引 言
为推动低碳经济发展，中国正面临着一系列能源问题。农村地区的能源结构以煤炭为主，这不仅导致了严重的空气污染和碳排放问题，而且使得能源利用效率低下。同时，农村地区还面临着能源贫困问题，传统生物质能源的使用效率低下，且会对环境造成污染。随着能源消费的增长，环境污染和气候变化问题也日益严重。为解决这些问题，我国正在积极推动能源转型，发展清洁能源，以确保能源的可持续发展。作为全球碳排放量最大的国家，中国政府已宣布2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，旨在减少化石燃料依赖，转向绿色能源，以实现本世纪中叶近零或净负排放的目标[1]。
生物质能源作为一种重要的可再生能源，其储量丰富，仅次于石油、煤和天然气，有望成为我国未来的主要能源来源[2]。它来源于生物质，涵盖了植物、动物以及微生物。在能源领域中，生物质资源的利用主要涉及农业或林业残留物、废弃物以及专用的能源作物。值得注意的是，虽然生物质燃烧过程中会产生二氧化碳并排放至大气中，但生物质在生长和再生过程中会重新吸收这些二氧化碳，从而实现了碳的循环与平衡[3]。
据先前研究[4]估计，中国能源的可持续生物质利用将减少32.767亿吨的碳排放，从而有力地推动我国实现减排目标。这不仅有助于解决能源问题，还可以为环境保护和可持续发展作出积极贡献。
生物质能不仅能够降低能源进口风险，还可以显著提高农村地区能源自给的能力。其相关产业链横跨农业、林业等多个领域，为农村地区创造丰富的就业机会，推动当地经济稳步增长。同时，将废弃的有机物质转化为有价值的能源产品，不仅能解决废物处理问题，还能提高资源综合利用率。
我国生物质资源丰富，年均折标煤量达10-15亿吨，其中近6亿吨具有巨大的能源开发潜力。生物质秸秆主要通过肥料、饲料、基料、燃料和原料五大途径利用，占80%，但剩余部分常被浪费。与其他可再生能源相比，生物质能更稳定、便捷高效，便于储存和运输。它可作为燃料并实现零碳排放，还能转化为多种高价值产品。因此，目前应重视生物质能的研发，通过高效转化生物质为热能、电能或生物燃料，在保障工业生产能源供给的同时，大幅降低对化石燃料的依赖，显著减少碳排放，为环境保护和资源循环利用做出积极贡献。推动实现更加环保、可持续的生产模式[5]。
1生物质能应用技术现状分析
为推动工业领域的节能减排，当前的生物质能源应用研究主要旨在减少工业生产中的碳排放。在工业领域的各个层面，生物质能的利用已经展现出其独特的价值。相较于传统的化石能源，生物质能具有显著的优势，其碳减排效果显著，对实现双碳目标具有重要意义，因此受到了广泛的关注和应用。
朱冬梅等人通过系统综述生物质能在农药、食品包装、烤烟烘烤、制氢技术、化学转化、催化、吸附及电化学等诸多领域中的广泛应用和最新研究动态。其多元化应用实例凸显了生物质能作为清洁、可再生能源的巨大潜力，并彰显了其在促进可持续发展与环境保护方面的独特价值[6]。
在北方地区，采暖主要依赖燃煤，占总取暖面积的83%，导致碳排放量较大。这些碳排放会增加大气中温室气体的浓度，进而加剧全球气候变暖，对生态环境和人类健康产生负面影响。
赵晴云等学者对研究区内农业废弃物的生物质能潜力及减排效应进行了量化研究。基于2019年的统计面板数据，研究区农业废弃物的生物质能潜力较大。若能够合理充分开发利用，可替代约666万吨标准煤或55亿m3天然气，实现减少污染物（SO2、NOx）排放量约21万吨、降低CO2排放量约1701万吨的减排效应。这一研究结果为农村地区绿色低碳转型、探索从“农业废弃物”转为“农村供暖源”的发展路径提供了有益参考[7]。
