可再生能源聯(lián)供系統(tǒng)中沼氣生產(chǎn)與內(nèi)燃機(jī)性能模擬研究.pdf

1、為了利用禽畜糞便、秸稈、果蔬廢棄物等生物質(zhì)和太陽能連續(xù)穩(wěn)定地滿足用戶冷、熱、電、氣等多層次的用能需求，本文提出了一種太陽能和生物質(zhì)能互補(bǔ)的、以沼氣增壓內(nèi)燃機(jī)為核心的冷熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)包括太陽能與煙氣余熱互補(bǔ)的恒溫沼氣生產(chǎn)子系統(tǒng)、增壓內(nèi)燃機(jī)發(fā)電子系統(tǒng)和煙氣余熱吸收式制冷/供暖子系統(tǒng)組成。作為該系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵過程，恒溫沼氣生產(chǎn)過程和沼氣增壓內(nèi)燃機(jī)發(fā)電過程對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響。
　　為此，本文在皋蘭縣陽洼窯村開展了太陽能加熱的沼氣生

2、產(chǎn)過程小試實(shí)驗(yàn)和全玻璃真空管太陽能集熱器陣列集熱試驗(yàn)，數(shù)值模擬了30kW沼氣增壓內(nèi)燃機(jī)輸出特性，主要取得以下研究結(jié)果：
　　（1）太陽能加熱的3m3沼氣池全年批式發(fā)酵過程研究表明：玻璃真空管太陽能熱水器能夠保障生物質(zhì)全年恒溫發(fā)酵，當(dāng)冬季環(huán)境溫度在-20~-10℃范圍內(nèi)，即使遭遇連續(xù)3天陰天或雪天，以豬糞為原料的沼氣池仍然實(shí)現(xiàn)了26±2℃的恒溫產(chǎn)氣，穩(wěn)定期日產(chǎn)沼氣1.2m3以上；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到6.9℃以上時(shí)，以豬糞或豬糞和蒿草為原料

3、的沼氣池實(shí)現(xiàn)了37℃的中溫產(chǎn)氣，穩(wěn)定期日產(chǎn)沼氣1.7m3以上；全年的日照輻射在500~1040W/m2范圍時(shí)，每立方發(fā)酵池容需要匹配φ5831800的玻璃真空集熱管10支。
　?。?）太陽能集熱器陣列由5組11臺(tái)串聯(lián)的30支全玻璃真空管豎排式太陽能集熱器并聯(lián)構(gòu)成，太陽能集熱器陣列冬夏兩季集熱試驗(yàn)研究表明：當(dāng)環(huán)境溫度在14.0~33.8℃范圍內(nèi)，日照輻射在470~990W/m2范圍時(shí)，夏季太陽能集熱器陣列靜態(tài)日平均效率大于30％，真

4、空管太陽能集熱器陣列的平均熱損系數(shù)為0.83W/(m2·K)。當(dāng)風(fēng)速低于5m/s，全天溫差小于6℃的陰雨天氣，集熱器全天降溫速率約0.5℃/小時(shí)；當(dāng)環(huán)境溫度在-20.0~11.8℃范圍內(nèi)，日照輻射在400~870W/m2范圍時(shí)，冬季太陽能集熱器陣列靜態(tài)日平均效率大于60%，真空管太陽能集熱器陣列的平均熱損系數(shù)為0.44 W/(m2·k)，當(dāng)風(fēng)速低于5m/s，夜間集熱器降溫速率在0.2～0.3℃/小時(shí)；除灰塵后，單臺(tái)30根管的集熱器熱水溫

5、度升高4.1℃，凈集熱量增加5.17MJ。
　?。?）用AVL BOOST軟件建立了30kW沼氣增壓內(nèi)燃機(jī)計(jì)算模型，通過與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性，模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)：沼氣中甲烷和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較大，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)在60%~100%時(shí)，有效輸出功率由28.06kW上升至37.27kW，有效輸出扭矩提高了1.33倍；CH4體積分?jǐn)?shù)每升高10%，輸出有效功率提高2.3kW，煙氣溫度升高31.6℃，排氣流

6、量增加2.6g/s；最佳壓縮比建議取值為10～10.5，過量空氣系數(shù)在1～1.3之間取值，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能最佳。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)：
　?。?）提出了利用太陽能和生物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的、以沼氣增壓內(nèi)燃機(jī)為核心的冷熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，研究了太陽能加熱的沼氣池全年批式恒溫厭氧發(fā)酵過程的產(chǎn)氣特性，揭示了不同發(fā)酵溫度和發(fā)酵原料下產(chǎn)氣系統(tǒng)性能的變化規(guī)律；此外，對(duì)以沼氣為燃料的小功率增壓內(nèi)燃機(jī)的輸出特性做了分析。
　?。?）使用靜態(tài)測試方法研究