摘要-兰州理工大学西部能源与环境研究中心.PDFVIP

博士学位论文 摘 要 为了利用西北地区丰富的太阳能和生物质能连续稳定地满足用户电能、热能和燃 2 气等多层次用能需求，本课题以满足甘肃省武威市民勤县张麻新村一座 117m （四室 两厅一卫）的单体建筑的用能需求为目标，首次将光伏发电、低温太阳能集热和恒温 沼气生产装置集成，研发了适合西北的户用太阳能和生物质能互补的热电沼气联供系 统，实验研究了系统的供能性能，评价了系统的经济和环境效益，实验和理论研究了 太阳辐射、环境温度和遮挡等因素对系统产能性能的影响，建立了多因素耦合与系统 产能之间的关系式，揭示了影响机理，最后提出了一种系统优化方案。 本文的主要研究内容和结论如下： 1. 对系统在冬季气候条件下的供能性能进行了实验研究： （1）整个采暖期系统供热量占农宅需热量的份额为 69% ，当日平均环境温度高 于 3℃时系统即可完全满足节能农宅的供暖要求，当日累积太阳辐射量小于 14 MJ/m2 3 时系统不能满足节能农宅的供暖需求；（2 ）系统在测试期内累计产气 110.7 m ，平均 甲烷含量54.74% ，自第20 天开始使用沼气作为炊事燃料后，系统能够满足农户不同 时期的炊事燃气需求；（3 ）测试期内大部分时间系统发电量大于用电量，部分日期小 于用电量，但依靠蓄电池组的蓄电，保证了系统自身用电的需要，实现了自身的稳定 运行；系统在采暖季发电量可满足用户部分生活用电，在非采暖季满足全部生活用电； 2. 在系统供能性能实验研究的基础上评价了其节能环保效益和经济性： 系统每年可节约标煤 3556kg ，向节能农宅输送的能量占农宅用能需求的份额为 79.3%；每年除可减排二氧化碳 9317kg ，二氧化硫 30.2kg 和氮氧化物 26.3kg 外，可处 3 3 理羊粪 9.2m ，生产高效沼肥 11 m ，对农户生产生活中产生的有机废弃物进行高效高 值循环利用可发挥重要作用；系统的静态投资回收期为 7.5 年。 3. 理论和实验研究了太阳辐射、环境温度和遮挡等因素对系统产能性能的影响， 建立了多因素耦合与系统产能之间的关系式： （1）得到了光伏阵列日发电量、阵列中不同数量的光伏电池组件被遮挡时光伏 阵列发电量与太阳辐射、环境温度和风速的关系式，可以看到光伏阵列的发电量均随 太阳辐射量和风速的增加而增加，随环境温度的增加而减小，但减小幅度很弱，随着 被遮挡光伏组件数量的增加，太阳辐射量对光伏阵列发电量的影响减弱。通过分析遮 挡、太阳辐射等对光伏阵列伏安输出特性曲线的影响时发现，在电池组件未被遮挡时， 光伏阵列工作处于恒流区，未达到最大功率点；遮挡后光伏阵列的最大功率点提前， 但随着太阳辐射强度的下降，提前的幅度减弱，同时光伏电池组件被遮挡数量的增加 加剧了最大功率点的提前；太阳辐射强度相同时，随着光伏电池组件遮挡数量的增加， 在未达到最大功率点时，输出电流逐渐减小。 I 多因素耦合对户用热电气联供系统的影响机理研究 （2 ）得到了供暖用单台太阳能热水器和沼气池用太阳能热水器 日集热量与太阳 辐射量、储热温度和环境温度差之间的关系式，以及太阳能热水器储热水箱的热损系 数。测试期内，投射到沼气池用太阳能热水器采光面上的总太阳辐射能有 33%未转换 为热能，28%转换为热能后散失于环境，39%被有效利用；最大可投射到供暖用单台 太阳能热水器采光面的太阳辐射能有 49%未转换为热能，24%转换为热能后散失于环 境，27%被有效利用。受安装朝向和遮挡的影响，供暖用太阳能热水器组光热转换量 比沼气池用太阳能热水器光热转换量低了 16%。造成供暖用太阳能热水器组热损失高 的原因是集热温度与散热器供暖温度不匹配，造成沼气池用太阳能热水器热损失高的 原因是多数时间该太阳能热水器吸收的太阳能远高于维持沼气池恒温所需要的热量， 导