综述：镍(II)膦酸配位材料的水热合成及其在PVC膜电位检测纳洛酮中的应用

《Processes》：Hydrothermal Synthesis of a Nickel(II) Phosphinate Coordination Material and Its Integration into a PVC Membrane for Potentiometric Naloxone Detection

　　

摘要：日益增长的太阳能和风能发电渗透率要求具备灵活的资源，以改善能量平衡、可靠性和可再生能源利用率。本综述以批判性视角评估了生物燃料集成混合能源系统作为可再生能源整合的互补架构，连接了系统配置、能源转换效率、存储与调度、智能控制、环境绩效和可扩展性。研究人员采用批判性叙述与整合性方法，利用从Scopus和Web of Science检索的文献，并按太阳能–生物能源、风能–生物能源、多源、存储支持、微电网和多能源配置进行组织。证据表明，生物质衍生燃料可提供可调度且可存储的可再生能源，补充可变发电并支持分布式和多能源应用。然而，没有任何架构具有普遍优越性，且更高程度的混合并不必然导致更高的热力学效率。性能在很大程度上取决于资源互补性、原料可用性与质量、转换路径、存储需求和运行策略。先进能源管理、模型预测控制（MPC）、机器学习（ML）和数字孪生（digital twin）可改善系统协调，尽管现有证据大多基于模拟或实验规模有限。环境效益同样具有路径依赖性和边界依赖性，特别是在考虑避免排放、联产品分配、基础设施和原料供应链时。总体而言，生物燃料集成混合系统代表一种应用依赖性的灵活性选项，而非普遍最优解决方案；未来进展需要动态不确定性感知建模、协调的技术经济与生命周期评估（LCA），以及更大规模的中试和工业级验证。

1. 1.
   引言

全球向低碳能源系统的转型加速了可再生能源技术的部署，太阳能光伏（PV）和风能成为可再生能源容量扩张的主要驱动力。2025年全球可再生能源装机容量达到约5149 GW，太阳能和风能合计占净增可再生能源容量的96.8%。然而，太阳能和风能发电的输出本质上依赖气象条件，在小时、日、季节和年际时间尺度上存在波动，导致发电与需求之间的不匹配加剧，提高了平衡需求、弃风弃光率、备用需求以及对灵活资源的依赖。混合可再生能源系统（HRES）通过组合两种或多种能源及互补技术来减少单一资源的局限性，提高可再生能源利用率。生物能源因其可存储性和可调度性，在混合系统中发挥重要互补作用，可在太阳能或风能不足时提供可控发电。系统性能不仅取决于可再生能源渗透率，还取决于能量转换效率、存储损失和组件间相互作用，火用分析（exergy analysis）可识别不可逆损失和效率改进潜力。能源管理系统（EMS）和人工智能（AI）方法在协调发电、存储和负荷方面发挥日益重要的作用。环境可持续性需通过生命周期评估（LCA）从全生命周期视角评价，而非仅依据可再生能源含量推断。现有文献的主要研究缺口在于证据碎片化，缺乏跨系统架构、生物能源转换、存储、热力学性能、智能控制和可持续性评估的整合性指导。

1. 2.
   方法论与范围

本研究采用批判性和整合性叙述综述方法，旨在评估将生物燃料与可再生能源相结合的混合能源系统，重点关注能源转换效率、系统优化、智能控制和环境绩效。文献检索使用Scopus和Web of Science核心合集数据库，主要检索期为2010–2026年，重点纳入2020年以来的研究。检索词组合涵盖混合能源系统、太阳能和风能发电、生物燃料和生物能源、储能、效率、火用、优化、能源管理、人工智能、生命周期评估和技术经济绩效等术语。研究纳入标准要求提供至少一个分析维度的直接证据：混合系统配置、生物质衍生燃料或生物能源转换单元集成、能量或火用性能、存储与调度、优化与智能控制、环境评估或技术经济可行性。优先纳入同行评审的研究论文、实验研究、验证性建模与模拟研究、生命周期评估和技术经济分析。由于环境研究采用异构的系统边界、功能单位、分配程序和避免负担假设，数值LCA结果未跨方法学不相容的研究进行合并或归一化。

