太阳能加热的三级恒温沼气生产系统运行策略优化研究

【摘要】：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。 【关键词】：太阳能 三级恒温沼气生产系统 优化运行策略 经济性分析
【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】：S216.4
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 本课题的研究背景12-15
• 1.2 国内外研究及发展现状15-24
• 1.2.1 国内研究及发展现状16-21
• 1.2.2 国外研究及发展现状21-24
• 1.3 国内外研究发展现状总结及对本课题的启示24
• 1.3.1 国内外研究及发展现状总结24
• 1.3.2 本课题的启示24
• 1.4 本课题研究的目标、内容和意义24-25
• 1.4.1 研究目标24
• 1.4.2 研究内容24-25
• 1.4.3 研究意义25
• 1.5 本章小结25-26
• 第2章 系统运行策略优化模型的建立及系统介绍26-39
• 2.1 优化方法简述26-29
• 2.1.1 最优化方法和数学规划26-29
• 2.1.2 主要因素和优化设计方法29
• 2.2 系统优化数学模型29-31
• 2.3 系统介绍31-38
• 2.3.1 沼气发酵罐结构33-36
• 2.3.2 储热水箱结构36-37
• 2.3.3 太阳能集热子系统结构37-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 系统运行策略优化模型的求解及经济性分析39-113
• 3.1 运行策略39
• 3.2 系统的热平衡分析39-83
• 3.2.1 系统能量输入42-49
• 3.2.2 系统能量输出49-83
• 3.3 最优运行策略的选择83-111
• 3.3.1 发酵原料为8%的鲜牛粪83-97
• 3.3.2 发酵原料为8%的牛粪与莲花菜混合原料(VS质量取3)97-111
• 3.4 经济性分析111-112
• 3.5 本章小结112-113
• 结论与展望113-115
• 结论113
• 创新性113
• 展望113-115
• 参考文献115-118
• 致谢118-119
• 附录A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况119-120
• 附录B 攻读学位期间获奖情况及个人简介120-121
• 附录C 物理量名称及符号表121-124
• 附录D 程序编程124-155

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