风能—太阳能—沼气集成系统的性能研究

【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。 【关键词】：风电 太阳能 沼气 恒温发酵 产气性能 能量效率
【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
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 主要符号说明11-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 课题背景12-13
• 1.2 太阳热能、沼气及户用风电利用概况13-19
• 1.2.1 太阳热能利用13-16
• 1.2.2 生物质能利用16-18
• 1.2.3 风能利用18-19
• 1.3 风—光—生物质多能互补系统的研究现状19-22
• 1.3.1 太阳能沼气研究现状19-21
• 1.3.2 互补型户用风力机研究现状21-22
• 1.4 国内外研究现状总结及对本课题的启示22-27
• 1.4.1 国内外研究现状总结22
• 1.4.2 国内外研究现状对本课题的启示22
• 1.4.3 风能—太阳能—沼气集成系统试验台搭建22-27
• 1.5 本课题研究的目标、思路、内容及意义27-28
• 1.5.1 研究目标27
• 1.5.2 研究思路27
• 1.5.3 研究内容27
• 1.5.4 研究意义27-28
• 第2章 风能—太阳能—沼气集成系统实验28-49
• 2.1 实验参数及设备28-29
• 2.2 实验测试过程29-30
• 2.3 实验结果及分析30-48
• 2.3.1 系统产沼气性能30-36
• 2.3.2 系统热力性能36-39
• 2.3.3 系统耗电量39
• 2.3.4 系统风电性能39-42
• 2.3.5 系统能量分析42-46
• 2.3.6 沼气池对环境散热系数46-47
• 2.3.7 太阳能热水器热效率47-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第3章 风能—太阳能—沼气集成系统的综合效益分析49-54
• 3.1 系统的经济效益评价49-53
• 3.1.1 投入费用49-50
• 3.1.2 产出效益50
• 3.1.3 经济效益评价计算方法[70]50-53
• 3.2 系统的环境效益评价53
• 3.3 系统的社会效益评价53
• 3.4 本章小结53-54
• 结论与展望54-56
• 结论54
• 创新点54-55
• 展望55-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况61

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