熱電沼氣聯供系統冬季性能試驗研究

甄簫斐， 李金平，楊靄蓉， 楊捷媛

(1.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室， 蘭州 730050； 3.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 蘭州 730050)

熱電沼氣聯供系統冬季性能試驗研究

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 西部能源與環境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室， 蘭州 730050； 3.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 蘭州 730050)

為了解決農村地區生活熱水、生活燃氣和冬季采暖的問題，研發了光伏、光熱和沼氣互補的新型熱電氣聯供系統，筆者在2014年12月12日～2015年3月31日在甘肅民勤地區進行了室外試驗，測試并研究了該系統在整個采暖季內的產能性能。研究結果表明在整個供暖期該系統發電量260.7 kWh，總產沼氣110.71 m3，試驗戶供暖期共用680.70 kg標煤，比達到試驗戶同等溫度水平的對比戶節約標煤5819.30 kg。理論分析了系統的節能環保性和能源經濟性，與傳統供能系統相比，該一體化熱電氣聯供系統每年為農戶可節省用能費用11046.20元，投資回收期為4.37年，太陽能主動供暖節能率可達到89.5%。試驗研究為建設美麗鄉村提供理論指導和借鑒。

一體化熱電氣聯供系統； 光伏發電； 太陽能恒溫沼氣池； 太陽能集熱供暖

能源供應是農村社會和經濟發展的前提與保障，又關系到整個國家的能源安全，然而目前農村能源依然存在結構不合理、供能和用能方式落后等問題，大部分農村地區依然采用直接燃燒薪柴、煤炭、植物秸稈等方式來滿足基本的用能需求，而且在部分偏遠地區由于電力供應不穩定還在使用煤油照明，這種以薪柴和化石能源為基礎的農村能源供應方式不僅造成了嚴重的能源浪費和環境破壞，還加重了農民的負擔，危害著農民的健康，同時也加劇了我國能源供應不足的現狀[1-3]。戶用沼氣池和全玻璃真空管型、平板型太陽能熱水器的出現，滿足的農戶對生活燃氣和生活熱水的部分需求。截至2015年我國已在廣大農村建造沼氣池達5000萬戶[4]；太陽能熱水器每年以20%～30%的速度增長，住宅用太陽能熱水器的總數量可達到2.32億平方米[5]；與此同時，傳統戶用沼氣池產氣量低，甚至冬季不產氣的情況普遍存在[6]，太陽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，迫切需要學者們解答。

為了提升小型戶用沼氣池的高效穩定產氣性能，國內外學者提出了使用太陽能增溫的沼氣生產系統，并做了相關探索：陳志光、郭甲生、張楊竣分別采用模擬仿真和試驗研究的方法分析了一套太陽能輔助增溫的地下水壓式沼氣池的性能[7～9]，國外學者Axaopoulos設計了太陽能集熱器充當發酵裝置頂部的的“一體式”沼氣生產系統[10]；在太陽能光伏發電方面，李文升[11]等，采用理論和試驗相結合的方式對太陽能發電的輸出特性進行了分析，分析研究表明：太陽能發電技術的發電特性與日照強度緊密相關；在太陽能光熱方面，國內外也有不少學者取得了成果，孫峙峰[12]等在太陽能集熱器性能的動態測試方法方面做了詳細介紹，并對該動態測試方法建立數學模型，且進行了很深入的分析，Zambolin[13,14]等建立改進器橫向入射角的方程，并用準靜態的測試方法對集熱器的效率進行測試，測試數據表明改變太陽的橫向入射，能夠提高太陽能集熱器的效率。Hayek[15]在地中海地區建立了熱管式強制循環系統和真空管強制循環系統，并對兩套系統進行了測試。

以上學者的研究都驗證了利用太陽能發電，儲熱或為沼氣生產系統增溫是一種高效的、切實可行的方式。然而，這些學者的研究只能解決農戶的某一種用能需求，沒能將太陽熱能、太陽能光伏、生物質能等新能源利用技術和裝置科學集成，構建太陽能與生物質能互補的供能系統，有效克服季節、氣候和晝夜等因素對某種可再生能源技術的束縛，實現太陽能和生物質能的高效低成本規模化開發利用。該開題組前期成功研發了性能穩定的太陽能恒溫沼氣池，可以全年穩定的向農戶提供燃氣和生活熱水[16]，但沒有解決農戶冬季采暖和對電能的需求；為此，基于課題組前期的研究成果筆者研發和搭建了一體化熱電氣聯供系統，并在地處西北寒旱地區的武威市民勤縣張麻新村搭建了試驗系統，試驗研究了冬季一體化熱電氣聯供系統在生活熱水、生活燃氣和生活用電方面的產能性能。

