太陽能加熱的三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)運行策略優(yōu)化研究.pdf

1、太陽能和生物質(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，本團(tuán)隊前期提出了太陽能加熱的三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，并對太陽能加熱的單個沼氣發(fā)酵裝置和基于三級恒溫沼氣生產(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現(xiàn)沼氣恒溫生產(chǎn)，本課題對太陽能加熱的三級恒溫沼氣生

2、產(chǎn)系統(tǒng)的運行策略進(jìn)行了優(yōu)化研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 (1)基于在蘭州皋蘭縣陽洼窯實驗基地建立的太陽能加熱的三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)運行策略的優(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，太陽能集熱器吸收的太陽輻射能和3臺循環(huán)泵(排污泵)和兩臺循環(huán)泵所

3、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)每個月的最優(yōu)運行策略，比較了全年最優(yōu)運行策略與傳統(tǒng)運行策略，分析了系統(tǒng)按全年最優(yōu)策略運行時的經(jīng)濟(jì)性。以8％的鮮

4、牛糞為原料時，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)運行策略是一致的，1月策略為1號罐30℃/2號罐37℃/3號罐37℃，2月至11月策略為1號罐37℃/2號罐37℃/3號罐37℃，12月策略為1號罐30℃/2號罐37℃/3號罐30℃。經(jīng)過與系統(tǒng)原運行策略1號罐30℃/2號罐30℃/3號罐30℃比較可知，按最優(yōu)策略運行時，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

5、菜混合原料為原料時，以沼氣產(chǎn)量最大化為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)最優(yōu)運行策略為：1月策略為1號罐37℃/2號罐37℃/3號罐30℃，2月策略為1號罐52℃/2號罐52℃/3號罐37℃，3月至10月策略為1號罐52℃/2號罐52℃/3號罐52℃，11月策略為1號罐52℃/2號罐37℃/3號罐37℃，12月策略為1號罐30℃/2號罐37℃/3號罐30℃。與系統(tǒng)發(fā)酵罐原運行策略1號罐30℃/2號罐30℃/3號罐30℃相比，按最優(yōu)策略運行時，系統(tǒng)全年的產(chǎn)氣

6、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，其全年最優(yōu)運行策略為：1月策略為1號罐37℃/2號罐37℃/3號罐30℃，2月至11月策略為1號罐37℃/2號罐37℃/3號罐37℃，12月策略為1號罐30℃/2號罐37℃/3號罐30℃。與系統(tǒng)發(fā)酵罐原運行策略1號罐30℃/2號罐30℃/3號罐30℃相比，按最優(yōu)策略運行時，系統(tǒng)全年的沼氣單位成本降低了19.75％。無論發(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)