1. 3.
   混合可再生能源系统的全球背景

2024年风能和太阳能合计供应全球约15%的电力，其综合贡献首次超过水电。生物燃料支持的混合可再生能源系统的发展需要多个互补维度的交互作用，包括可再生能源发电、储能、可调度的生物能源、系统集成、智能能源管理和可持续性导向运行。系统灵活性成为整合高比例可变可再生能源的基本要求，指电力系统在不同时间尺度上响应发电和需求变化同时维持供需平衡的能力。分布式能源资源和微电网通过更接近消费点的协调提供额外灵活性。混合系统通过组合具有互补发电和运行特性的资源来提高系统灵活性，但有效性取决于各组件的适当规模和协调。

3.1 可再生能源整合与系统灵活性

太阳能光伏和风能发电的日益渗透改变了现代电力系统的运行特征。与常规发电不同，这些技术本质上依赖可变气象条件，增加了发电概况的不确定性，要求供应、需求、存储和网络资源之间进行更动态的协调。随着可再生能源份额增加，电力系统从集中可控发电主导的结构逐步转向包含光伏系统、风力发电、储能、灵活负荷和其他分布式能源资源的分布式结构。系统灵活性指电力系统在不同时间尺度上响应发电和需求变化同时维持供需平衡的能力，其重要性随太阳能和风能渗透率增加而更加突出。灵活性可通过可调度发电、储能、需求响应、输电扩展和分布式资源协调运行提供。分布式能源资源和微电网通过更接近消费点的协调提供额外灵活性，但更大的分散化也带来系统协调、保护、电能质量、通信基础设施和异构能源资源管理方面的挑战。

3.2 间歇性、可靠性与能量平衡

可变可再生能源渗透率的提高引入了新的运行挑战，因为太阳能和风能发电本质上依赖天气条件，在小时、日和季节时间尺度上波动。高比例换流器接口发电可能降低同步电机对系统惯量的贡献，使频率动态对突然扰动和发电变化更加敏感。可变性还造成可再生电力生产与需求之间的时间不匹配，高太阳能或风能可用性时期可能产生系统无法完全吸收的能源盈余，而低可再生输出时期则增加对存储、可调度发电、电力进口或需求侧灵活性的依赖。当平衡选项不足时，过剩生产可能导致可再生弃电，而发电赤字可能增加充裕性和可靠性风险。可靠性和韧性在系统日益依赖可变和分布式资源时变得尤为重要，需在混合能源系统规划中纳入可靠性与韧性之间的交互作用，而非在系统设计后作为运行考虑事项处理。

3.3 储能作为使能技术

储能已成为提高可变可再生能源渗透率的关键使能技术，因为它将发电与即时消费解耦。通过在高太阳能或风能生产期间吸收剩余电力并在可再生输出下降时释放，储能可减少弃电、提高可再生能源利用率并有助于负荷平衡和辅助服务。电池储能系统（BESS）因其快速响应、模块化和跨广泛功率与能量规模运行的能力而成为当前最通用的可再生能源整合解决方案之一。锂离子电池因其高往返效率、相对较高的能量密度和快速充放电能力在固定应用中尤为突出。超出短期电力平衡的存储需求促进了具有不同运行特性的互补技术的发展，包括热能存储、氢基存储和机械技术。尽管储能具有技术优势，但也引入额外的经济、运行和环境约束，包括高投资成本、转换损失、退化、材料需求、更换间隔、安全考虑和寿命终止管理。储能应被视为混合可再生能源系统的使能组件，而非可控发电的普遍替代品。

