风能—太阳能—沼气集成系统的性能研究

发布时间：2020-06-15 21:28

【摘要】：太阳能、生物质能、风能等是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本开发利用对改善农村人居环境、生态环境和实现农村经济的可持续发展有重要价值和意义。太阳能低温集热技术、生物质厌氧发酵技术、户用风力发电技术是三项成熟的可再生能源技术，可分别满足人们对生活热水、生活燃气和电能的需求。然而，由于受到昼夜、季节、气候等不利因素的束缚，它们通常无法独立实现连续稳定供能。基于这三种能源在时间、空间和品位方面的互补性，本课题首先构建了风能—太阳能—沼气集成系统。系统主要由太阳能集热器、恒温沼气池和户用风力发电机组成：太阳能集热器除了将收集的太阳能通过热水实现沼气池恒温厌氧发酵外，还为用户提供生活热水；恒温沼气池为用户提供生活燃气；户用风力发电机除了满足集成系统自身用电外，还为用户提供生活用电。继而，本课题研究了系统的各项性能，具体研究内容和结果如下：（1）在景泰县民安新村搭建了集成系统试验台，研究了冬季工况和春季工况下系统的总体性能，基于热力学第一定律和第二定律分析了集成系统能量转换过程、能量输出量和能量转换效率。在冬季工况下，集成系统运行稳定。在料液TS为10.46%，发酵温度控制为26±2℃时，恒温沼气池日产气量平均为1.422m~3，池容产气率为0.647m~3/(m~3·d)，甲烷平均含量达到51.45%；266L太阳能储热水箱中的热水温度均保持在25℃以上；风力机对外日平均输出2.5kWh电，集成系统热效率为38.84%，火用效率达到了56.68%。在春季工况下，在料液TS为13.03%，发酵温度控制为28±2℃时，恒温沼气池日产气量平均为1.28m~3，池容产气率为0.582m~3/(m~3·d)，甲烷平均含量达到51.4%；266L太阳能储热水箱中的热水温度均保持在36℃以上；风力机对外日平均输出3.5kWh电，集成系统热效率为42.99%，火用效率达到了60.05%。新型集成系统满足了用户对生活热水、生活燃气和电能的需求。（2）选用动态投资回收期方法评价了风能—太阳能—沼气集成系统的经济效益，并选用净现值、投资回收期、益本比及内部收益率来评价该系统直接经济效益。结果表明：系统的财务净现值NPV(i=10%)为8958.72元，益本比为1.94，动态投资回收期为5.4年，内部收益率为24.29%。（3）装置每年可以节煤1351.63kg，减排CO_22930kg，SO211.49kg。本课题的创新点在于：构建了风能-太阳能-沼气集成系统并揭示了系统热力性能、经济效益和环境效益。风能-太阳能-沼气集成系统突破了北方地区时间、季节、气候变化对太阳能低温集热技术、生物质厌氧发酵技术、户用风力发电技术的束缚，多层次地满足了人们对生活热水、生活燃气和电能的需求，实现了电、沼气和生活热水的全年连续稳定供能。本课题的研究结果对改善农村人居环境、生态环境和实现农村经济的可持续发展有重要意义，具有巨大的推广应用前景。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。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513;TK6;TK83
【图文】：

结构图,沼气,风能,太阳能

图 1.2 风能-太阳能-沼气集成系统实物图Fig1.2 Figure of integrated system with wind energy and solar energy and biogas（2）温度控制装置如图 1.3 所示，包括支铂热电阻温度传感器、一台循环泵以及套恒温控制箱，温度传感器分别置于沼气和太阳能水箱中。（3）恒温沼气池如图 1.2 中黑色保温材覆盖部分，其结构图如图 1.4 所示。沼气内容积为 2.2m3；池内为 2.2 m3红泥软体气池；沼气池内壁为砖混墙，池底为 0.05m的混凝土；沼气池周围与池底围有 Φ16 铝管且管与管间距离不超过 10cm，墙外和混土下铺有 0.1m 厚聚苯板；沼气池顶部为 6cm 钢筋混凝土预制板与 8cm 聚板加土夯实；顶部留有出气口和进料口。3图 1.3 温度控制装置Fig1.3 Temperature control dev

温度控制装置

05m6 铝和混为 6cm 钢筋混凝土预制板与 8cm 聚苯保口。体储气袋。机械系统和电气系统等组成（见图 1.5）。等，各部件出厂参数如表 1.4 所示。电线等，包括松下蓄电池两台和一台逆变容量为 20HR、100Ah，物理尺寸（mm）池端子型号是 M8L，蓄电池重量 29 Kg。电 3 星期(电阻值相当于该电池 1CA 放蓄电池完全充电状态的电池 0.1CA 充电开路电压正常，容量维持率在 95%以上；图 1.3 温度控制装置Fig1.3 Temperature control device

【引证文献】