我国西北乡村地区太阳能和生物质能资源丰富,为太阳能供热技术和清洁化沼气供能技术应用提供了有利条件。但在实际应用过程中,两种清洁能源技术单独应用时均存在一定缺陷。由于太阳能存在能流密度低和波动不稳定的固有属性,导致系统太阳能保证率较低,常规能源补充量大;而沼气厌氧发酵过程受温度影响显著,西北地区冬季寒冷,环境温度低导致沼气池产气效率低下,沼气池冬季闲置率高。本研究中提出将太阳能供热技术与沼气厌氧技术进行组合,使太阳能系统与沼气系统之间进行能量交互,二者产生相互正向影响,进而形成互补耦合供能系统,以克服两种清洁能源技术单独应用效果不佳的技术瓶颈。太阳能与沼气互补耦合供能系统运行过程中,不仅受外部的气候条件、用户生产生活方式以及设备容量参数等因素影响,而且系统内部的能量传输与分配也是影响系统性能的重要因素。基于此,为了获得系统能量分配以及设备容量配置对互补耦合供能系统性能的影响关系以及系统运行性能最优条件下的能量传输及分配参数。本文围绕系统理论模型建立、关键部件特性分析、系统仿真模拟以及系统运行优化四方面展开研究。主要研究内容包括:(1)通过对太阳能与沼气互补耦合供能系统能量传递及平衡过程分析,建立了由互补耦合供能系统能量平衡方程和系统中各设备部件的热力学控制方程组合而成的互补耦合供能系统数学模型。(2)综合考虑了沼气池在非均匀土壤温度场中的散热过程以及地表传热影响,建立了地下沼气池综合传热数值分析模型,模拟分析了池体材质、埋地深度、保温层厚度对地下沼气池散热影响。(3)基于高固体浓度沼液的流变性能参数以及热物性参数与TS和温度的关系,建立了高固体浓度沼液中螺旋盘管的共轭换热模型,模拟分析了沼液总固体浓度、盘管螺距和螺径以及盘管材质对其换热性能的影响。(4)搭建了太阳能与沼气互补实验系统,实测分析了系统的技术可行性以及实际运行性能。建立了太阳能与沼气互补耦合供能系统的Trnsys仿真模型,利用实验数据验证了模型准确性;提出了太阳能沼气综合保证率、沼气子系统能效比以及系统互补共生系数三类系统性能评价指标;通过对多工况模拟计算,分析了系统系统供热量、分配比率以及设备容量对系统运行性能的影响。(5)依据数学规划理论以及系统数学模型,建立了以系统互补共生系数最大化为目标的运行优化模型,并编写了基于遗传算法与动态分时段优化组合求解方法的Matlab计算程序。最后,通过工程案例优化模拟分析对互补耦合供能系统运行优化方法进行了验证。通过上述研究内容的开展,得到以下主要结论:(1)将地下沼气池综合散热数值模型模拟结果与实测值对比,其均方根偏差均小于10%,最大值为6%,表明所建立模型准确性较高。所建立的地下沼气池热阻-热容简化传热模型在保证计算精度的同时显著提高了运算速度,为系统仿真与优化提供基础。(2)将高固体浓度沼液中螺旋盘管的共轭传热模型的数值计算结果与实测值进行对比,均方根偏差最大值为6.2%,相比于现有以水的物性参数代替沼液时均方根偏差高达27.6%,表明所建立模型准确性较高。分析发现随着沼液总固体浓度增大,沼液的零剪切粘度大幅度增加,流动掺混性能弱化,易在盘管周围形成高温度区域,进而导致了盘管内外换热温差缩小。(3)系统模拟分析表明以系统互补共生系数最大化为目标时,既保障了系统中太阳能和沼气供热量的占比较高,同时可降低池体散热以及盈余沼气排放量,确保互补耦合系统整体性能较佳。(4)通过工程案例优化模拟表明,互补耦合供能系统各项性能指标得到进一步提升,相同设备容量配置下,相比于固定分配比率(0.8和0.9)和供热功率(3.5kW和2kW)而言,系统的互补共生系数、太阳能沼气综合保证率和沼气子系统能效比分别提高了约15%、11%和5%。与太阳能单独供热相比,互补系统的可再生能源占比约提高了50%。综上结论可见,本研究提出的太阳能与沼气互补耦合供能系统及相应的运行优化方法,能够有效提高供能系统中可再生能源占比以及沼气系统性能,节约常规能源消耗的同时减少了粪便废弃物排放对环境造成的污染。研究结果将为太阳能与沼气互补耦合供能系统的设计与运行提供方法和理论支持。