《2015挑战杯作品》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2015挑战杯作品（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、太阳能与沼气联合供热系统的效益分析指导教师：（辽宁工业大学，锦州 ）摘要：由于东北地区冬季沼气产气量不足，导致供热效率下降，而太阳能是一种非常充足且有效的供热方式。为此，本文针对太阳能与沼气联合供热系统，通过搜集数据和信息分析，建立了该系统的统计分析和经济效益评价模型，并从事了如下几个方面的工作：首先，基于热力学第一第二定律对太阳能集热板面积和沼气锅炉的出力大小进行计算。由于对整个系统建立准确的仿真模型比较困难，为了便于计算，将太阳能与沼气池控制系统、太阳能联合外接电源加热系统以及沼气产生系统，建立相应的沼气池的物理模型和数学模型，求出在沼液温度下各土壤监测点应保持的温度范围。其次，通过三维非
2、稳态导热问题的控制方程，建立统计分析和经济效益评价模型，以锦州地区气温为例，分别选择一年中最冷的1月和最热的7月代表冬天和夏天，采用Matlab进行仿真。从仿真结果中，准确地得出夏季和冬季单日系统功耗维持系统正常工作最小需要的太阳能集热器面积分别为955m2。一次性建立超过55m2的太阳能集热器投资过高，建议建立2030m2的太阳能集热器，在温度最低的2个月采用外接电源辅助加温来提高系统的经济效益。并根据仿真的数据来说明太阳能沼气联合供热的重要性。再次，利用控制变量法分别对太阳能沼气联合增温系统与普通沼气池系统进行了试验，沼气锅炉给沼气池加热与普通沼气池系统进行了试验，沼气锅炉加热太阳能加热停
3、止加热太阳能加热。这三种状态并不是孤立存在的，而是可以相互影响和叠加的，因此，将其分为三种情况，再对这三种情况模拟出时间温度曲线图，并结合沼气池发酵层平均温度来确定太阳能、沼气联合供暖的经济性。最后，对于东北地区能源环境的具体情况，搜集了一些信息。根据每种因素对能源环境的影响程度进行由定性到定量的转化。建立从初投资到初步盈利的资金流量表，利用益本比，投资回收期年等公式对这些数据进行计算和修正，得出该系统经济指标可大幅提高经济效益，确定项目经济可行性。关键词：太阳能；沼气联合供热；Matlab；可持续发展一、 问题的时代背景以及实际意义随着中共中央关于进一步发展东北地区新农村的工作部署，社会主义
4、新农村建设不断发展，农民生活水平的不断提高，新型的清洁能源、太阳能和新型的农业技术应在农村推广普及，特别是应在广大农村大力推广建立沼气池、太阳能和与其配套的农业技术，以达到节能减排、提高农民的生活水平和庭院经济的收入水平（详细见参考文献【1】）。本文通过调查分析，锦州地处太阳能资源较丰富区，平均年日照时间26003000小时，年日照百分率0.60.75，特别适合于发展太阳能发电产业。尤其是根据锦州地区的农业主导产业和日光能丰富的特点，以及锦州农业资分布的地理状况和土地的利用情况等各方面因素的综合分析，适合建立太阳能联合沼气加热沼气池系统。以达到节能减排、提高农民的生活水平和收入水平。农村生产沼
5、气的原料来源广泛。 目前国内外对太阳能热水器的研究已非常成熟，在常规热水的功能上添加了许多自动控制功能，比如自动上水、自动控制水温等。在我国的广大农村，沼气的发展也得到了国家的鼓励和支持，甚至还能给予政策补贴。如2009年，国家加大沼气建设投入，对列入项目区内实行一池三改的农户，在国家补助800元基础上，再增加补助400元，农户建沼气池可补贴1200元（详细见参考文献【2】）。但是如何将锦州丰富的废弃资源和现有的太阳能资源更充分的利用成了摆在我们面前的一个新课题。两者的互补应用可以表现出充分利用能源，减小冬季天气对单纯太阳能供热的影响等特点。由此我们提出了太阳能联合沼气加热沼气池系统的供热。二
