热电沼气联供系统冬季性能试验研究

甄箫斐， 李金平，杨霭蓉， 杨捷媛

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050)

热电沼气联供系统冬季性能试验研究

甄箫斐1,2,3， 李金平1,2,3，杨霭蓉1,2,3， 杨捷媛1,2,3

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050)

为了解决农村地区生活热水、生活燃气和冬季采暖的问题，研发了光伏、光热和沼气互补的新型热电气联供系统，笔者在2014年12月12日～2015年3月31日在甘肃民勤地区进行了室外试验，测试并研究了该系统在整个采暖季内的产能性能。研究结果表明在整个供暖期该系统发电量260.7 kWh，总产沼气110.71 m3，试验户供暖期共用680.70 kg标煤，比达到试验户同等温度水平的对比户节约标煤5819.30 kg。理论分析了系统的节能环保性和能源经济性，与传统供能系统相比，该一体化热电气联供系统每年为农户可节省用能费用11046.20元，投资回收期为4.37年，太阳能主动供暖节能率可达到89.5%。试验研究为建设美丽乡村提供理论指导和借鉴。

一体化热电气联供系统； 光伏发电； 太阳能恒温沼气池； 太阳能集热供暖

能源供应是农村社会和经济发展的前提与保障，又关系到整个国家的能源安全，然而目前农村能源依然存在结构不合理、供能和用能方式落后等问题，大部分农村地区依然采用直接燃烧薪柴、煤炭、植物秸秆等方式来满足基本的用能需求，而且在部分偏远地区由于电力供应不稳定还在使用煤油照明，这种以薪柴和化石能源为基础的农村能源供应方式不仅造成了严重的能源浪费和环境破坏，还加重了农民的负担，危害着农民的健康，同时也加剧了我国能源供应不足的现状[1-3]。户用沼气池和全玻璃真空管型、平板型太阳能热水器的出现，满足的农户对生活燃气和生活热水的部分需求。截至2015年我国已在广大农村建造沼气池达5000万户[4]；太阳能热水器每年以20%～30%的速度增长，住宅用太阳能热水器的总数量可达到2.32亿平方米[5]；与此同时，传统户用沼气池产气量低，甚至冬季不产气的情况普遍存在[6]，太阳能集热器如何获得更高的热效率及阴雨天需要用热但集热量极少的尴尬，迫切需要学者们解答。

为了提升小型户用沼气池的高效稳定产气性能，国内外学者提出了使用太阳能增温的沼气生产系统，并做了相关探索：陈志光、郭甲生、张杨竣分别采用模拟仿真和试验研究的方法分析了一套太阳能辅助增温的地下水压式沼气池的性能[7～9]，国外学者Axaopoulos设计了太阳能集热器充当发酵装置顶部的的“一体式”沼气生产系统[10]；在太阳能光伏发电方面，李文升[11]等，采用理论和试验相结合的方式对太阳能发电的输出特性进行了分析，分析研究表明：太阳能发电技术的发电特性与日照强度紧密相关；在太阳能光热方面，国内外也有不少学者取得了成果，孙峙峰[12]等在太阳能集热器性能的动态测试方法方面做了详细介绍，并对该动态测试方法建立数学模型，且进行了很深入的分析，Zambolin[13,14]等建立改进器横向入射角的方程，并用准静态的测试方法对集热器的效率进行测试，测试数据表明改变太阳的横向入射，能够提高太阳能集热器的效率。Hayek[15]在地中海地区建立了热管式强制循环系统和真空管强制循环系统，并对两套系统进行了测试。

