甄簫斐， 李金平，楊靄蓉， 楊捷媛

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050)

熱電沼氣聯(lián)供系統(tǒng)冬季性能試驗(yàn)研究

甄簫斐1,2,3， 李金平1,2,3，楊靄蓉1,2,3， 楊捷媛1,2,3

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050)

為了解決農(nóng)村地區(qū)生活熱水、生活燃?xì)夂投静膳膯?wèn)題，研發(fā)了光伏、光熱和沼氣互補(bǔ)的新型熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，筆者在2014年12月12日～2015年3月31日在甘肅民勤地區(qū)進(jìn)行了室外試驗(yàn)，測(cè)試并研究了該系統(tǒng)在整個(gè)采暖季內(nèi)的產(chǎn)能性能。研究結(jié)果表明在整個(gè)供暖期該系統(tǒng)發(fā)電量260.7 kWh，總產(chǎn)沼氣110.71 m3，試驗(yàn)戶供暖期共用680.70 kg標(biāo)煤，比達(dá)到試驗(yàn)戶同等溫度水平的對(duì)比戶節(jié)約標(biāo)煤5819.30 kg。理論分析了系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保性和能源經(jīng)濟(jì)性，與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比，該一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)每年為農(nóng)戶可節(jié)省用能費(fèi)用11046.20元，投資回收期為4.37年，太陽(yáng)能主動(dòng)供暖節(jié)能率可達(dá)到89.5%。試驗(yàn)研究為建設(shè)美麗鄉(xiāng)村提供理論指導(dǎo)和借鑒。

一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)； 光伏發(fā)電； 太陽(yáng)能恒溫沼氣池； 太陽(yáng)能集熱供暖

能源供應(yīng)是農(nóng)村社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提與保障，又關(guān)系到整個(gè)國(guó)家的能源安全，然而目前農(nóng)村能源依然存在結(jié)構(gòu)不合理、供能和用能方式落后等問(wèn)題，大部分農(nóng)村地區(qū)依然采用直接燃燒薪柴、煤炭、植物秸稈等方式來(lái)滿足基本的用能需求，而且在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)由于電力供應(yīng)不穩(wěn)定還在使用煤油照明，這種以薪柴和化石能源為基礎(chǔ)的農(nóng)村能源供應(yīng)方式不僅造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境破壞，還加重了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，危害著農(nóng)民的健康，同時(shí)也加劇了我國(guó)能源供應(yīng)不足的現(xiàn)狀[1-3]。戶用沼氣池和全玻璃真空管型、平板型太陽(yáng)能熱水器的出現(xiàn)，滿足的農(nóng)戶對(duì)生活燃?xì)夂蜕顭崴牟糠中枨?。截?015年我國(guó)已在廣大農(nóng)村建造沼氣池達(dá)5000萬(wàn)戶[4]；太陽(yáng)能熱水器每年以20%～30%的速度增長(zhǎng)，住宅用太陽(yáng)能熱水器的總數(shù)量可達(dá)到2.32億平方米[5]；與此同時(shí)，傳統(tǒng)戶用沼氣池產(chǎn)氣量低，甚至冬季不產(chǎn)氣的情況普遍存在[6]，太陽(yáng)能集熱器如何獲得更高的熱效率及陰雨天需要用熱但集熱量極少的尷尬，迫切需要學(xué)者們解答。

為了提升小型戶用沼氣池的高效穩(wěn)定產(chǎn)氣性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了使用太陽(yáng)能增溫的沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，并做了相關(guān)探索：陳志光、郭甲生、張楊竣分別采用模擬仿真和試驗(yàn)研究的方法分析了一套太陽(yáng)能輔助增溫的地下水壓式沼氣池的性能[7～9]，國(guó)外學(xué)者Axaopoulos設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能集熱器充當(dāng)發(fā)酵裝置頂部的的“一體式”沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)[10]；在太陽(yáng)能光伏發(fā)電方面，李文升[11]等，采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的輸出特性進(jìn)行了分析，分析研究表明：太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)電特性與日照強(qiáng)度緊密相關(guān)；在太陽(yáng)能光熱方面，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者取得了成果，孫峙峰[12]等在太陽(yáng)能集熱器性能的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法方面做了詳細(xì)介紹，并對(duì)該動(dòng)態(tài)測(cè)試方法建立數(shù)學(xué)模型，且進(jìn)行了很深入的分析，Zambolin[13,14]等建立改進(jìn)器橫向入射角的方程，并用準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)試方法對(duì)集熱器的效率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明改變太陽(yáng)的橫向入射，能夠提高太陽(yáng)能集熱器的效率。Hayek[15]在地中海地區(qū)建立了熱管式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)和真空管強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)兩套系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