3.4 生物燃料作为可调度的可再生能源载体

生物燃料为可变可再生能源提供了独特的补充，因为它们可以化学能形式存储，并在系统需要时转换为电力或热量。与太阳能和风能资源不同，生物能源发电可根据需求、资源可用性和系统运行条件进行调度。生物燃料类别包括具有不同转换路径和运行特性的气态和液态能源载体。沼气通常通过有机物厌氧消化获得，可直接用于热电联产或升级为生物甲烷；液态生物燃料如生物柴油和生物乙醇可替代或部分替代兼容发动机和发电机组中的常规燃料。转换技术决定生物燃料所含化学能有效支持整体混合系统的程度。实验和模拟研究已证明光伏–沼气混合系统用于分散式供电的技术可行性。生物柴油为在微电网中引入可调度可再生发电提供了另一相关路径。尽管具有优势，生物燃料的可调度性不应被解释为固有可持续或不受限制的，原料可用性、季节性变化、收集和运输要求、燃料加工效率、存储条件、竞争性生物质用途和生命周期排放均可显著影响生物能源支持系统的环境和经济绩效。

3.5 分散式发电、循环资源利用与能源安全

分散式能源系统作为常规集中供应的替代方案日益受到关注，特别是在电网扩展技术上困难或经济上不具吸引力的农村、偏远和弱电网地区。生物能源融入分散式系统为将可再生能源生产与循环资源管理联系起来创造了额外机会。农业残留物、牲畜废物、农工副产品、食物废物和其他可生物降解流可通过生化或热化学过程转化为有用的能源载体。从循环经济角度看，这种方法可减少废物处理需求，同时回收残留生物质中包含的部分能量和材料价值。本地生物质利用还可通过多样化能源资源组合和减少对外部燃料供应链的暴露来促进能源安全。然而，分散式生物能源的效益在很大程度上取决于生物质资源的空间分布、质量和实际可用性。理论上的农业或林业残留物数量不能等同于可持续回收用于能源生产的数量。循环性和能源安全应被视为互补目标，而非生物质利用的自动结果。

3.6 智能能源管理与集成系统运行

随着混合可再生能源系统纳入更多发电、存储和可控资源，其运行日益依赖协调的能源管理。能源管理系统（EMS）作为监督层，负责平衡发电和需求，同时根据技术、经济和环境目标确定分布式资源的运行状态。能源管理策略范围从基于规则和常规优化方法到先进预测和智能控制方法。人工智能和计算智能技术为管理混合能源系统的非线性和不确定性行为提供了额外能力。机器学习（ML）模型可支持可再生发电和电力需求的短期预测，而人工神经网络（ANN）、模糊系统、进化算法和强化学习方法可协助运行调度和自适应控制。预测和实时能源管理通过将可再生生产、需求、存储状态和运行条件的预期变化纳入当前控制决策来扩展此框架。模型预测控制（MPC）和相关滚动时域策略在新测量和预测可用时重复更新系统调度，允许EMS适应短期不确定性同时尊重运行约束。尽管取得进展，智能能源管理仍面临数据可用性和质量、预测误差、计算复杂性、通信可靠性、互操作性和控制策略在不同系统配置之间可转移性方面的挑战。

1. 4.
   整合生物燃料的混合能源系统配置

整合生物燃料的混合能源系统可根据可用可再生资源、所选生物能源转换路径、存储类型和系统运行模式采用多种技术架构。主要配置包括太阳能–生物燃料、风能–生物燃料、太阳能–风能–生物燃料、生物燃料–存储、并网或独立微电网架构以及多能源或热电联产系统。可变可再生源通常提供主要低碳能源输入，而生物燃料单元贡献可控发电，存储技术补偿生产与需求之间的短期不匹配。更先进的架构可额外回收热能或整合多种能源载体。

4.1 太阳能–生物燃料混合系统

太阳能–生物燃料混合系统代表将可变可再生发电与可调度可再生能源耦合的最直接技术方法之一。光伏（PV）或光伏热（PV/T）技术利用白天太阳能可用性，而生物质或沼气单元在太阳能输出下降或负荷需求超过瞬时可再生发电时提供可控电力或热量。在农村、不可靠电网和并网应用中，光伏–沼气系统一致表明生物能源的主要贡献是可调度支持，而非简单地增加可再生容量。报道案例实现了有竞争力的电力成本和实质性减排，优化进一步改善了经济绩效并在电网支持可用时减少了存储负担；相反，自主系统需要更大的本地发电和存储容量以维持可靠性。更集成的光伏热–生物质和废物转化沼气配置通过热存储、废热回收和协调调度扩展了这种互补性。

