甘南藏区热电沼气联供系统性能研究

摘要

我国甘南藏区海拔较高，冬季气候严寒。藏区居民居住分散，冬季常用煤炭和干牛粪采暖，用能方式十分落后，能源利用率低下，环境污染严重。与此同时，甘南藏区太阳能和生物质能资源十分丰富，利用太阳能和生物质能供能的潜力巨大。为了有效解决藏区建筑供能的问题，实现太阳能和生物质能高效清洁利用，本文在课题组前期研究成果的基础上，对农牧民生产生活习惯、建筑结构、实际需求进行调研，利用当地丰富的太阳能和生物质能资源，在甘肃省合作市上浪坎木村一座建筑面积为170m2含有被动式阳光间的单体建筑上搭建了一套热电沼气联供系统，该系统以太阳能和生物质能为能量输入，可以为用户提供冬季采暖、生活用电、生活热水和炊事燃气，满足用户不同层次的用能需求。 通过对该系统进行整个采暖季的现场测试，揭示了系统在实际工况下的供能性能，评价了系统的经济、环境和社会效益并对系统进行能量分析，根据试验研究结果对系统提出优化，并分析优化后系统性能。本文主要研究结果如下： （1）对于太阳能主被动联合采暖子系统，在极大部分测试时间里都可以完全满足建筑需热量要求，仅在最冷月份系统供热量略低于建筑需热量，在整个采暖季系统的供热量占建筑总需热量的94.4%，当环境平均温度高于-4.1℃时，系统可以完全满足建筑采暖需求，当日平均太阳辐射量在最冷月份低于15.9MJ/m2时，系统的供热量不能满足建筑需热量要求。 （2）对于光伏发电子系统，在测试期间日均发电3.1kWh，实际光电转化效率为7.6%，在大部分测试时间内，发电量均高于用电量，剩余的发电量可储存在蓄电池中。在发电量不足的情况下，可以依靠蓄电池组来满足用电需求，利用多元线性回归得到了光伏子系统日发电量与太阳辐射量和环境温度的关系，太阳辐射量对光伏发电量呈正相关性，环境温度呈负相关性。 （3）对于太阳能恒温发酵子系统，测试期间内发酵温度稳定在28℃左右，系统共处理羊粪2.7m3，累计产沼气95m3，沼气池日均产气0.76m3，平均甲烷含量为52.4%，虽然日产沼气量有所波动，但依靠储气袋的调节同样可以为用户连续提供炊事燃气，满足用户的燃气需求。 （4）分析整个系统在最冷月12月份和1月份的能量分布情况，系统共输入能量10513kWh，输出能量4536kWh，系统输出能量和散热损失分别占总输入能量的43.1%和43.9%。优化集热器储热水箱位置后系统的输出能量提高了39.3%，对建筑添加外保温后节能率提高22.8%。 （5）系统初投资为41055元，动态投资回收期为7.5年，相比于传统用能方式，该热电沼气联供系统每年可节约6908元，相当于减少燃烧标煤约6.5t，可减少CO2、粉尘、SO2、NOx依次分别为16.1t、4.4t、0.49t、0.24t。 综上可知，基于太阳能与生物质能的热电沼气联供系统在甘南藏区的使用与推广，改变了当地落后的用能方式，提高了能源的利用效率和农牧民室内的舒适度。同时，减少了化石燃料的使用，改善了自然环境，本课题可用以指导可再生能源供能系统在不同地区的优化设计和推广应用。 本文创新点： （1）利用藏区丰富的太阳能与生物质能资源并结合当地建筑结构，首次在严寒藏区搭建了热电沼气联供系统，并进行了整个采暖季的测试，揭示了整个采暖季严寒藏区热电气联供系统的性能,并基于全生命周期对系统的经济性、节能性和所带来的社会效益进行了评价。 （2）理论揭示了热电沼气联供系统性能受该地区环境因素的影响机理。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1主动式太阳能采暖研究现状

1.2.2被动式太阳能建筑研究现状

1.2.3光伏光热发电技术研究现状

1.2.4生物质能利用技术研究现状

1.2.5 可再生能源的供能系统研究现状

1.3.1 国内外研究现状总结

1.3.2 国内外研究现状对本课题的启示

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究意义

1.5 本章小结

第2章 热电沼气联供系统的构建及试验方案

2.1 供能对象简介

2.2 用能需求分析

2.3 供能系统的构建

2.3.1 主动式太阳能供暖子系统

2.3.2 光伏发电子系统

2.3.3 太阳能恒温发酵子系统

2.4.1 测试内容

2.4.2 计算方法

2.4.3 测点布置及仪器型号

2.5 本章小结

第3章 供能系统的性能研究及优化

3.1.1采暖系统供能稳定性分析

3.1.2采暖系统供能适用性边界分析

3.2.1光伏系统发电稳定性分析

3.2.2 光伏发电性能分析

3.2.3光伏系统发电性能影响因素分析

3.2.4光伏系统发电量与用电量分析

3.3太阳能恒温发酵系统性能分析

3.3.1 太阳能恒温发酵系统温度分析

3.3.2 系统抗干扰性能分析

3.3.3 沼气产气量分析

3.3.4 沼气成分含量分析

3.4系统优化分析

3.5 本章小结

第4章 经济与环境效益分析

4.1经济效益分析

4.1.1 系统的成本费用

4.1.2系统的产出效益

4.1.3 计算方法

4.2.1节能减排效益

4.2.2社会效益

4.3本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2本文创新点

5.3尚待解决的问题

5.4展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间获奖情况