以上學(xué)者的研究都驗(yàn)證了利用太陽(yáng)能發(fā)電，儲(chǔ)熱或?yàn)檎託馍a(chǎn)系統(tǒng)增溫是一種高效的、切實(shí)可行的方式。然而，這些學(xué)者的研究只能解決農(nóng)戶的某一種用能需求，沒(méi)能將太陽(yáng)熱能、太陽(yáng)能光伏、生物質(zhì)能等新能源利用技術(shù)和裝置科學(xué)集成，構(gòu)建太陽(yáng)能與生物質(zhì)能互補(bǔ)的供能系統(tǒng)，有效克服季節(jié)、氣候和晝夜等因素對(duì)某種可再生能源技術(shù)的束縛，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能和生物質(zhì)能的高效低成本規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用。該開(kāi)題組前期成功研發(fā)了性能穩(wěn)定的太陽(yáng)能恒溫沼氣池，可以全年穩(wěn)定的向農(nóng)戶提供燃?xì)夂蜕顭崴甗16]，但沒(méi)有解決農(nóng)戶冬季采暖和對(duì)電能的需求；為此，基于課題組前期的研究成果筆者研發(fā)和搭建了一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，并在地處西北寒旱地區(qū)的武威市民勤縣張麻新村搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了冬季一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)在生活熱水、生活燃?xì)夂蜕钣秒姺矫娴漠a(chǎn)能性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

由于太陽(yáng)能和農(nóng)業(yè)廢棄物等生物質(zhì)能資源在農(nóng)村可廣泛獲取，但受成本、季節(jié)氣候以及供能局限性等因素的影響，太陽(yáng)能和生物質(zhì)能利用技術(shù)在農(nóng)村的推廣受到了不同程度的限制，使這些可再生能源沒(méi)有得到高效地開(kāi)發(fā)和利用[17]。該課題組研發(fā)了一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：7臺(tái)全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器(總集熱面積為20.72 m2，由270支長(zhǎng)1.8 m，直徑0.058 m的真空玻璃管和7個(gè)237 L的儲(chǔ)熱水箱組成)，3 m3的地上式軟體沼氣池，10塊大小為1200 mm×537 mm×35 mm，功率為100 W的單晶硅光伏電池板。系統(tǒng)實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)物圖

一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)工作原理：真空管太陽(yáng)能熱水器組Ⅰ為恒溫沼氣池提供恒溫厭氧發(fā)酵條件，恒溫沼氣池所產(chǎn)沼氣儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣袋中，一部分用作炊事燃?xì)?，一部分燃燒后與真空管太陽(yáng)能熱水器組Ⅱ協(xié)同供暖和供生活熱水；光伏電池所發(fā)電能一部分用于驅(qū)動(dòng)循環(huán)水泵以輸送真空管太陽(yáng)能熱水器組Ⅰ中熱水至恒溫沼氣池，另一部分用于驅(qū)動(dòng)供暖熱水和沼氣泵，剩余部分用于生活用電。

1.2 試驗(yàn)方案

2014年12月12日～2015年3月31日筆者在甘肅省武威市民勤縣張麻新村搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)能性能的試驗(yàn)研究。為確保太陽(yáng)能恒溫沼氣池產(chǎn)氣子系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣，每天對(duì)料液使用攪拌器攪拌10～15 min；試驗(yàn)期間，每天傍晚17:00定時(shí)測(cè)樣采集數(shù)據(jù)；太陽(yáng)能光伏發(fā)電子系統(tǒng)的電壓和電流由Agilent數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)掃描記錄，熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)的耗電量每天下午18:00在電度表上讀取記錄數(shù)據(jù)；對(duì)于太陽(yáng)能集熱供暖子系統(tǒng)，每天記錄試驗(yàn)戶和對(duì)比戶的用煤量，室內(nèi)溫度等參數(shù)均由 PT100溫度傳感器傳送到Agilent數(shù)據(jù)采集儀上，每10秒鐘自動(dòng)記錄一次。

1.太陽(yáng)能熱水器組I； 2.太陽(yáng)能熱水器組II； 3.循環(huán)水泵； 4.沼氣泵； 5.循環(huán)水泵； 6.光伏電池板圖2 一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)原理圖

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)能恒溫沼氣池產(chǎn)氣子系統(tǒng)產(chǎn)氣性能分析

