太阳能和生物质能是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本利用对改善农村人居环境、生态环境和满足农村多层次的能源需求有重要作用。基于太阳能经济性集热温度与生物质高效恒温厌氧发酵温度相匹配的特点，本团队前期提出了太阳能加热的三级恒温沼气生产系统,并对太阳能加热的单个沼气发酵装置和基于三级恒温沼气生产系统的热电联供或冷热电联供系统进行了研究。在此基础上，为了高效低成本地实现沼气恒温生产，本课题对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统的运行策略进行了优化研究。主要研究内容和结果如下：(1)基于在兰州皋兰县阳洼窑实验基地建立的太阳能加热的三级恒温沼气生产系统，建立了系统运行策略的优化模型，分别以沼气产气量最大化和沼气单位成本最小化为目标函数，系统能量输入与输出的差值为正为约束条件。(2)建立了系统的能量输入和输出模型，其中系统能量输入的模型包括每日进料带入系统的热量,太阳能集热器吸收的太阳辐射能和3台循环泵(排污泵)和两台循环泵所消耗的电能的模型。输出模型包括每日出料带走的热量，干沼气及其带走的水蒸气所带走的热量，发酵罐的散热损失和储热水箱的散热损失的模型。(3)基于兰州地区建筑气象数据，计算了发酵原料为8%的鲜牛粪或牛粪与莲花菜混合原料时系统的能量输入和输出。然后，根据优化模型确定了以8%的鲜牛粪或牛粪与莲花菜混合原料为原料的系统一年内每个月的最优运行策略，比较了全年最优运行策略与传统运行策略，分析了系统按全年最优策略运行时的经济性。以8%的鲜牛粪为原料时，以沼气产量最大化为目标函数和以沼气单位成本最小化为目标函数的系统最优运行策略是一致的，1月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐37℃，2月至11月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐37℃，12月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐30℃。经过与系统原运行策略1号罐30℃/2号罐30℃/3号罐30℃比较可知，按最优策略运行时，系统全年的产气量提高了45.14%，沼气单位成本降低了22.20%。以8%的牛粪与莲花菜混合原料为原料时，以沼气产量最大化为目标函数的系统最优运行策略为:1月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐30℃，2月策略为1号罐52℃/2号罐52℃/3号罐37℃，3月至10月策略为1号罐52℃/2号罐52℃/3号罐52℃，11月策略为1号罐52℃/2号罐37℃/3号罐37℃，12月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐30℃。与系统发酵罐原运行策略1号罐30℃/2号罐30℃/3号罐30℃相比，按最优策略运行时，系统全年的产气量提高了81.62%。当以沼气单位成本最小化为目标函数时，其全年最优运行策略为:1月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐30℃，2月至11月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐37℃，12月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐30℃。与系统发酵罐原运行策略1号罐30℃/2号罐30℃/3号罐30℃相比，按最优策略运行时，系统全年的沼气单位成本降低了19.75%。无论发酵原料是8%的鲜牛粪，还是8%的牛粪与莲花菜混合原料，按最优策略运行时，系统全年都能稳定运行，连续产气，而且每个月都有结余的热水使用。本课题的创新点在于：基于实验数据获得了太阳能加热的三级恒温沼气生产系统全年最优策略及其经济性。本课题的研究方法遵循了能量的梯级利用原理，研究结果不仅对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统高效低成本推广应用有重要的指导作用，而且对太阳能和生物质能的高效低成本规模开发利用有重要的借鉴作用。本课题研究得到了国家自然科学基金项目(51166008/E0607)、国家科技支撑计划课题(2011BAD15B03)、国家科技部星火计划重点项目(2010GA860004)、甘肃省教育厅项目(0803-06)、“陇原青年创新人才扶持计划”项目(09-0165)、甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)和兰州理工大学“红柳杰出人才计划”(Q201101)的资助。