为生物质能在温室大棚中实现清洁供暖奠定坚实基础，祁帅杰等人深入分析了生物质能的供暖特性以及当前温室大棚的供暖实况，创新性地提出了一种基于生物质能的大棚供暖系统。该系统不仅实现了对温室大棚环境的智能化调控，有效节约资源并减少排放，而且还促进了农村地区生物质资源的回收与再利用[8]。
别如山等在研究中综述了国内外生物质能应用技术现状，将生物质的应用技术做了如下几种分类：生物质捆包直燃供热技术、生物质成型燃料供热技术、生物质直燃发电技术、生物质气化多联产技术、生物质气化产碳耦合供热技术、生物质气化耦合大型燃煤锅炉技术，以及生物质气化制氢、NH3及甲醇技术，为生物质能进一步利用提供方向[9]。
丁亿极选取天津市一个拥有约300户居民的自然村作为典型案例，对生物质气化与生物质直燃两种技术进行了深入的经济性与环境效益评估。结果表明，生物质直燃供热方案的投资回收期更短，仅需1.50年，而生物质气化供热方案则需3.18年。同时，生物质气化技术的总投资明显高于生物质直燃技术。在成本构成中，物料成本占比最大，达到35%以上。这些发现为农村地区生物质供热技术的选择和应用提供了宝贵参考，有助于推动清洁、可再生的供热方式在农村地区的普及与发展[10-11]。
生物质能源能够实现有效的冷热电联产，冷热电联产（CCHP）是一种高效能源利用系统，它同时提供制冷、供热和发电服务。通过梯级利用不同品质的能量，如高温热能用于发电，低温热能用于供热或制冷，CCHP不仅显著提高了能源利用效率，还减少了有害排放。这种系统不仅环保且节能，还能带来经济和社会效益，是构建现代能源系统的关键技术之一。
郑瑜等研究人员设计了一个以生物质能为核心的生物质燃气热电联供系统，该系统巧妙地融合了空气源热泵技术、生物质厌氧发酵技术和内燃机热电联供技术。他运用关键要素如能量流、物质流和数据流，精心构建了包含系统模型、评价模型、运行策略模型及优化模型在内的多目标优化数学模型。为了进一步提升系统性能，郑瑜从技术和成本两个维度对优化后的生物质燃气热电联供系统进行了深入的敏感性分析，并精准地识别出敏感性较高的参数，以探究它们对多目标优化结果的动态影响机制[12]。
综上所述，基于其独特优势，生物质能在众多领域展现出广阔的应用前景。人们期望通过充分利用生物质能，为环境保护和节能减排作出积极贡献。
2生物质能发展和水产养殖行业之间的联系
生物质能在技术上虽具有潜力，但在实际应用中却面临多重挑战，涉及技术成熟度、原料收集与预处理、经济性、环境影响、社会认知、政策支持、工业化应用以及研发创新等诸多方面的问题。具体而言，技术尚未成熟，且转化效率有待提高；原料收集成本高，预处理技术存在缺陷；在经济上，生物质能相较于化石能源竞争力不足；在环境方面，生物质能应用可能引发污染和废弃物处理问题；社会认知度有限，同时政策支持也显得不足；工业化应用进程缓慢，推广过程中还面临技术放大和设备可靠性问题；研发投入明显不足，导致创新速度缓慢。这些问题相互关联，解决之道需要政府、企业、科研机构和公众的协同合作。
水产养殖为浙江省主导农业，高出全国平均水平 41.4%，位居第一。但目前国内养殖工艺主要为传统的开放或半开放式养殖系统，养殖废水的直接排放会对周边水域造成污染。传统水产养殖行业正深陷多重能源困境之中，主要表现为高能耗、低能效、可再生能源渗透率不足以及对能源市场价格波动缺乏有效应对。
工厂化水产养殖能有效避免室外气象灾害，并形成以环境保护为基点的封闭式内循环养殖系统，但需要消耗大量化石能源进行水质处理与温控，其冷、热、电需求具有复杂的时空分布规律。2022 年中央一号文件“关于做好全面推进乡村振兴重点工作的意见”，鼓励发展工厂化集约型养殖设施，加强农业面源污染治理，加快农村能源转型及绿色发展。目前，大多通过增加光伏装机容量来满足温室大棚内环境控制系统高品质电力需求。这使得屋顶光伏占地面积大，与室内光环境营造相矛盾；过度依赖变电/蓄电装置，使得整体系统有效光电利用效率降低；对市政电网的安全及养殖用能设备的稳定运行带来极大的挑战。这些将严重制约水产养殖大棚电气化水平及光伏技术的应用。