以上学者的研究都验证了利用太阳能发电，储热或为沼气生产系统增温是一种高效的、切实可行的方式。然而，这些学者的研究只能解决农户的某一种用能需求，没能将太阳热能、太阳能光伏、生物质能等新能源利用技术和装置科学集成，构建太阳能与生物质能互补的供能系统，有效克服季节、气候和昼夜等因素对某种可再生能源技术的束缚，实现太阳能和生物质能的高效低成本规模化开发利用。该开题组前期成功研发了性能稳定的太阳能恒温沼气池，可以全年稳定的向农户提供燃气和生活热水[16]，但没有解决农户冬季采暖和对电能的需求；为此，基于课题组前期的研究成果笔者研发和搭建了一体化热电气联供系统，并在地处西北寒旱地区的武威市民勤县张麻新村搭建了试验系统，试验研究了冬季一体化热电气联供系统在生活热水、生活燃气和生活用电方面的产能性能。

1 试验

1.1 试验装置

由于太阳能和农业废弃物等生物质能资源在农村可广泛获取，但受成本、季节气候以及供能局限性等因素的影响，太阳能和生物质能利用技术在农村的推广受到了不同程度的限制，使这些可再生能源没有得到高效地开发和利用[17]。该课题组研发了一体化热电气联供系统，系统主要包括：7台全玻璃真空管太阳能集热器(总集热面积为20.72 m2，由270支长1.8 m，直径0.058 m的真空玻璃管和7个237 L的储热水箱组成)，3 m3的地上式软体沼气池，10块大小为1200 mm×537 mm×35 mm，功率为100 W的单晶硅光伏电池板。系统实物图和结构示意图分别如图1和图2所示。

图1 一体化热电气联供系统实物图

一体化热电气联供系统工作原理：真空管太阳能热水器组Ⅰ为恒温沼气池提供恒温厌氧发酵条件，恒温沼气池所产沼气储存于储气袋中，一部分用作炊事燃气，一部分燃烧后与真空管太阳能热水器组Ⅱ协同供暖和供生活热水；光伏电池所发电能一部分用于驱动循环水泵以输送真空管太阳能热水器组Ⅰ中热水至恒温沼气池，另一部分用于驱动供暖热水和沼气泵，剩余部分用于生活用电。

1.2 试验方案

2014年12月12日～2015年3月31日笔者在甘肃省武威市民勤县张麻新村搭建了试验系统，进行了一体化热电气联供系统产能性能的试验研究。为确保太阳能恒温沼气池产气子系统连续稳定产气，每天对料液使用搅拌器搅拌10～15 min；试验期间，每天傍晚17:00定时测样采集数据；太阳能光伏发电子系统的电压和电流由Agilent数据采集仪自动扫描记录，热电气联供系统的耗电量每天下午18:00在电度表上读取记录数据；对于太阳能集热供暖子系统，每天记录试验户和对比户的用煤量，室内温度等参数均由 PT100温度传感器传送到Agilent数据采集仪上，每10秒钟自动记录一次。

1.太阳能热水器组I； 2.太阳能热水器组II； 3.循环水泵； 4.沼气泵； 5.循环水泵； 6.光伏电池板图2 一体化热电气联供系统原理图

2 结果与分析

2.1 太阳能恒温沼气池产气子系统产气性能分析

太阳能恒温沼气池的日产气量和累计产气量随时间的变化曲线及CH4体积分数的变化曲线如图3和图4所示。由图可以看出，在113天的测试周期内，总产气量为110.71 m3，系统稳定运行时平均每日产气量为1.00 m3，容积产气率为0.24 m3·m-3d-1，CH4的平均体积分数为52.40%，能够持续满足试

图3 太阳能恒温厌氧发酵日产气量及累计产气量变化情况

图4 太阳能恒温厌氧发酵CH4，CO2含量变化情况

验户一家4口的生活燃气需求。因此在甘肃民勤地区的实际气象条件室外环境温度接近-20℃的极端条件下，太阳能恒温沼气池仍能连续、稳定的生产沼气。

2.2 太阳能光伏发电子系统发电性能分析

太阳能光伏发电子系统发电量与用电量的变化曲线及发电效率的变化曲线如图5和图6所示。2014年12月16日～2015年3月26日共101天的试验时间内，总发电量260.65 kWh，平均光电转换效率为8.2%，日均发电量2.58 kWh，系统自身耗电量累计为127.3 kWh。其中，平均光电转换效率公式如下[18]：

