太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化研究

【摘要】：太陽(yáng)能和生物質(zhì)能是農(nóng)村可廣泛獲取的可再生能源，它們的高效低成本利用對(duì)改善農(nóng)村人居環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和滿足農(nóng)村多層次的能源需求有重要作用。 基于太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)性集熱溫度與生物質(zhì)高效恒溫厭氧發(fā)酵溫度相匹配的特點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)前期提出了太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng),并對(duì)太陽(yáng)能加熱的單個(gè)沼氣發(fā)酵裝置和基于三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)的熱電聯(lián)供或冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，為了高效低成本地實(shí)現(xiàn)沼氣恒溫生產(chǎn)，本課題對(duì)太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行了優(yōu)化研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： (1)基于在蘭州皋蘭縣陽(yáng)洼窯實(shí)驗(yàn)基地建立的太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)運(yùn)行策略的優(yōu)化模型，分別以沼氣產(chǎn)氣量最大化和沼氣單位成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)能量輸入與輸出的差值為正為約束條件。 (2)建立了系統(tǒng)的能量輸入和輸出模型，其中系統(tǒng)能量輸入的模型包括每日進(jìn)料帶入系統(tǒng)的熱量,太陽(yáng)能集熱器吸收的太陽(yáng)輻射能和3臺(tái)循環(huán)泵(排污泵)和兩臺(tái)循環(huán)泵所消耗的電能的模型。輸出模型包括每日出料帶走的熱量，干沼氣及其帶走的水蒸氣所帶走的熱量，發(fā)酵罐的散熱損失和儲(chǔ)熱水箱的散熱損失的模型。 (3)基于蘭州地區(qū)建筑氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算了發(fā)酵原料為8%的鮮牛糞或牛糞與蓮花菜混合原料時(shí)系統(tǒng)的能量輸入和輸出。然后，根據(jù)優(yōu)化模型確定了以8%的鮮牛糞或牛糞與蓮花菜混合原料為原料的系統(tǒng)一年內(nèi)每個(gè)月的最優(yōu)運(yùn)行策略，比較了全年最優(yōu)運(yùn)行策略與傳統(tǒng)運(yùn)行策略，分析了系統(tǒng)按全年最優(yōu)策略運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。以8%的鮮牛糞為原料時(shí)，以沼氣產(chǎn)量最大化為目標(biāo)函數(shù)和以沼氣單位成本最小化為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略是一致的，1月策略為1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐37℃，2月至11月策略為1號(hào)罐37℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐37℃，12月策略為1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐30℃。經(jīng)過(guò)與系統(tǒng)原運(yùn)行策略1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐30℃/3號(hào)罐30℃比較可知，按最優(yōu)策略運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)全年的產(chǎn)氣量提高了45.14%，沼氣單位成本降低了22.20%。以8%的牛糞與蓮花菜混合原料為原料時(shí)，以沼氣產(chǎn)量最大化為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略為:1月策略為1號(hào)罐37℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐30℃，2月策略為1號(hào)罐52℃/2號(hào)罐52℃/3號(hào)罐37℃，3月至10月策略為1號(hào)罐52℃/2號(hào)罐52℃/3號(hào)罐52℃，11月策略為1號(hào)罐52℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐37℃，12月策略為1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐30℃。與系統(tǒng)發(fā)酵罐原運(yùn)行策略1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐30℃/3號(hào)罐30℃相比，按最優(yōu)策略運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)全年的產(chǎn)氣量提高了81.62%。當(dāng)以沼氣單位成本最小化為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，其全年最優(yōu)運(yùn)行策略為:1月策略為1號(hào)罐37℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐30℃，2月至11月策略為1號(hào)罐37℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐37℃，12月策略為1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐37℃/3號(hào)罐30℃。與系統(tǒng)發(fā)酵罐原運(yùn)行策略1號(hào)罐30℃/2號(hào)罐30℃/3號(hào)罐30℃相比，按最優(yōu)策略運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)全年的沼氣單位成本降低了19.75%。無(wú)論發(fā)酵原料是8%的鮮牛糞，還是8%的牛糞與蓮花菜混合原料，按最優(yōu)策略運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)全年都能穩(wěn)定運(yùn)行，連續(xù)產(chǎn)氣，而且每個(gè)月都有結(jié)余的熱水使用。 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于：基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)全年最優(yōu)策略及其經(jīng)濟(jì)性。 本課題的研究方法遵循了能量的梯級(jí)利用原理，研究結(jié)果不僅對(duì)太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)高效低成本推廣應(yīng)用有重要的指導(dǎo)作用，而且對(duì)太陽(yáng)能和生物質(zhì)能的高效低成本規(guī)模開(kāi)發(fā)利用有重要的借鑒作用。 本課題研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51166008/E0607)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAD15B03)、國(guó)家科技部星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2010GA860004)、甘肅省教育廳項(xiàng)目(0803-06)、“隴原青年創(chuàng)新人才扶持計(jì)劃”項(xiàng)目(09-0165)、甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2010-29)和蘭州理工大學(xué)“紅柳杰出人才計(jì)劃”(Q201101)的資助。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能 三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng) 優(yōu)化運(yùn)行策略 經(jīng)濟(jì)性分析
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：S216.4
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 本課題的研究背景12-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀15-24
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)研究及發(fā)展現(xiàn)狀16-21
• 1.2.2 國(guó)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀21-24
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)及對(duì)本課題的啟示24
• 1.3.1 國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)24
• 1.3.2 本課題的啟示24
• 1.4 本課題研究的目標(biāo)、內(nèi)容和意義24-25
• 1.4.1 研究目標(biāo)24
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.4.3 研究意義25
• 1.5 本章小結(jié)25-26
• 第2章 系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化模型的建立及系統(tǒng)介紹26-39
• 2.1 優(yōu)化方法簡(jiǎn)述26-29
• 2.1.1 最優(yōu)化方法和數(shù)學(xué)規(guī)劃26-29
• 2.1.2 主要因素和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法29
• 2.2 系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型29-31
• 2.3 系統(tǒng)介紹31-38
• 2.3.1 沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)33-36
• 2.3.2 儲(chǔ)熱水箱結(jié)構(gòu)36-37
• 2.3.3 太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)37-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第3章 系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化模型的求解及經(jīng)濟(jì)性分析39-113
• 3.1 運(yùn)行策略39
• 3.2 系統(tǒng)的熱平衡分析39-83
• 3.2.1 系統(tǒng)能量輸入42-49
• 3.2.2 系統(tǒng)能量輸出49-83
• 3.3 最優(yōu)運(yùn)行策略的選擇83-111
• 3.3.1 發(fā)酵原料為8%的鮮牛糞83-97
• 3.3.2 發(fā)酵原料為8%的牛糞與蓮花菜混合原料(VS質(zhì)量取3)97-111
• 3.4 經(jīng)濟(jì)性分析111-112
• 3.5 本章小結(jié)112-113
• 結(jié)論與展望113-115
• 結(jié)論113
• 創(chuàng)新性113
• 展望113-115
• 參考文獻(xiàn)115-118
• 致謝118-119
• 附錄A 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況119-120
• 附錄B 攻讀學(xué)位期間獲獎(jiǎng)情況及個(gè)人簡(jiǎn)介120-121
• 附錄C 物理量名稱及符號(hào)表121-124
• 附錄D 程序編程124-155