相比太阳能光伏/光热利用技术不稳定及间歇性，生物质作为唯一“碳中性”，且作为最有可能替代化石能源的可再生能源，具有储量充足、供给稳定、运输及储存简单等优点。但生物质水蒸气气化工艺作为吸热过程，即便通过开发催化气化剂降低反应活化能，也需要燃烧 25%～40%的生物质原料来维持所需的气化环境，致使气化系统能耗过大，气化燃气焦油含量较高（占气化气的总能量的 5%～15%），最终导致生物质气化工艺能源产出率偏低，严重限制实际生产应用。如能将太阳能融入清洁、稳定且易于储存的高品位生物质气化燃气，从而弥补生物质气化系统能耗大，能源产出率低等问题，进而达到充分发挥太阳能利用技术与生物质气化技术互补优势，逐渐成为国内外研究热点[13-14]。
徐亮等学者专注于生物质能与光伏相结合的冷热电联供系统的优化配置研究，成功确定了系统的最佳容量。在此基础上，他们进一步分析了联供系统在不同运行模式下的3E（经济、环境、能源）综合效益。最终研究结果显示，与传统的冷热电分供系统相比，生物质能与光伏联合的冷热电联供系统在节能方面表现出色，节能率高达28.93%，同时实现了43.29%的二氧化碳减排量。这一成果为生物质能源与光伏技术的融合发展提供了有力支持[15]。
针对浙江省太阳能资源及工厂化水产养殖大棚用能特点，以及当前生物质能源发展所面临的挑战，本文提出了创新的策略：将光伏技术与生物质能源紧密结合，利用太阳能辅助生物质热解与气化过程，进而获得高品质能源。构建面向多目标环境调控的“生-光互补”能源供给系统，系统示意图如图1所示。
图1 “生-光互补”能源供给系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of the energy supply system of "Biomass-Solar complementary"
图1展示了“生-光互补”能源供给系统。该系统主要由三大子系统构成：太阳能利用子系统、制冷循环子系统以及生物质回收利用子系统。太阳能利用子系统包括回热换热器、PVT光伏板、储热罐以及能源利用系统，后者与图1中的生物质回收利用系统相对应。日间，系统利用部件1PVT光伏板，通过光伏技术为生物质气化提供一部分电力。导热油在回热换热器中预热后，进入PVT光伏板吸收太阳能。制冷循环子系统则包含储热罐和吸收式制冷装置，其中导热油作为其核心流动工质。从PVT光伏板流出的导热油与吸收式制冷装置回路的导热油混合，进入储热罐进行加热。之后，导热油返回回热换热器进行再次预热。储热罐不仅为吸收式制冷系统提供热源，还向生物质回收利用系统供能，实现了能源的循环利用。生物质回收利用系统则由气化炉、回热换热器、储气罐和内燃机组成。气化炉使用生物质颗粒或其他生物质材料作为燃料，而流动工质则是通过生物质气化炉气化产生的富氢燃气。如图所示，生物质在气化炉中进行热解，产生富氢燃气和焦油等杂质。经出口处分离器净化后，富氢燃气通过回热换热器冷却，随后储存在储气罐中。此过程实现了将低品位的生物质能高效且清洁地转化为高品位的富氢燃气。随后，利用储存的富氢燃气，内燃机燃烧做功发电，实现灵活的电力供应。内燃机产生的乏气包含大量废热，这些废热通过热交换被储热罐储存。冷却后的乏气最终通过泄气口排放至大气中。在该系统中，储热罐和吸收式制冷系统分别具备制冷和供热的功能，有效地利用了余热和废热，实现了能源的环循利用，同时保证了稳定的冷热供应。
图2 基于Aspen Plus 辅助的多环境“生-光互补”能源供给系统示意图