(1)

式中：U为光伏板的输出电压; I为光伏板的输出电流; Iθ为入射光强度; A为太阳能电池受光面积。

由此可见，光伏发电系统在试验期间，多发电能133.35kWh，试验结果显示该光电单元光伏发电系统完全满足户用一体化热电气联供系统的用能需求。

图5 光伏发电系统发电量与用电量

图6 光伏发电系统发电效率

2.3 太阳能集热供暖子系统性能分析

从2014年12月10日系统正式供暖开始至2015年3月30日供暖结束，累计消耗标煤680.70 kg，其中太阳能热水器组共向住宅输送热量11145 MJ，从2015年2月20号到供暖期结束完全由太阳能热水器组供暖。在整个供暖季与传统燃烧煤炭供暖方式对比，试验户采暖共用标煤680.70 kg，而对比户在采暖季若要达到试验户相同的温度水平则需6500.00 kg。图7为太阳能集热供暖子系统室内平均温度的变化曲线，从图中可以看出，当太阳能集热子系统由太阳能集热器和燃煤锅炉配合供暖时，由太阳能供暖时室内平均温度普遍高于全天室内平均温度，且基本维持在13℃以上，所以，太阳能集热供暖系统可以满足用户冬季供暖的需求。

图7 太阳能集热供暖子系统室内平均温度

3 讨论

综上所述，在甘肃省民勤县张麻新村冬季121天的试验内，太阳能恒温沼气池产气子系统平均每日产气量为1.00 m3，平均CH4体积分数为52.40%，满足正常沼气燃烧所需的体积分数和试验户一家4口一天的生活燃气需求，且可以在连续发酵时根据不同季节的用气需求间歇性投料；太阳能光伏发电子系统在101天的试验时间内，总共发电260.65 kWh，平均光电转换效率为8.2%，日均发电量2.58 kWh，完全可以实现系统用电自给自足，且有盈余可作为生活用电；太阳能集热供暖子系统由太阳能供暖时室内平均温度普遍高于全天室内平均温度，且基本维持在13℃以上，完全可以满足农户冬季供暖的需求。

与对比户相比，试验户进行了外墙保温，在热损处“节流”，即通过围护结构可以使传热损失的热量减少；在热源处“开源”，即太阳能主动供暖减少了煤的消耗。在3月份太阳能主动供暖运行时完全不需要燃煤锅炉辅助，从试验期间每天记录到的采暖用煤量可计算得出整个采暖季内试验户采暖消耗标煤680.70 kg，利用试验期间测得数据，通过建筑采暖热负荷公式[19]计算得出对比户室内温度与试验户达到同一水平时，单位面积采暖热负荷为103.65 W·m-2，即对比户采暖季需消耗6500 kg标煤，则太阳能主动供暖节能率为89.5%。

系统经济效益评价：该一体化热电气联供系统总投资费用为41400元，其中，太阳能光伏发电子系统中蓄电池和逆变器等耗材的维护费平均每年30元，太阳能恒温沼气池子系统零部件费用每年需要10元，系统运行水费平均每年30元；根据试验当地用户的炊事用能情况，计算得出沼气的价格是1.50元·m-3，为满足试验户的生活燃气需求，太阳能恒温沼气池子系统可连续稳定为用户产生沼气，年收益为1095元；生活热水每年可收益620元，太阳能主动供暖每年可产出效益8728.95元，节约电费602.25元；故该一体化热电气联供系统年净收益可达11046.2元，投资回收期仅为4.37年，理论上该系统在经济上是可行的。

4 结论

通过对一体化热电气联供系统整个采暖季的试验数据进行分析，可以得到以下结论：

(1)在整个系统试验期内，太阳能恒温沼气池子系统总产气量110.71 m3，系统稳定运行时每日产气量平均为1.00 m3，容积产气率为0.24 m3·m-3d-1，CH4的平均含量为52.40%；太阳能光伏发电子系统总发电量260.7 kWh，光电转换效率为8.2%，日均发电量2.6 kWh；太阳能集热供暖子系统累计消耗标煤680.70 kg，室内平均温度维持在15℃，比达到同等温度水平的对比户节省标煤5819.30 kg，太阳能主动供暖节能率为89.5%。