1 試驗

1.1 試驗裝置

由于太陽能和農業廢棄物等生物質能資源在農村可廣泛獲取，但受成本、季節氣候以及供能局限性等因素的影響，太陽能和生物質能利用技術在農村的推廣受到了不同程度的限制，使這些可再生能源沒有得到高效地開發和利用[17]。該課題組研發了一體化熱電氣聯供系統，系統主要包括：7臺全玻璃真空管太陽能集熱器(總集熱面積為20.72 m2，由270支長1.8 m，直徑0.058 m的真空玻璃管和7個237 L的儲熱水箱組成)，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。系統實物圖和結構示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 一體化熱電氣聯供系統實物圖

一體化熱電氣聯供系統工作原理：真空管太陽能熱水器組Ⅰ為恒溫沼氣池提供恒溫厭氧發酵條件，恒溫沼氣池所產沼氣儲存于儲氣袋中，一部分用作炊事燃氣，一部分燃燒后與真空管太陽能熱水器組Ⅱ協同供暖和供生活熱水；光伏電池所發電能一部分用于驅動循環水泵以輸送真空管太陽能熱水器組Ⅰ中熱水至恒溫沼氣池，另一部分用于驅動供暖熱水和沼氣泵，剩余部分用于生活用電。

1.2 試驗方案

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系統，進行了一體化熱電氣聯供系統產能性能的試驗研究。為確保太陽能恒溫沼氣池產氣子系統連續穩定產氣，每天對料液使用攪拌器攪拌10～15 min；試驗期間，每天傍晚17:00定時測樣采集數據；太陽能光伏發電子系統的電壓和電流由Agilent數據采集儀自動掃描記錄，熱電氣聯供系統的耗電量每天下午18:00在電度表上讀取記錄數據；對于太陽能集熱供暖子系統，每天記錄試驗戶和對比戶的用煤量，室內溫度等參數均由 PT100溫度傳感器傳送到Agilent數據采集儀上，每10秒鐘自動記錄一次。

1.太陽能熱水器組I； 2.太陽能熱水器組II； 3.循環水泵； 4.沼氣泵； 5.循環水泵； 6.光伏電池板圖2 一體化熱電氣聯供系統原理圖

2 結果與分析

2.1 太陽能恒溫沼氣池產氣子系統產氣性能分析

太陽能恒溫沼氣池的日產氣量和累計產氣量隨時間的變化曲線及CH4體積分數的變化曲線如圖3和圖4所示。由圖可以看出，在113天的測試周期內，總產氣量為110.71 m3，系統穩定運行時平均每日產氣量為1.00 m3，容積產氣率為0.24 m3·m-3d-1，CH4的平均體積分數為52.40%，能夠持續滿足試

圖3 太陽能恒溫厭氧發酵日產氣量及累計產氣量變化情況

圖4 太陽能恒溫厭氧發酵CH4，CO2含量變化情況

驗戶一家4口的生活燃氣需求。因此在甘肅民勤地區的實際氣象條件室外環境溫度接近-20℃的極端條件下，太陽能恒溫沼氣池仍能連續、穩定的生產沼氣。

2.2 太陽能光伏發電子系統發電性能分析

太陽能光伏發電子系統發電量與用電量的變化曲線及發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天的試驗時間內，總發電量260.65 kWh，平均光電轉換效率為8.2%，日均發電量2.58 kWh，系統自身耗電量累計為127.3 kWh。其中，平均光電轉換效率公式如下[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為入射光強度; A為太陽能電池受光面積。