4.2 风能–生物燃料混合系统

风能–生物燃料混合系统利用可变空气动力资源与可控生物能源转换单元的互补运行特性。风力涡轮机提供电力而不直接消耗燃料，但本质上受短期波动和预测误差影响；生物质和沼气系统可根据需求调度，因此可补偿风能发电不足的时期。风能–生物燃料研究表明，相对适度的可调度生物质或沼气容量在根据风能赤字而非装机风能容量进行规模设计时，可显著改善平衡和可预测性。在40 MW风能案例中，使用4.5 MW生物质电厂在近90%的运行中实现了补偿。并网接入也可显著改变优选架构；在并网风能–沼气–热电联产配置中，能源成本（COE）相对离网替代方案降低约45%，净现值成本（NPC）降低15.5%。

4.3 太阳能–风能–生物燃料多源系统

太阳能–风能–生物燃料多源系统通过组合两种互补可变资源与可调度生物能源路径扩展了可再生混合的概念。光伏发电主要由昼夜辐照模式控制，而风能可用性可能遵循不同的小时和季节概况；其同时整合可减少可再生赤字重合时期。与单源或双源架构相比，这种多样化可减少单个发电和存储组件的过度规模设计，但同时增加了必须协调的设计变量、能量流交互和运行约束的数量。多源光伏–风能–生物能源系统的比较研究表明，优选架构随电池技术、可靠性约束和优化目标而变化；资源多样性本身不足以保证最低成本配置。实验和动态研究进一步表明，随着系统复杂性增长，控制和稳定性变得日益重要。协调的光伏–风能–沼气–存储微电网在测试运行条件下实现了零失负荷概率（LPSP）。

4.4 生物燃料–存储集成配置

生物燃料–存储集成配置在混合可再生能源系统中引入了一种独特的灵活性形式，因为可调度生物能源和储能通过根本不同的机制解决供需不匹配。电池和其他存储技术通过吸收剩余发电并在需要时返回来时间上转移能量，而生物质和沼气单元只要有足够的燃料库存就提供可控发电。其整合因此产生双向设计交互：可调度生物能源可减少维持可靠性所需的存储容量，而存储可减少生物能源转换单元的循环、峰值运行和燃料消耗。电化学存储主要适用于短期平衡，但其所需容量取决于可调度生物能源与存储子系统的协调方式。优化研究表明电池化学、预测调度和可靠性约束可实质性改变存储规模设计和成本。生物燃料也可作为化学存储，将燃料生产与发电解耦。机械存储为更大容量应用提供额外选项。证据表明没有单一存储技术对生物燃料集成混合系统普遍最优，最强设计源于共同优化燃料可用性、存储持续时间、转换路径、可靠性约束、能源价格和多能源需求。

4.5 并网、离网和微电网架构

生物燃料集成混合能源系统的运行架构强烈决定其经济绩效、可靠性要求和能源自主程度。并网系统可在可再生或生物能源短缺期间进口电力，并在本地生产超过需求时出口剩余发电，从而减少广泛发电和存储过度规模设计的需求。相反，离网系统必须完全通过本地可再生发电、可调度生物能源和存储维持供应连续性，使组件规模设计和储备管理更具限制性。微电网架构占据中间位置，因为它们在正常条件下可与公用事业网络互联运行，同时保留在电网扰动期间孤岛运行和供应本地关键负荷的能力。并网连接通过允许网络吸收可再生盈余和覆盖剩余赤字来改变混合系统的经济性，减少本地冗余和存储需求。在审查的风能–沼气和光伏–沼气案例中，并网配置显著低于可比离网解决方案的成本。离网系统优先考虑自主性，因此需要可变可再生能源、存储和可调度生物能源的协调规模设计。