6、、 系统概述与介绍2.1 沼气、太阳能联合采暖系统的可行性及系统形式我国是太阳能资源十分丰富的国家，除四川盆地等局部地区不适宜太阳能利用以外，我国大部分地区都适合利用太阳能。应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，而与沼气的联合应用，很大程度上提高了太阳能热利用的效率。沼气锅炉采用再生能源沼气为燃料，运行无污染、属绿色环保产品，可用于采暖和热水，热效率极高，沼气是一项具有多种显著效益的技术。通过开展沼气事业可以解决农户生活用能，减少了对森林资源的破坏，对保护生态平衡、发展庭院经济都是一种良好的途径。本文中介绍的太阳能集热器和沼气锅炉主要有三种形式，第一种是白天太阳辐射较强时，太阳能集热器支路提供
7、热量，沼气回路关闭，加热沼气池；第二种是夜间或太阳辐射较弱时。太阳能集热器不工作，沼气锅炉回路提供热量，加热沼气池；第三种是当气候条件介于二者之间时，两支路并联运行，为沼气池加热，保证池体内部温度在设定范围内。所以连续运行的太阳能沼气联合采暖系统是适用更广泛的一种系统形式。即太阳能集热系统和沼气锅炉是两个独立的系统，两个系统采用换热器换热的形式进行热量交换。为了保证系统连续运行，太阳能采暖系统必须有其他的辅助热源作为保障。在农村可以利用广泛的沼气资源，设置沼气炉作为辅助热源是比较合理的(详细见参考文献【3】)。三、 系统详细介绍3.1系统运行方案本文设计的系统采用太阳能集热器和沼气锅炉并联运行
8、来提高其经济效益，如图1由。循环水泵3、10分别承担两个支路的循环介质流量，对每一支路来讲是定流量运行，而对整个系统而言，运行较为复杂。可以分为以下三个运行运行情况： (1)白天太阳辐射较强时，太阳能集热器提供的热量足以维持相对较小的加热沼气池热负荷时，启动循环水泵3，关闭循环水泵10，对池体加热升温，多余的热利用池体内部的沼液进行蓄热，但池体内部温度高于设定上限时，关闭循环水泵3；(2)夜间或太阳辐射较弱时，太阳能集热器不工作关闭循环水泵3，当池体内部温度降到设定温度时启动循环水泵10，运行沼气锅炉加热支路，加热沼气池；(3)当气候条件介于二者之间时，同时启动循环水泵3、10，两支路并联运行
9、，为沼气池加热，保证池体内部温度在设定范围内。沼气池温度的突然变化对产气量有很大影响。因此在系统中辅以温度传感器，以保持池体内部温度波动维持在3的范围内（详细见参考文献【4】）。太阳能沼气联合增温系统示意图1:该系统由1.沼气池；2.太阳能集热器；3.太阳能系统循环水泵；4.分水器；5.集水器；6.换热盘管；7.膨胀水箱；8.沼气锅炉；9.补水箱；10.沼气锅炉系统循环水泵；11.沼气旋塞阀；12.闸阀；13.自动排气阀；14.放气阀；15.测温点；16.微机多路数据采集仪等部件组成。图1系统组成原理图四、 系统设计分析4.1系统运行参数计算太阳能联合沼气加热沼气池系统在设计过程中，需要计算的
10、是太阳能集热板面积和沼气锅炉的出力大小（详细见参考文献【5】【7】）。其参数计算步骤如下：（1）计算沼气池的热负荷Q0。沼气池的热负荷Q0。由两部分组成（详细见参考文献【8】）：投料负荷Q1和散热负荷Q2，即Q0=Q1+Q2其中：Q1=Cmt2-t1ql=tf1-tf21h1d1+i=1n12ilndi+1di+1h2dn+1Q2=Aql式中Q1投料负荷，kJ；Q2散热负荷，kJ；C沼气原料比热，取4.2 kJkgK；t1进料粪便温度，；t2混合后温度，；tf1池内料粪便温度，；tf2池外空气温度，；A池体侧面积，m2；m进料质量，kg。(2)沼气池产气量和富裕沼气量的计算沼气池产气量采用经验
