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《兰州理工大学》 2018年
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户用热电气联供系统产能最大化方法研究

杨捷媛  
【摘要】:户用热电气联供系统主要由太阳能热水器阵列、光伏发电/蓄电装置和太阳能控温的恒温沼气池组成,可以较稳定连续地满足单户农民全年炊事燃气、生活用电和采暖用能等多层次的用能需求,在农村地区应用前景广阔。前期的研究结果表明,该系统全年拥有较稳定的沼气产量,太阳能采暖热水和光伏产生的电能受多种环境因素的耦合制约仍然严重,有效利用率较低,系统集成方法与运行策略有待改善。因此,揭示多种环境因素对系统的耦合影响机理,改善系统集成方法与运行策略,对系统产能的最大化及其最大化利用意义重大。为此,本文在户用热电气联供系统构成不变的情况下,首先利用试验研究和理论分析研究了环境温度、太阳辐射和风速等单一因素对系统产能性能的影响机理,构建了和验证了这些因素对系统产能的耦合影响关系式,分析确定了多个子系统协同互补模式,获得了户用热电气联供系统产能最大化方法。本文的研究内容主要包括以下几个方面:1.利用试验研究和理论分析研究了环境温度、太阳辐射和风速等单一因素对系统产能性能的影响机理。在没有太阳辐射的影响时,环境温度每升高1℃,水箱水温升高2.2℃;环境温度在-25~0℃范围内,风速在0~8m/s范围内,太阳辐射强度每增加1W/m~2,水箱水温升高0~0.03℃,环境温度在0~15℃范围内,太阳辐射强度小于500W/m~2时,太阳能集热器组水箱水温和太阳能恒温厌氧发酵子系统的太阳能集热器水箱水温随着太阳辐射的变化基本不变,太阳辐射强度在500~1100W/m~2的范围内时随着太阳辐射强度每增加1W/m~2,水箱水温变化0~0.04℃;太阳辐射和环境温度不变,风速小于4m/s时对系统性能影响很小可以忽略不计,风速大于4m/s时,每增加1m/s,太阳能集热器水箱温度降低0~0.08℃,风速大于4m/s发生的时间只占所有测试时间的3.77%,发生时间很短,这对于系统产能和系统效率的影响都非常小,所以风速的影响在此忽略不计。2.构建了和验证了这些因素对系统产能的耦合影响关系式。根据环境因素计算水箱水温的集热器组水箱水温计算公式与实际试验测得的水箱温度之间误差较小;太阳能光伏组件输出功率和太阳辐照量的拟合,得拟合相关程度较高,根据太阳辐射强度可以计算出光伏系统输出功率。3.分析确定了多个子系统协同互补模式。(1)光伏系统由于储能装置的限制,并不能将每天所产电能完全储存,未能储存和利用的部分电能以热能的形式散失在空气中。利用多产的电能延长水泵运行时间增加供暖热量,将这部分能量回收,用于延长太阳能集热供暖子系统的供暖时间,每天可为室内多提供3.54kWh热量,供暖太阳能保证率可提高到74.49%,单个供暖季可多提供热量425.04kWh。(2)太阳能控温的厌氧发酵子系统提供热量并且进行温度调节控制的太阳能集热器收集的热量用于维持恒温厌氧发酵所需的热量每天都有剩余,不能被利用的热能都以热量的形式散失在空气中,造成严重的浪费。结合多产的电能,加强集热量与散热器的换热频率,采暖季可多提供热能2338.90kWh。还可进一步将热量用以提高太阳能恒温厌氧发酵子系统的发酵温度,增加产气量。(3)相同太阳辐射强度、风速和环境温度条件下,单台太阳能集热器全天的对流散热量和辐射散热量均小于太阳能集热器组,改变联接方式减少掺混的影响,整个采暖季可以减少热量损失85.68kWh。4.获得了户用热电气联供系统产能最大化方法。改变联接方式,减小能量损失,同时利用太阳能控温的恒温厌氧发酵子系统的太阳能集热器保证发酵温度后剩余热量,结合太阳能光伏发电子系统多产的电能为太阳能集热供暖子系统作为能量的补充和调节。充分提高能源利用率的同时也提高了能源使用效率,系统虽然不能避免要受到外界环境因素的影响,但是各个子系统之间的协同配合程度越高,系统稳定性越好,环境因素的变化对系统产能性能不会带来太大的影响。运行策略和能量损失优化,产能最大化之后,冬季采暖季可多供能量2850.39kWh。本文的创新点是:1.试验和理论揭示了环境温度、太阳辐射和风速等单一因素对户用热电气联供系统产能的影响机理和耦合作用机理,理论确定了单一环境因素对系统产能性能的影响范围。2.确定了太阳能热水器阵列、光伏发电/蓄电装置和太阳能控温的恒温沼气池等子系统协同互补模式,获得了户用热电气联供系统产能最大化方法,为进一步提高系统产能的稳定性、经济性提供了理论指导。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM615;TU83;TU995

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