太陽(yáng)能恒溫沼氣池的日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化曲線及CH4體積分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖3和圖4所示。由圖可以看出，在113天的測(cè)試周期內(nèi)，總產(chǎn)氣量為110.71 m3，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)平均每日產(chǎn)氣量為1.00 m3，容積產(chǎn)氣率為0.24 m3·m-3d-1，CH4的平均體積分?jǐn)?shù)為52.40%，能夠持續(xù)滿足試

圖3 太陽(yáng)能恒溫厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量及累計(jì)產(chǎn)氣量變化情況

圖4 太陽(yáng)能恒溫厭氧發(fā)酵CH4，CO2含量變化情況

驗(yàn)戶一家4口的生活燃?xì)庑枨?。因此在甘肅民勤地區(qū)的實(shí)際氣象條件室外環(huán)境溫度接近-20℃的極端條件下，太陽(yáng)能恒溫沼氣池仍能連續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)沼氣。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電性能分析

太陽(yáng)能光伏發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電量與用電量的變化曲線及發(fā)電效率的變化曲線如圖5和圖6所示。2014年12月16日～2015年3月26日共101天的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，總發(fā)電量260.65 kWh，平均光電轉(zhuǎn)換效率為8.2%，日均發(fā)電量2.58 kWh，系統(tǒng)自身耗電量累計(jì)為127.3 kWh。其中，平均光電轉(zhuǎn)換效率公式如下[18]：

(1)

式中：U為光伏板的輸出電壓; I為光伏板的輸出電流; Iθ為入射光強(qiáng)度; A為太陽(yáng)能電池受光面積。

由此可見(jiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在試驗(yàn)期間，多發(fā)電能133.35kWh，試驗(yàn)結(jié)果顯示該光電單元光伏發(fā)電系統(tǒng)完全滿足戶用一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)的用能需求。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與用電量

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率

2.3 太陽(yáng)能集熱供暖子系統(tǒng)性能分析

從2014年12月10日系統(tǒng)正式供暖開(kāi)始至2015年3月30日供暖結(jié)束，累計(jì)消耗標(biāo)煤680.70 kg，其中太陽(yáng)能熱水器組共向住宅輸送熱量11145 MJ，從2015年2月20號(hào)到供暖期結(jié)束完全由太陽(yáng)能熱水器組供暖。在整個(gè)供暖季與傳統(tǒng)燃燒煤炭供暖方式對(duì)比，試驗(yàn)戶采暖共用標(biāo)煤680.70 kg，而對(duì)比戶在采暖季若要達(dá)到試驗(yàn)戶相同的溫度水平則需6500.00 kg。圖7為太陽(yáng)能集熱供暖子系統(tǒng)室內(nèi)平均溫度的變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器和燃煤鍋爐配合供暖時(shí)，由太陽(yáng)能供暖時(shí)室內(nèi)平均溫度普遍高于全天室內(nèi)平均溫度，且基本維持在13℃以上，所以，太陽(yáng)能集熱供暖系統(tǒng)可以滿足用戶冬季供暖的需求。

圖7 太陽(yáng)能集熱供暖子系統(tǒng)室內(nèi)平均溫度

3 討論

綜上所述，在甘肅省民勤縣張麻新村冬季121天的試驗(yàn)內(nèi)，太陽(yáng)能恒溫沼氣池產(chǎn)氣子系統(tǒng)平均每日產(chǎn)氣量為1.00 m3，平均CH4體積分?jǐn)?shù)為52.40%，滿足正常沼氣燃燒所需的體積分?jǐn)?shù)和試驗(yàn)戶一家4口一天的生活燃?xì)庑枨螅铱梢栽谶B續(xù)發(fā)酵時(shí)根據(jù)不同季節(jié)的用氣需求間歇性投料；太陽(yáng)能光伏發(fā)電子系統(tǒng)在101天的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，總共發(fā)電260.65 kWh，平均光電轉(zhuǎn)換效率為8.2%，日均發(fā)電量2.58 kWh，完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用電自給自足，且有盈余可作為生活用電；太陽(yáng)能集熱供暖子系統(tǒng)由太陽(yáng)能供暖時(shí)室內(nèi)平均溫度普遍高于全天室內(nèi)平均溫度，且基本維持在13℃以上，完全可以滿足農(nóng)戶冬季供暖的需求。