11、公式计算（详细见参考文献【9】）：G=rVV式中G产气量，m3d；rV池容产气率，m3(m3d)；V池体容积，m3。在沼气池产气量中扣除用户消耗的沼气量即为富裕沼气量（详细见参考文献【10】）：G2=G-G1式中G1用户消耗的沼气量，m3；G2富裕沼气量，m3。(3)沼气锅炉出力沼气锅炉以沼气池中富裕沼气为原料向沼气池系统供热，能提供的热量为Q3=rsq式中Q3沼气锅炉13供热量，kJ；rs沼气日剩余量，m3(m3 d)；q每立方米沼气的发热量，21509kJNm3；沼气锅炉热效率，取80。(4)太阳能集热系统集热板面积的确定在本系统中，沼气池的热负荷中扣除沼气锅炉提供的热量，其余部分热量由太
12、阳能集热系统提供（详细见参考文献【11】）。Q4=Q0-Q3式中Q4太阳能集热系统日供热量，kJ。定义太阳能系统的保证率厂为系统总负荷中太阳能所担负的百分数，即f=Q4Q0太阳能系统的保证率与太阳能集热板面积间存在以下关系：f=0.00734A-0.A2+0.A3根据上式，即可确定太阳能系统中集热板的面积。五、 系统设计仿真分析5.1 温度控制模型建立1. 物理模型建立沼气池物理模型(如图2所示，详细见参考文献【12】)中A面定义为土壤上表面，B面定义为土壤周边，C面定义为土壤下表面，D面定义为沼气池上表面，太阳能沼气池自动控制系统是由太阳能联合外接电源加热系统和沼气产生系统2个系统组成，对整
13、个系统建立准确的数理模型比较困难,为了便于计算作出以下假设：1) 载热流体的热物性不随温度变化，假定为常值;2) 忽略太阳能集热器采光面上的灰尘和污物对集热器集热性能的影响;3) 忽略沼气池内发酵料液发酵时产生的反应热，料液的温度取平均值;4) 假定沼气池内全部为发酵料液，忽略空余空间;5) 将沼气池底部的换热器看成面热源，只考虑其向上和向下2个方向的传热，忽略其他方向的传热;6) 忽略接触热阻，忽略土壤中因水分迁移而引起的导热系数的变化; 7) 认为土壤与沼气池之间的传热方式为纯导热，且土壤按深度分层，每层土壤的导热系数为常数，土壤与沼气池接触良好。图2 沼气池三维立体图2.数学模型土壤自然
14、温度随深度与时间的不同而呈周期性变化，在忽略了土壤湿度迁移时，可视为周期性变化边界条件下的无内热源的三维非稳态导热问题。本文的沼气池为长方体，故选用直角坐标系。在直角坐标系中，建立三维非稳态导热问题的控制方程为（详细见参考文献【13】）:x，x，y，zx+y，x，y，zyz，x，y，zz=zczt，x，y，z式中为土壤的密度kgm3，c为土壤的比热，KJkg；t为土壤某点某时刻的瞬间温度K，z为底层深度m；为土壤的导热系数，W m ; r为土壤中某点距轴心的距离m；为时间s。该公式中土壤的导热系数难以测量，为了得到该参数，首先根据土壤中埋置的温度测量点读取的温度数据，然后采用公式进行参数反算得
15、到土壤导热系数。接着再采用公式进行正运算，得出在当前设置沼液温度下各土壤监测点应该保持的温度范围（详细见附录一）。图3 夏季仿真结果对于太阳能沼气联合系统的电路与软件设计分别采用MATLAB进行仿真（详细见参考文献【14】）。本文选择锦州地区气温进行仿真，分别选择一年中最冷的1月和最热的7月代表冬天和夏天（详见参考文献【15】），试验过程各项输入参数见表1。仿真该系统稳定工作 1d中沼气池内沼液温度和2个监测点附近土壤的温度变化情况。从图3和图4中可看出: 土壤温度随室外温度变化而变化，但相比室外温度土壤的温度变化较小且变化速度慢。在换热器加热的过程中，箱底的土壤温度比侧壁的土壤温度升高的要快，当换热器停止加热后，料液的温度仍然比土壤的温度高，所以，土壤的温度还要升高，只是增加的比较缓慢。在系统的控制下沼气池周围土壤的温度保持相对稳定，冬季土壤日最高温差3.7，沼液日最高温度差1.3; 夏季土壤日最高温差2，沼液日最高温度差1.2（详细见附录二）。仿真结果表明: 将沼气池和周边土壤看成一个整体进行温度控制是必要的，利用周边土壤的保温功能使系统控制精度远高于将沼液温度控制在设定值