由此可見，光伏發電系統在試驗期間，多發電能133.35kWh，試驗結果顯示該光電單元光伏發電系統完全滿足戶用一體化熱電氣聯供系統的用能需求。

圖5 光伏發電系統發電量與用電量

圖6 光伏發電系統發電效率

2.3 太陽能集熱供暖子系統性能分析

從2014年12月10日系統正式供暖開始至2015年3月30日供暖結束，累計消耗標煤680.70 kg，其中太陽能熱水器組共向住宅輸送熱量11145 MJ，從2015年2月20號到供暖期結束完全由太陽能熱水器組供暖。在整個供暖季與傳統燃燒煤炭供暖方式對比，試驗戶采暖共用標煤680.70 kg，而對比戶在采暖季若要達到試驗戶相同的溫度水平則需6500.00 kg。圖7為太陽能集熱供暖子系統室內平均溫度的變化曲線，從圖中可以看出，當太陽能集熱子系統由太陽能集熱器和燃煤鍋爐配合供暖時，由太陽能供暖時室內平均溫度普遍高于全天室內平均溫度，且基本維持在13℃以上，所以，太陽能集熱供暖系統可以滿足用戶冬季供暖的需求。

圖7 太陽能集熱供暖子系統室內平均溫度

3 討論

綜上所述，在甘肅省民勤縣張麻新村冬季121天的試驗內，太陽能恒溫沼氣池產氣子系統平均每日產氣量為1.00 m3，平均CH4體積分數為52.40%，滿足正常沼氣燃燒所需的體積分數和試驗戶一家4口一天的生活燃氣需求，且可以在連續發酵時根據不同季節的用氣需求間歇性投料；太陽能光伏發電子系統在101天的試驗時間內，總共發電260.65 kWh，平均光電轉換效率為8.2%，日均發電量2.58 kWh，完全可以實現系統用電自給自足，且有盈余可作為生活用電；太陽能集熱供暖子系統由太陽能供暖時室內平均溫度普遍高于全天室內平均溫度，且基本維持在13℃以上，完全可以滿足農戶冬季供暖的需求。

與對比戶相比，試驗戶進行了外墻保溫，在熱損處“節流”，即通過圍護結構可以使傳熱損失的熱量減少；在熱源處“開源”，即太陽能主動供暖減少了煤的消耗。在3月份太陽能主動供暖運行時完全不需要燃煤鍋爐輔助，從試驗期間每天記錄到的采暖用煤量可計算得出整個采暖季內試驗戶采暖消耗標煤680.70 kg，利用試驗期間測得數據，通過建筑采暖熱負荷公式[19]計算得出對比戶室內溫度與試驗戶達到同一水平時，單位面積采暖熱負荷為103.65 W·m-2，即對比戶采暖季需消耗6500 kg標煤，則太陽能主動供暖節能率為89.5%。

系統經濟效益評價：該一體化熱電氣聯供系統總投資費用為41400元，其中，太陽能光伏發電子系統中蓄電池和逆變器等耗材的維護費平均每年30元，太陽能恒溫沼氣池子系統零部件費用每年需要10元，系統運行水費平均每年30元；根據試驗當地用戶的炊事用能情況，計算得出沼氣的價格是1.50元·m-3，為滿足試驗戶的生活燃氣需求，太陽能恒溫沼氣池子系統可連續穩定為用戶產生沼氣，年收益為1095元；生活熱水每年可收益620元，太陽能主動供暖每年可產出效益8728.95元，節約電費602.25元；故該一體化熱電氣聯供系統年凈收益可達11046.2元，投資回收期僅為4.37年，理論上該系統在經濟上是可行的。

4 結論

通過對一體化熱電氣聯供系統整個采暖季的試驗數據進行分析，可以得到以下結論：

(1)在整個系統試驗期內，太陽能恒溫沼氣池子系統總產氣量110.71 m3，系統穩定運行時每日產氣量平均為1.00 m3，容積產氣率為0.24 m3·m-3d-1，CH4的平均含量為52.40%；太陽能光伏發電子系統總發電量260.7 kWh，光電轉換效率為8.2%，日均發電量2.6 kWh；太陽能集熱供暖子系統累計消耗標煤680.70 kg，室內平均溫度維持在15℃，比達到同等溫度水平的對比戶節省標煤5819.30 kg，太陽能主動供暖節能率為89.5%。

(2)該系統清潔可靠，操作簡單，安全性好，利用太陽能和生物質能就可基本滿足一家4口日常生活中的熱、電、氣需求。該系統在西北嚴寒地區依然可以高效、連續，穩定的運行。

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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

項目來源： 國家國際合作專項項目(2015DFA60460)； 甘肅省杰出青年基金(2012GS05601)； 蘭州理工大學“紅柳杰出人才計劃”(Q201101)；甘肅省建設科技攻關項目(JK2010-29)

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

S126.4; TK6

B

1000-1166(2017)01-0053-05