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德國(guó)沼氣工程的發(fā)展現(xiàn)狀及思考    林聰;段娜;王陽(yáng);張又紅;

中國(guó)“產(chǎn)業(yè)沼氣”的開(kāi)發(fā)前景看好    

畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程建設(shè)的思考    周昱,陽(yáng)作鋒

養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程技術(shù)    王淑燕

循環(huán)利用的典范:歐洲沼氣工程    趙軍;田博;汪國(guó)剛;

純秸稈中高溫高濃度發(fā)酵工藝制取沼氣新技術(shù)    李硯飛;姚旭華;潘炳忠;代樹(shù)智;

秸稈產(chǎn)沼氣研究進(jìn)展    梁曉輝;華棟梁;許海朋;張杰;李巖;張曉東;

淺析我國(guó)發(fā)展秸稈沼氣的必要性與可行性    劉德江;饒曉娟;劉永剛;邱桃玉;

大型養(yǎng)雞場(chǎng)沼氣工程淺析    張海青;楊慧云;高倩;

秸稈沼氣工程工藝參數(shù)探討    段娜;林聰;侯錦;趙凱;趙廷莊;

畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程厭氧消化技術(shù)優(yōu)化分析    韓芳;林聰;

萬(wàn)頭奶牛場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)與研究    曹成茂;吳揚(yáng);劉偉偉;楊智良;伍德林;楊迎春;

沼氣工程技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)    吳兆流;

堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新,走規(guī)?；凸I(yè)化發(fā)展之路    唐兵;

沼氣的綜合利用技術(shù)和發(fā)展前景    王濱杰;賀立三;賈兵;

河南：小沼氣引領(lǐng)大節(jié)約    本報(bào)記者 王偉 通訊員 張國(guó)強(qiáng)

我市三萬(wàn)多農(nóng)戶釜底抽薪用沼氣    李晨光　記者　 王軍政

沼氣唱主角 電器退二線    記者 曾艷實(shí)習(xí)生 莫蓉 通訊員 晉新

四川“泥瓦匠”變成技術(shù)員    四川省農(nóng)村能源辦公室

曲靖沼氣年創(chuàng)收近3億元    唐炳慶

遼寧沼氣工高技能人才遞增近七成    遼寧省農(nóng)村能源辦

五個(gè)旗縣區(qū)農(nóng)民今年將用上沼氣    記者 王利巖

燃?xì)夤艿郎爝M(jìn)山村農(nóng)家    本報(bào)記者 李海濤　張培奇

專家破解西部沼氣使用難題    記者 王歡

4分鐘燒開(kāi)一壺水    吳昌林牟麗麗 記者 趙宏光

規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)沼氣工程發(fā)展的影響因素研究    林斌

    John Kangwa

農(nóng)村沼氣生態(tài)校園模式及其綜合效益評(píng)價(jià)研究    王蘭英

沼氣高效厭氧發(fā)酵的條件及產(chǎn)氣效應(yīng)研究    楚莉莉

畜禽養(yǎng)殖污染防治的沼氣技術(shù)采納行為及綠色補(bǔ)貼政策研究    彭新宇

可再生能源領(lǐng)域CDM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題研究    劉尚余

氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)林生物質(zhì)能的區(qū)域影響研究    馬占云

豬場(chǎng)沼液農(nóng)用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究    陳永杏

太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化研究    沈佳悅

太陽(yáng)能加熱的回?zé)峄刭|(zhì)型三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)性能研究    翟盼盼

基于熱管理器的太陽(yáng)能加熱高效制取沼氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析    燕紀(jì)倫

寒冷地區(qū)沼氣穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)    朱彧

基于三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析    岳華

基于投入產(chǎn)出的浙江省江山市聯(lián)戶沼氣工程發(fā)展研究    倪丹成

小型立體組合式沼氣工程的創(chuàng)建及效果的研究    張燕

戶用秸稈沼氣系統(tǒng)優(yōu)化與發(fā)酵工藝研究    石勇

沼氣工程厭氧反應(yīng)器一種多功能裝置的開(kāi)發(fā)及其效果的研究    劉艷敏

呼和浩特市戶用沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策分析    張紅麗