优势

地热能稳定性高、可全天候供应[4]，与主要在白天发电的太阳能光伏在时间维度上具有天然互补性，这为二者联合开发奠定了基础。在供应稳定性方面，地热能提供了可靠的基荷保障，而光照充足时太阳能则可作为有效补充；更重要的是，地热能的稳定性能够有效平抑太阳能固有的波动性，降低其供能风险。两者的应用场景也相互协同：地热在供暖、制冷领域更为成熟，太阳能光伏则在分布式发电和偏远供电方面优势突出，结合应用能满足更多元的需求。这种深度互补带来的显著优势包括：通过优化整合显著提升整体利用效率，减少能源浪费；有效增强能源供应的稳定性与可靠性，克服了太阳能的间歇性，降低了单一能源供应中断的风险；通过基础设施共享与设备复用，能够有效降低综合开发成本，提升经济效益，从而大力促进可再生能源产业的健康可持续发展。

三、地热与太阳能光伏互补开发的协同技术

3.1系统架构设计

3.1.1混合发电系统架构

该架构实现了地热与光伏发电的协同利用。在高温地热区，地热蒸汽驱动汽轮机发电的同时，通过太阳能集热装置将光能转化为热能，用于提升蒸汽参数或作为辅助热源，增强发电效率。典型案例为西藏某项目：闪蒸技术将地热水转化为蒸汽发电，槽式集热器则加热导热油并经由换热器提升蒸汽品质，使系统输出功率较单一地热发电提高15%–20%。在中低温地热区，有机朗肯循环（ORC）技术与光伏互补：地热水驱动有机工质发电，光伏电能可直接并网或驱动ORC系统设备（如工质泵），降低系统内耗。此类架构整合了两类能源优势，在提升能源转化效率的同时增强了电力输出的稳定性。

3.1.2供暖/制冷系统架构

采用地源热泵与太阳能协同的供能体系。冬季以地源热泵为主进行建筑供暖，太阳能集热器提供辅助热源：收集的热能储存于水箱中，可提高地源热泵的供水温度。例如华北某住宅项目（500m²集热器+200kW热泵机组），晴日太阳能可满足30%–40%供暖需求，显著降低热泵能耗。夏季则通过太阳能驱动吸收式制冷机，与地源热泵联合制冷。该设计通过地热与太阳能的互补，减少传统能源依赖，在降低用能成本的同时优化了室内环境调控能力。

3.2地热与太阳能的能量耦合技术

3.2.1直接能量耦合方式

这种方式通过物理层面的连接整合地热与太阳能光伏能量。混合发电系统中，光伏板所产直流电可经双向变流器接入地热发电系统的直流母线，实现电能的物理融合。其优势在于减少了转换环节，降低了能量损失，提升了整体效率。实例包括：某分布式能源站利用光伏电能直接补充地热发电系统，满足站内部分设备电力需求或并网外送。运行结果显示，相较独立运行的系统，耦合后整体效率提高了8%-10%。供暖系统中，可将太阳能集热器加热的热水直接并入地源热泵供水管路，当热泵出口水温偏低时补充热量，实现热能的高效融合。此方法结构简单直接，但对系统控制精度要求较高，需精确协调两能源的输出稳定性。

3.2.2间接能量耦合方式

这种方式依赖中间储能装置或转换环节来实现地热与太阳能的协同。在混合发电领域，可利用蓄电池（如锂电池、铅酸电池等）存储光伏富余电力，在光照不足或用电高峰时进行补充或替代，从而平抑光伏的间歇性影响。例如，某海岛项目将日间光伏电能，除满足即用外，富余部分存入蓄电池；在夜间或阴天则由地热发电配合电池放电保障全岛电力供应，提升了供电可靠性。在供能领域（供暖/制冷），可通过蓄热罐或蓄冷罐作为媒介。日间集热量或制冷机制造的冷量存储其中，在需求时段释放；地源热泵系统也可与其进行能量交互，实现两种能源的间接协同。间接耦合虽增强了系统的灵活性与可控性，但也因引入储能环节而增加了系统复杂性和投资成本，需合理配置储能规模以平衡效益。

3.3智能控制系统技术

智能能源控制系统通过部署于能源生产和使用环节的传感器（如地热流体温度/流量、太阳辐照度等），实时采集运行参数与用户需求数据，结合先进算法动态优化能源生产与调配（如优先消纳光伏、调用地热或储能补足缺口），并在供暖等场景中精准调节设备维持设定室温，提升能效；同时融合大数据与机器学习技术，基于历史能耗、气象及用户行为预测负荷走势（如预判商业综合体峰谷需求），主动协调地热与光伏产能应对波动，增强系统稳定性与可靠性，降低运行成本，实现高效用能。