與對(duì)比戶相比，試驗(yàn)戶進(jìn)行了外墻保溫，在熱損處“節(jié)流”，即通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以使傳熱損失的熱量減少；在熱源處“開(kāi)源”，即太陽(yáng)能主動(dòng)供暖減少了煤的消耗。在3月份太陽(yáng)能主動(dòng)供暖運(yùn)行時(shí)完全不需要燃煤鍋爐輔助，從試驗(yàn)期間每天記錄到的采暖用煤量可計(jì)算得出整個(gè)采暖季內(nèi)試驗(yàn)戶采暖消耗標(biāo)煤680.70 kg，利用試驗(yàn)期間測(cè)得數(shù)據(jù)，通過(guò)建筑采暖熱負(fù)荷公式[19]計(jì)算得出對(duì)比戶室內(nèi)溫度與試驗(yàn)戶達(dá)到同一水平時(shí)，單位面積采暖熱負(fù)荷為103.65 W·m-2，即對(duì)比戶采暖季需消耗6500 kg標(biāo)煤，則太陽(yáng)能主動(dòng)供暖節(jié)能率為89.5%。

系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)：該一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)總投資費(fèi)用為41400元，其中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電子系統(tǒng)中蓄電池和逆變器等耗材的維護(hù)費(fèi)平均每年30元，太陽(yáng)能恒溫沼氣池子系統(tǒng)零部件費(fèi)用每年需要10元，系統(tǒng)運(yùn)行水費(fèi)平均每年30元；根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)?shù)赜脩舻拇妒掠媚芮闆r，計(jì)算得出沼氣的價(jià)格是1.50元·m-3，為滿足試驗(yàn)戶的生活燃?xì)庑枨?，太?yáng)能恒溫沼氣池子系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定為用戶產(chǎn)生沼氣，年收益為1095元；生活熱水每年可收益620元，太陽(yáng)能主動(dòng)供暖每年可產(chǎn)出效益8728.95元，節(jié)約電費(fèi)602.25元；故該一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)年凈收益可達(dá)11046.2元，投資回收期僅為4.37年，理論上該系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一體化熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)整個(gè)采暖季的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)在整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)期內(nèi)，太陽(yáng)能恒溫沼氣池子系統(tǒng)總產(chǎn)氣量110.71 m3，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)每日產(chǎn)氣量平均為1.00 m3，容積產(chǎn)氣率為0.24 m3·m-3d-1，CH4的平均含量為52.40%；太陽(yáng)能光伏發(fā)電子系統(tǒng)總發(fā)電量260.7 kWh，光電轉(zhuǎn)換效率為8.2%，日均發(fā)電量2.6 kWh；太陽(yáng)能集熱供暖子系統(tǒng)累計(jì)消耗標(biāo)煤680.70 kg，室內(nèi)平均溫度維持在15℃，比達(dá)到同等溫度水平的對(duì)比戶節(jié)省標(biāo)煤5819.30 kg，太陽(yáng)能主動(dòng)供暖節(jié)能率為89.5%。

(2)該系統(tǒng)清潔可靠，操作簡(jiǎn)單，安全性好，利用太陽(yáng)能和生物質(zhì)能就可基本滿足一家4口日常生活中的熱、電、氣需求。該系統(tǒng)在西北嚴(yán)寒地區(qū)依然可以高效、連續(xù)，穩(wěn)定的運(yùn)行。

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Performance of Biogas System Providing Both Heat and Power in Winter /

ZHEN Xiao-fei1,2,3, LI Jin-ping1,2,3, YANG Ai-rong1,2,3, YANG Jie-yuan1,2,3/

(1.Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2.Key Laboratory ofComplementary Energy System of Biomass and Solar Energy，Gansu Province，Lanzhou 730050, China; 3.Collaborative Innovation Center of Key Technology for Northwest Low Carbon Urbanization, Lanzhou 730050, China; )

In order to solve the problem of cooking and heating in winter for rural area, a combined system providing heat, power and biogas, was proposed, in which the solar thermal, solar photovoltaics, and biogas were combined, and a outdoor experiment was carried out at Min Qin district, Gansu province, from December 2014 to March 2015. The energy production during the whole heating season was investigated. The results showed that the system could save 5819.30 kg of standard coal comparing with the same temperature contrast household. And it produced 260.7 kWh of power and 110.71 m3of total biogas during the whole heating season. The character of energy saving，environmental protection， and energy economy， were analyzed. It could save the energy cost of 11046.20 Yuan every year. Its payback periods would be 4.37 years. And the energy saving rate of active solar heating system reached 89.5%.

heat, power and biogas combined system; photovoltaic power generation; biogas digester with solar energy; solar collector

2016-02-27

2016-03-03

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家國(guó)際合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2015DFA60460)； 甘肅省杰出青年基金(2012GS05601)； 蘭州理工大學(xué)“紅柳杰出人才計(jì)劃”(Q201101)；甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2010-29)

甄簫斐(1987- )，男，甘肅民勤人，博士，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究工作，E-mail：zxf283386515@163.com

S126.4; TK6

B

1000-1166(2017)01-0053-05