4.6 多能源和热电联产配置

多能源和热电联产配置代表生物燃料支持混合能源系统中最高级别的功能集成，因为其目标超越发电，延伸至同时提供热、冷、氢、合成燃料或其他有用能源载体。生物质和沼气特别适合这些架构，因为其转换过程固有地产生可回收而非排放到环境中的热流。热电联产（CHP）、冷热电联产（CCHP）、三联产和更先进的联产配置通过级联能量通过不同转换阶段来提高资源利用率。热电联产和三联产配置在热需求与电力生产充分重合时最有效地利用生物能源，因为废热回收可减少一次能源消耗和存储需求。更复杂的联产系统将此原理延伸至氢、合成燃料、氨、碳产品和区域废物增值。这些架构可改善火用利用和资源回收，但每个额外转换阶段也引入新设备、辅助消耗、控制要求和分配挑战。多能源和热电联产配置提供比纯电力混合系统更广泛的能量回收机会，但此优势伴随更大的技术和运行复杂性。六种配置族呈现不同的组件复杂性、生物燃料功能、运行灵活性、优势和局限性组合。

1. 5.
   能源转换效率与系统性能

生物燃料集成混合系统中的能量转换涉及多个转换阶段，包括生物质或沼气转换、电力和热力发电、存储以及燃料或其他能源载体的生产。每个阶段引入转换损失和不可逆性，可显著影响系统整体效率。系统性能不能使用单一指标评估，能量效率、火用效率、电效率和热效率提供转换性能的互补视角，而技术经济、环境和可靠性指标帮助确定每种配置的实际价值。

5.1 能量与火用效率

能量和火用分析为评估生物燃料集成混合能源系统提供互补但不等价的视角。能量效率基于热力学第一定律，量化供应能量转换为有用输出的比例；火用分析额外考虑能量质量，识别相对于环境条件可获得的最大有用功。火用破坏提供热力学不可逆性的直接度量，允许识别导致性能退化的组件。能量与火用效率之间的差异在热端使用主导的系统中尤为明显。集中式太阳能–沼气供暖系统的能量效率为29.7%，而其火用效率仅为4.5%；太阳能集热器占总火用损失的约41%，沼气锅炉占28.9%。混合配置纳入电化学转换通常表现出能量与火用效率之间较窄的差异。沼气燃料固体氧化物燃料电池（SOFC）–微型燃气轮机系统的整体能量和火用效率分别为43.29%和37.4%，厌氧消化单元约占总火用破坏的64%。火用破坏的位置也强烈取决于所选生物质转换路径。太阳能–生物能源混合可实质性改变火用性能，但其效果高度依赖系统架构和运行条件。不同研究中气化温度对火用效率的相反影响说明单个运行参数不能跨不同混合架构泛化。最大效率改进机会集中在生物质转换、太阳能热转换、燃料电池堆和高温传热过程。

5.2 转换路径与组件级性能

在生物燃料集成混合能源系统中，转换性能由连接主要资源与最终能源服务的完整路径决定，而非由孤立设备的效率决定。生物质和生物燃料可能经历预处理、气化、消化、重整、燃烧或生化转换，然后与内燃机、燃气轮机、燃料电池或二次动力循环耦合。太阳能可同时提供直接热输入、支持转换过程或在可再生能源高可用性期间减少生物燃料贡献。对于热化学路径，组件级性能强烈受生物质预处理和气化条件影响。生物燃料生产与电化学转换之间的接口同样重要，因为燃料生成的改进不一定直接转化为更高的电力输出。稳态组件效率在混合系统暴露于快速变化的可再生输入时可能高估运行灵活性。原动机的选择进一步决定生物燃料化学能在电力和可回收热流之间的分布。固体氧化物燃料电池（SOFC）中心架构为级联转换提供更大机会，因为高温排气可支持额外发电、供暖、制冷和燃料生产过程。回收热能的最终用途与主要转换设备的选择同样重要，增加另一个动力转换阶段不自动改善集成系统性能，最优路径取决于可用热的热力学质量以及是否存在本地热需求直接利用它。尽管热化学路线主导文献中研究的混合配置，生化路径也可为下游高效转换提供中间生物燃料。