沼气化学能快速高效储存太阳热能的初步研究

【摘要】： 作为清洁、对环境友好的绿色能源,可再生能源的规模开发利用已经成为21世纪解决化石能源造成的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的重要途径。其中,太阳能集热技术和沼气技术的推广和应用备受瞩目。然而,由于太阳辐射能量密度小、太阳辐射随季节、昼夜、气候影响大、太阳能很难储存等因素的制约,太阳热能的规模利用受到了巨大限制。同时,传统沼气技术也受到季节、昼夜、气候等因素的严重制约,传统沼气池产气率低、产气量少、冬季不产气的现象普遍存在。 为了克服传统太阳能集热技术和沼气技术的不足,本文将这两种技术结合起来,优势互补,提出了一种沼气化学能高效快速储存太阳能的新方法,并将装置在兰州地区进行了实验研究,对其热力性能、经济效益和环保效益进行了分析,获得了如下结果： 1.有效容积4m3的装置在冬季日产沼气2.4 m3,容积产气率达0.6m3/(m3.d)。,发酵周期约为30天。在温度较高季节,产气量还会大幅增加,可实现全年的稳定高效供能； 2.装置的集热、换热及温控部分协同状况良好,实现了恒温发酵。 3.装置在冬季储存太阳热能效率达到了0.65,实现了低品位、不稳定的太阳热能(能量品位0.074)和较高品位生物质能(能量品位0.419)向高品位、稳定的沼气化学能(能量品位0.830)的转化,实现了太阳热能的稳定储存； 4.对装置进行了动态性经济分析,项目的财务净现值NPV(i=10%)为6794.35元,内部收益率IRR为26.46%,益本比为1.50,动态投资回收期为5.2年。 5.装置具有良好的生态效益以及社会效益。每年可以可保护森林面积0.44公顷,以替代燃煤量为标准年可减排二氧化碳1.30t,二氧化硫0.026t；比之传统农村户用沼气池,年可减排CO21.03t,减排SO20.021t；还可以起到提高农民生活质量、节省劳力、推动科普、优化产业结构等各方面的作用。 本课题的创新点是：提出了一种利用沼气化学能储存太阳热能的新方法,并从理论上初步定量揭示了转化储存过程中的能量转化效率和能量品位提升机理。 上述研究成果具有重要的学术价值和良好的社会经济效益。它提出了一种低温太阳热能储存的新模式,即太阳能集热--沼气化学能储存,实现了低品位、不稳定太阳热能和较低品味生物质能向稳定、高品位、高能量密度沼气能的高效转化,从理论和技术两方面突破了昼夜、季节、气候等因素对传统太阳能集热或生物质厌氧发酵的束缚,拓展了传统太阳能集热技术与生物制厌氧发酵技术的应用领域,实现了太阳热能和生物质能高效低成本规模开发。在国家政策的大力扶持下,这些研究成果可广泛用于沼气发电、城市固体废弃物资源利用、污水处理、规模畜禽养殖场粪污厌氧处理以及酿酒制糖业等工业有机废水厌氧处理等领域。另外,这些研究成果对利用农村能源解决农村能源需求,推动社会主义新农村建设,调整我国能源结构,发展可再生能源和替代燃料技术两方面均有积极作用,并且能够大幅度节能,降低环境排放,具有良好的社会效益。 【关键词】：太阳能 沼气 储存
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：S214
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 课题背景11-14
• 1.2 国内外研究及发展现状14-21
• 1.2.1 太阳热能的利用14-16
• 1.2.2 沼气的利用16-21
• 1.3 国内外研究发展现状总结及对本课题的启示21-23
• 1.3.1 太阳能热储存的研究发展现状总结21-22
• 1.3.2 沼气利用的研究发展现状总结22-23
• 1.3.3 研究发展现状总结对本课题的启示23
• 1.4 本课题研究的目标、思路、内容和意义23-25
• 1.4.1 研究目标23
• 1.4.2 研究思路23
• 1.4.3 研究内容23
• 1.4.4 研究意义23-25
• 第2章 沼气发酵、沼气化学能储存太阳能的原理与工艺条件25-32
• 2.1 沼气发酵25-31
• 2.1.1 沼气发酵的基本原理25-26
• 2.1.2 沼气发酵的工艺条件26-31
• 2.2 沼气化学能储存太阳能31
• 2.2.1 沼气化学能储存太阳能的基本原理31
• 2.2.2 沼气化学能储存太阳能的工艺条件31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 沼气化学能储存太阳能装置的设计32-46
• 3.1 装置系统图32-34
• 3.2 厌氧发酵罐装置的设计34-38
• 3.2.1 厌氧发酵罐的容积设计34
• 3.2.2 厌氧发酵罐罐体形状设计34-35
• 3.2.3 发酵罐罐体材料的选择35-36
• 3.2.4 罐体厚度的计算36-38
• 3.2.5 罐体保温层设计38
• 3.3 发酵装置能量平衡分析38-41
• 3.3.1 发酵罐罐体热损失计算39-41
• 3.3.2 加热料液需要的热量41
• 3.4 太阳能集热系统的设计41-45
• 3.4.1 太阳能集热器的设计41-44
• 3.4.2 蓄热水箱的设计44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 沼气化学能储存太阳能装置的实验研究46-50
• 4.1 实验仪器设备46-47
• 4.2 实验材料及其配备47
• 4.2.1 发酵原料47
• 4.2.2 发酵原料的配备47
• 4.3 实验方法47-48
• 4.4 测试分析方法48-49
• 4.4.1 产气量48
• 4.4.2 pH值48
• 4.4.3 温度测试48-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第5章 实验结果与分析50-57
• 5.1 产气量变化50-51
• 5.2 温度协同状况51-52
• 5.3 料液pH值的变化52-53
• 5.4 装置性能分析53-56
• 5.4.1 沼气化学能储存太阳能53
• 5.4.2 能量品位的提升53-55
• 5.4.3 沼气化学能储存太阳能方式的优点55-56
• 5.5 本章小结56-57
• 第6章 沼气化学能储存太阳能装置的综合效益分析57-64
• 6.1 系统的经济效益评价57-62
• 6.1.1 投入的生产费用57-58
• 6.1.2 产出效益58-59
• 6.1.3 计算方法59-60
• 6.1.4 计算结果60-61
• 6.1.5 经济性评价总结61-62
• 6.2 系统的生态效益评价62-63
• 6.2.1 减少温室气体和有害气体的排放62-63
• 6.2.2 有效保护森林资源63
• 6.3 社会效益63
• 6.4 本章小结63-64
• 结论与展望64-66
• 1 结论64
• 2 尚待解决的问题64-65
• 3 创新点65
• 4 展望65-66
• 参考文献66-72
• 致谢72-73
• 附录A 攻读学位期间发表的论文73-74
• 附录B 攻读学位期间申请的专利74-75
• 附录C 攻读学位期间申请的科创基金项目75

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