四、地热与太阳能光伏互补系统稳定性分析

4.1系统稳定性的内涵与指标

地热与太阳能光伏互补发电系统的核心稳定性要求体现在电能和热能供应的稳定上[5]。电力输出稳定性是系统稳定性的关键指标，无论面对白天充沛光照、夜晚无光、天气影响导致的辐照波动，还是地热流体温流参数变化，系统都应保持输出功率的相对恒定，避免剧烈波动。通常，将功率波动率控制在±5%以内是保障电网兼容性及用户对稳定电力需求的重要要求。热力供应稳定性则体现在供热（或制冷）效果上，尤其是对水温及供热量的控制。供暖系统需保证供水温度在设定值±2℃的范围内波动，并结合环境温度与用户负荷变化实时精准调节供热量，以维持舒适的室内温度恒定。显著的波动不仅影响用户体验（如室内温度骤变），还可能导致能耗浪费（如供能不足或过量）。因此，确保互补系统中电力平稳输出、热能持续稳定供应是提升整个系统性能、保障整体可靠性和用户体验的基础。

4.2不同工况下系统运行稳定性分析

在不同运行工况下，地热-太阳能互补系统的稳定性依赖于智能调控策略。日间光照充足时，光伏发电量大幅提升，为避免供电过量（如“弃光”或超出电网/用户限制），需降低地热发电输出并利用蓄电池储电；同时，高效集热的太阳能热水需与地源热泵供水动态混合以维持室内温度稳定（例如某酒店系统太阳能可满足60%-70%供暖需求，确保22℃±1℃恒温），调节失衡易导致水温不适。而在夜间及阴天光照不足条件下，系统主要依赖地热能供电供热。此时需加速提升地热出力或提前启动设备，辅以蓄电池放电弥补电力缺口；供暖方面则需全力运行地源热泵。若地热水温偏低，则需采取增大地热流量、提升热泵功率或启动辅助设备等措施保证热力稳定（如某学校在连续阴天通过此策略维持室温18℃以上）。面对季节变化：夏季太阳能发电强劲且主要用于制冷（如满足某建筑70%-80%制冷用电），地热则辅助制冷及提供生活热水，需设计合理利用避免过剩；冬季供暖负荷增大而太阳辐照减弱，系统以地热为主要热源（承担80%以上负荷），太阳能辅助供暖。此时地热水温可能因开采加剧而降低，影响效率，因此需要全年精细化调整供能策略（如季节性能源分配模式切换与动态调节），方可实现持续稳定高效的能源供应。

4.3影响系统稳定性的因素及应对策略

地热-太阳能光伏互补系统的稳定性主要受三方面因素制约：首先是能源资源波动，例如太阳能辐照受天气和时间规律影响较大，地热水的温度和流量也可能因地质条件或开采量变化而波动；提升稳定性的对策包括：增大储能容量以缓冲辐照低谷、优化光伏板角度提升光能捕获效率、建立地热资源监测体系以动态调整开采或采用回灌技术稳定水温，以及引入如风能等进行多能互补。其次是设备故障风险，涉及光伏板、地热发电装置、热泵、储能等多类设备，预防措施重在建立完善的定期维护管理体系、对关键设备实施冗余设计配置备用设备，以及利用基于传感器和AI的设备状态监测与早期故障诊断技术。再者，智能控制策略的合理性至关重要，控制滞后、精度不足或适应性差会导致能源分配不当；为此需采用模糊控制、神经网络、模型预测控制等先进算法提升响应速度和精度，强化策略自适应性以应对复杂工况，并利用仿真测试平台优化控制效果，确保实际运行的稳定可靠。

五、结论

地热能和太阳能光伏的互补协同开发对提升可再生能源利用效率和推动能源结构转型至关重要。本文通过分析两种资源的特性，揭示其在时间分布、输出稳定性和应用场景的互补潜力，奠定协同应用的理论基础。

在协同技术架构方面，针对不同能源需求场景设计了综合系统方案。混合发电与区域供热/供冷系统整合资源，优化能源转换和利用过程，采用直接或间接能量耦合方式提供灵活选择。基于能源监测、负荷预测等核心技术的智能控制系统，提升智能化管理与运行能力，确保高效分配和稳定供给。

系统稳定性评估聚焦电力输出与热力供应的可靠性。在光照差异和季节性变化工况下，运行调控和能源调配机制保障总体稳定。针对资源波动性、设备故障等挑战，通过增加储能、加强运维和优化控制算法，增强系统稳定性和可靠性。

综上，互补协同开发充分发挥各自优势，弥补局限，提高系统能源效率与稳定性。随着技术迭代和成本优化，应用前景广阔，将助力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。未来研究需关注长期性能评估、经济性优化及多类型能源系统协同集成，推动创新发展。

参考文献：

[1]黄婉泽.《美国情报界全球威胁评估》报告演进分析[J].情报杂志,2023,42(10):20-26.

[2]宋洋,屈婕.日本与东盟国家的清洁能源合作探析[J/OL].东南亚研究,2025,(04):112-135+157-158[2025-08-04].

[3]郭清露,杨洁.热损伤大理岩声发射特性试验研究[J].山西建筑,2023,49(13):114-116+120.

[4]马晓亮.工业与民用建筑电气设计中节能体系的优化措施[J].智能建筑与智慧城市,2024,(04):112-114.

[5]叶青.宝马联手大唐集团成立行业首家绿电合资公司[N].沈阳日报,2025-07-25(001).

作者简介：韩晓(1994.12.05--)，男，汉族，山东济南人，大学本科学历，助理工程师，研究方向：地热资源的开发与利用