Fig.2 Aspen Plus-assisted multi-environment "Biomass-Solar complementary" energy supply system diagram
图2所示是借助化工过程模拟软件Aspen Plus模拟整个生物质气化流程及后续能源利用过程，通过控制气化反应炉的温度以及一系列参数来寻找整个系统的最优工况，从而得到更高的能源利用效率。将太阳能资源特点与生物质水蒸汽气化工艺特性相耦合，使得太阳能光伏/光热作为生物质气化（吸热过程）的能源补充，提高太阳能-生物质水蒸汽气化互补系统能源利用效率。创新地采用太阳能催动生物质气化的方式，为封闭式水产养殖提供冷热电联供的综合解决方案，以确保其在各个环节中都能够获得稳定、高效的能源支持，从而充分满足其多样化的能源需求。这些举措，传统水产养殖行业有望实现向绿色、高效、可持续发展模式的转型升级。
该系统的构建不仅与国家的“双碳”目标紧密相关，而且为农业振兴开辟了新的道路。生物质能与太阳能的结合应用展现出多重优势，这种互补性的能源利用方式之所以备受欢迎，是因为它不仅从生物质的化学能入手，还巧妙地利用高温太阳能推动生物质的热化学反应，进而将太阳能和生物质转化为合成天然气的化学能及电能。其具体优势体现在以下几个方面：
首先，借助太阳能驱动生物质气化，产生的合成气富含氢气，非常适合后续的合成天然气反应。这得益于生物质的独特化学成分以及气化过程中水蒸气提供的丰富氢原子，显著提高了能源利用效率，减少了能源浪费。其次，系统中引入了可转换反应单元，能够灵活调整流入合成反应单元的合成气的H2/CO摩尔比，进而提升合成气的转化率，有助于增加合成天然气的产量。这种灵活性使系统能够更好地适应多变的生产需求和市场环境。再者，未反应的合成气直接在联合循环系统中燃烧发电，有效减少了合成反应过程中的不可逆损失，提升了整体系统的性能。此外，这种结合应用还提高了生物质的利用率。所有生物质都被用于气化过程，进而提高了生物质的有效利用率，这不仅有益于环境保护，还有助于降低生产成本，提升经济效益。最重要的是，这种应用方式具有环保性。以太阳能和生物质能为能源来源，减少了对化石燃料的依赖。太阳能和生物质能互补系统实现了能源的平衡和多样性，提高了能源利用效率，降低了能源成本，减少了温室气体排放，为环境保护和应对气候变化做出了积极贡献。
尽管已有文献对生物质能转化技术进行了深入研究，但这些转化方法仍面临转化效率低和能量消耗大等挑战。相比之下，“生-光互补”系统通过将生物质能与太阳能相结合，充分利用了太阳能的无限可用性和生物质能的丰富资源。该系统有效利用了生物质资源，利用太阳能推动生物质的气化。这一创新不仅显著减少了能源消耗，还极大提高了能源转化效率，为可再生能源的利用开辟了新的途径。
3总结
为了更好地了解本文所构建的“生-光互补”能源供给系统在实际生产过程中的工作特性，未来本项目组将使用化学与热力学模型来模拟和优化生物质能和太阳能相互耦合的工艺流程。团队成员将采用模拟的手段预测实际生产过程中的各种情况，具体包括：调整一系列运行参数（如S/B值、ER值、过热水蒸气温度以及太阳能输入比），分析生物质能与太阳能的转化效率及整个系统的性能。最终，本研究团队期望得到一个既能充分利用太阳能，又能最大化生物质能利用效率的最佳工况，以其为实际生产提供有价值的参考。
通过本文的研究，团队成员期望推动生物质能和太阳能的更广泛应用，为实现可持续能源发展作出贡献。生物质能产业链紧密连接了农业、林业等多个领域，为农村地区创造了丰富的就业机会。本文所构建的互补性的能源利用方式为传统水产养殖行业等能源密集型行业提供了一种可持续、环保的能源解决方案，若能得以实施，将有力推动农村地区经济的稳步增长。
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