(2)该系统清洁可靠，操作简单，安全性好，利用太阳能和生物质能就可基本满足一家4口日常生活中的热、电、气需求。该系统在西北严寒地区依然可以高效、连续，稳定的运行。

[1] 田宜水.中国农村能源发展现状及“十二五”展望[J].中国能源,2011,33 (5):13-16.

[2] Linhua Zhang, Xiaochen Cao.A system dynamics study of the development of rural energy in Shangdong province[J]. Civil Engineering and Urban planning，2012.

[3] K Kaygusuz. Energy services and energy poverty for sustainable rural development[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(2): 936-947.

[4] 中国产业信息. 2015年中国沼气行业发展概况[EB/OL].http://www.chyxx.com/industry/201512/368621.html，2015-12-14

[5] 樊 瑜,刘长滨,戚振强.太阳能住宅推广中存在的问题及其对策[J]. 建筑经济,2009,12:20-23.

[6] 刘树民,韩靖玉,岳海军. 中国北方寒冷地区沼气的综合开发利用[J]. 内蒙古农业大学学报(自然科学版),2002,04:83-86.

[7] Chen Z G, Qin C K, Li Z Q, Dai W N. The transient analysis of a household biogas digester with solar assisted heating system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011,32:1139-1143.

[8] 郭甲生, 秦朝葵, 魏晓峰, 等. 户用太阳能辅助加热沼气池动态传热仿真[J]. 计算机仿真, 2008, 28(1): 360-364.

[9] 张杨竣,秦朝葵,陈志光.太阳能辅助加热户用沼气池[J].城市燃气,2011(8): 18-23.

[10] Axaopoulos P, Panagakis P, Tsavdaris A, et al. Simulation and experimental performance of a solar-heated anaerobic digester[J]. Solar Energy, 2001, 70(2): 155-164.

[11] 李文升.分布式资源与电网相互作用的机理及其协同调度技术的研究[D].济南:山东大学,2012.

[12] 孙峙峰,郑瑞澄.太阳能集热器热性能动态测试方法研究[J].太阳能学报,2007,28(11): 61-65.

[13] E Zambolin, D Del Col. An improved procedure for the experimental characterization of optical efficiency in evacu-ated tube solar collectors [J]. Renewable Energy,2012,43.

[14] Zambolin E,Del Col D.Experimental analysis ofthermal performance of flat plate and evacuated tube solar collectors in stationary standard and daily conditions[J].Solar Energy,2010,84:56-60.

[15] Hayek, M Assaf, J Lteif W. Experimental investigation of the performance ofevacuated-tube solar collectors under eastern Mediterranean climatic conditions[J].Energy Procedia,2011,6(2):133-135.

[16] 柏建华. 太阳能加热的恒温沼气池产气性能实验研究[D].兰州：兰州理工大学,2011.

[17] 王贤华,王德元,陈汉平,杨海平,张世红,戴贤明. 生物质能资源收集系统研究[J]. 太阳能学报,2011,11:1666-1670.

[18] 朱艳伟. 光伏发电系统效率提高理论方法及关键技术研究[D].北京：华北电力大学,2012.

[19] 贺 平,孙 刚,王 飞,等.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009, 10-21.

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

项目来源： 国家国际合作专项项目(2015DFA60460)； 甘肃省杰出青年基金(2012GS05601)； 兰州理工大学“红柳杰出人才计划”(Q201101)；甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)

甄箫斐(1987- )，男，甘肃民勤人，博士，主要从事先进可再生能源系统方面的研究工作，E-mail：zxf283386515@163.com

S126.4; TK6

B

1000-1166(2017)01-0053-05