太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统研究

【摘要】：寻找可代替化石燃料的可再生能源已经成为缓解化石燃料依赖的有效途径,太阳能和生物质能毫无疑问是符合可持续发展战略的理想能源。本文研发了一套太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统：经太阳能加热的循环水驱使沼气产出,经过净化提纯后的沼气进入微型燃气轮机与空气混合燃烧做功,产生电能,高温烟气排出驱动溴化锂吸收式制冷机产生冷量,由于从制冷机排出的烟气仍有较高的温度,故将剩余烟气进入余热回收利用装置产生活热水,符合“温度对口,能量梯级利用”的原则。 采用理论分析与数值模拟相结合方法,对太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统进行综合评价。本课题的研究内容与结论如下： (1)太阳能驱动的高效产沼气子系统经计算得到日储热量4320.1MJ,实际总集热面积470m2,共需30管太阳能集热器125套,沼气罐的体积至少需要210m3,经过计算得出,要保证恒温厌氧沼气池的正常运行,每天需要提供给沼气池的热水总热量为4286.7MJ。关于沼气净化提纯方面,净化提纯环节后的主要产物有：0.5MPa,25℃,99%体积分数的甲烷249.49m3；同时产生的次要产物有0.1MPa,25℃,100%体积分数的二氧化碳166.32m3,还有脱硫环节产生的单质硫1800g。对系统的能量流进行分析,得出系统总能源利用率为59%,且联产系统与分供系统相对比联产系统的总能源利用效率最高,联产系统相对于分供系统的一次能源节约率为35%。对系统的火用流进行分析：在微型燃气轮机循环过程中,燃烧室火用损失最大,其次是排气过程,这两项是火用损失最重要的部分；在溴化锂吸收式制冷过程中,火用损失最大的是发生器。最后对整个系统联合起来进行火用分析,最终得到,太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统的火用效率为42.3%。 (2)根据能量守恒定律,对系统能量输入中某些参数发生变化对相应的能量输出的影响进行分析：①.随着环境温度的上升,太阳能集热器集热效率增大,而微型燃气轮机发电效率和联产系统效率均减小。②.当甲烷含量的降低时,回热器排烟温度随之降低,发电效率也随之降低。排烟温度降低导致系统的制冷效率发生变化,排烟温度逐渐降低,制冷效率先降低后逐渐趋于平缓,余热回收效率则随着排烟温度的降低而降低。③.在微型燃气轮机其他条件都不变条件下,随着空燃比的增大,系统效率、发电效率和制冷效率先增大后趋于平坦,空气流量在0.60-0.65kg/s之间系统效率和制冷效率达到最大值。余热回收效率由于排烟温度随着空燃比的增加逐渐升高故逐渐增大,由此可见,空燃比过大或过小都不利于输出电、冷、热。随着温比的增大,联供系统效率、制冷效率、发电效率在同一空燃比下都有所增大,余热回收效率随温比的增大有所减小 (3)对系统进行技术经济性分析,结果得出一台微型燃气轮机运行情况下系统的静态投资回收期为9.8年,当增加至两台微型燃气轮机,即发电量达到60kW时,静态投资回收期降至6.24年,下降33.26%,而后继续增加微型燃气轮机数量,但静态投资回收期缩小并不明显。 本课题的创新点在于：构建和评价了太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统并初步揭示了系统性能。 本课题的研究得到了国家863计划课题(2014AA052801)、甘肃省杰出青年科学基金项目(1210RJDA016)、甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)、甘肃省教育厅项目(0803-06)、兰州理工大学“红柳杰出人才计划”(Q201101)等项目联合资助。 【关键词】：太阳能 生物质能 冷热电联产系统 微型燃气轮机 溴化锂吸收式制冷机
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK519;TK6;TK019
【目录】：

• 目录5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 课题背景11-14
• 1.1.1 能源危机11-12
• 1.1.2 太阳能简介12
• 1.1.3 生物质能简介12-14
• 1.2 太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统国内外研究现状14-20
• 1.2.1 微型燃气轮机技术15-19
• 1.2.2 溴化锂吸收式制冷技术19-20
• 1.3 国内外研究现状总结与启示20-21
• 1.4 本课题研究的目标、内容和意义21-22
• 1.4.1 研究目标21
• 1.4.2 研究内容21
• 1.4.3 研究意义21-22
• 第2章 太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统构建22-39
• 2.1 系统概述22-23
• 2.2 太阳能驱动的高效产沼气子系统23-32
• 2.2.1 沼气发酵过程23-27
• 2.2.2 太阳能集热过程27-28
• 2.2.3 沼气净化提纯过程28-32
• 2.3 微型燃气轮机发电子系统32-35
• 2.3.1 理论计算33-35
• 2.4 溴化锂吸收式制冷子系统35-38
• 2.4.1 理论计算35-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统性能分析39-60
• 3.1 基于Aspen Plus的系统模拟39-42
• 3.1.1 基于Aspen Plus的微型燃气轮机模拟39-40
• 3.1.2 基于Aspen Plus的溴化锂吸收式制冷机模拟40-41
• 3.1.3 基于Aspen Plus的余热锅炉模拟41-42
• 3.2 太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统能量流42-44
• 3.2.1 联产系统总能利用率42-43
• 3.2.2 联产系统和分供系统对比43-44
• 3.3 太阳能和生物质能互补的冷热电联产系统火用流44-51
• 3.3.1 微型燃气轮机火用分析44-48
• 3.3.2 溴化锂吸收式制冷机火用分析48-51
• 3.3.3 联产系统火用分析51
• 3.4 关键因素对系统的影响51-55
• 3.4.1 太阳辐射强度对系统的影响51-52
• 3.4.2 环境温度对系统的影响52-53
• 3.4.3 甲烷含量对系统的影响53
• 3.4.4 微型燃气轮机入口空燃比和温比对系统的影响53-55
• 3.5 系统技术经济性分析55-57
• 3.5.1 微型燃气轮机价格与投资回收期的关系56-57
• 3.6 全生命周期评价57-58
• 3.6.1 技术评价57
• 3.6.2 环境评价57-58
• 3.7 本章小结58-60
• 结论与展望60-62
• 结论60-61
• 本课题的创新点61
• 尚待解决的问题61
• 展望61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66-67
• 附录A 攻读学位期间发表的论文及专利67-68
• 附录B 获奖情况68-69
• 附录C 攻读学位期间申请的科创基金项目69

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