【導(dǎo)讀】取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任。何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢。獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的。法律后果由本人承擔(dān)。論文被查閱和借閱。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文

　　

【正文】 發(fā)展以及人類開發(fā)太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更明顯。當(dāng)然，太陽能利用也碩士學(xué)位論文 有缺點(diǎn)，如能量密度低、不易收集、不穩(wěn)定、隨季節(jié)氣候晝夜變化而變化等。但總的來說，太陽能有很多其他能源無法相比的優(yōu)點(diǎn)，有極其廣闊的利用前景。 與一些發(fā)達(dá)國家相比，我們國家在太陽能利用上面有一定的差距，當(dāng)然也取得了不少成績。我國最早的太陽能熱水淋浴室， 1958年分別在天津大學(xué)和北京天堂河農(nóng)場建 成。 70年代初世界上出現(xiàn)的開發(fā)利用太陽能熱潮，對(duì)我國也產(chǎn)生了巨大影響。 1975年，在河南安陽召開“全國第一次太陽能利用工作經(jīng)驗(yàn)交流大會(huì)”，進(jìn)一步推動(dòng)了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展。 1979年，在西安召開了第二屆全國太陽能會(huì)議，這次會(huì)議的重點(diǎn)是推廣和應(yīng)用太陽能產(chǎn)品。 90年代初，我們國家制定了“西藏陽光計(jì)劃”，投資近 2億元在西藏地區(qū)建成了太陽灶 ，太陽房 3萬平方米，太陽溫室 13萬平方米。 1992年世界環(huán)發(fā)大會(huì)之后，我國政府對(duì)環(huán)境與發(fā)展十分重視，制定了《中國 21世紀(jì)議程》，進(jìn)一步明確了太陽能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。 1995年，國家計(jì)委、國家科委制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》 ,明確提出我國在19962020 年新能源和可再生能源的發(fā)展目標(biāo)、任務(wù)以及相應(yīng)對(duì)策和措施。這些文件的制定和實(shí)施，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國太陽能事業(yè)發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過 20多年的研究和科技成果轉(zhuǎn)化，我國太陽能熱水技術(shù)日趨成熟。太陽能熱水器以其安全、節(jié)能、衛(wèi)生和適用等優(yōu)點(diǎn)受到廣大用戶的喜愛，太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)在一些地區(qū)已經(jīng)成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。到 2020年初，全國從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝服務(wù)的企業(yè)有 3500多家，年產(chǎn)量達(dá) 800萬平方米，產(chǎn)值超過 60億 元，全國太陽能熱水器的保有量達(dá) 7000萬平方米，居世界第一。我國的太陽能熱水器 70年代以悶曬式為主，這種集熱器比較簡單，可分有膽（悶曬盒內(nèi)裝有黑色塑料或金屬）和無膽（即淺池?zé)崴鳎﹥煞N形式；進(jìn)入 80年代，生產(chǎn)出效率高、技術(shù)先進(jìn)的銅鋁復(fù)合、全銅和防銹鋁的平板型集熱器（即管板集熱器，由它可派生出許多同類熱水器，如翅翼型、波紋板型、鋁塑壓制型等）；到 90年代，開發(fā)出可常年使用的真空管式太陽能熱水器（包括全玻璃真空管式和熱管真空管式）。太陽能集熱器按傳熱工質(zhì)可分為液體和空氣集熱器；按進(jìn)入光口的太陽輻射是否改變方向可 分為聚光型和非聚光型集熱器；按集熱器是否跟蹤太陽可分為跟蹤和非跟蹤集熱器；按工作溫度范圍可分為低溫、中溫和高溫集熱器；按集熱器內(nèi)是否有真空空間可分為平板型和真空管集熱器?，F(xiàn)在市場上占主導(dǎo)地位的太陽能熱水器主要有平板型和真空管型兩種，平板型太陽能熱水器國內(nèi)市場份額約 55%；真空管太陽能熱水器國內(nèi)市場份額約 45%。從目前掌握的資料來看，太陽能熱水器在世界范圍內(nèi)都得到了充分的發(fā)展。 太陽能沼氣 的研究現(xiàn)狀 太陽能集熱和生物質(zhì)厭氧發(fā)酵是兩項(xiàng)成熟技術(shù)，但它們受晝夜、季節(jié)、氣候等不利因素束縛嚴(yán)重 ,無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)連續(xù)供 能。在保持兩項(xiàng)技術(shù)低成本的前提下，突破不利因素的束縛，實(shí)現(xiàn)太陽能和生物質(zhì)能的高效穩(wěn)定規(guī)模利用受到普遍關(guān)注。 太陽能沼氣 系統(tǒng)是將太陽能集熱與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵兩項(xiàng)技術(shù)集成，利用太陽能集熱器收集太陽能，以水為熱媒供給發(fā)酵罐， 來 滿足發(fā)酵所需的熱量，使之突破了晝夜、季節(jié)、氣候等不利因素的束縛，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定供能。系統(tǒng)完成了由不穩(wěn)定的、較低品位的太陽能和生物質(zhì)能向穩(wěn)定的、高品位的沼氣化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，從而相比傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了 恒溫高效產(chǎn)沼氣的 過程。研究太陽 能恒溫沼氣系統(tǒng)產(chǎn)氣性能 ，對(duì)于尋求太陽能集熱與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵優(yōu)化匹配 技術(shù)，提高系統(tǒng)的熱力性能、 產(chǎn)氣性能、 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及環(huán)境效益 ,有利于促進(jìn)可再生能源技術(shù)的推太陽能恒溫沼氣 產(chǎn)氣性能研究 廣，提高可再生能源的利用。 國內(nèi)外對(duì)沼氣化學(xué)能快速高效儲(chǔ)存太陽熱能的機(jī)理研究并不多。 G. N. TIWARI[27]等人通過在 8m3的沼氣池上面建太陽池來給沼氣池增溫，夜間用保溫材料覆蓋太陽池頂部以減少熱損，次日早上太陽池中水溫能夠保持在 30～ 35℃，在加料時(shí)用來稀釋物料提高溫度。 [28]等設(shè)計(jì)的一套簡易的太陽能加熱的發(fā)酵裝置，發(fā)酵原料為豬糞，發(fā)酵罐有效容積為 45m3，將其建在地下，太陽能集熱器傾斜 安裝在發(fā)酵罐上方作為頂蓋。太陽能集熱器與一個(gè)浸入式熱交換器相連接，以水為熱媒向料液提供熱量。頂蓋下方的密封空間用于儲(chǔ)存沼氣。通過實(shí)驗(yàn)表明，將太陽能集熱器作為沼氣池的上蓋，不僅減少了發(fā)酵罐的熱損失，而且促進(jìn)了發(fā)酵罐的熱平衡。同時(shí)，將建立的數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型可以精確地預(yù)測(cè)太陽能加熱反應(yīng)器的能量變化。 2020 年， Hamed M. ElMashad[2930]等人在實(shí)驗(yàn)室用 8L 的發(fā)酵罐研究了 50℃和 60℃下牛糞的產(chǎn)氣性能，結(jié)果表明，白天在 50℃和 60℃下發(fā)酵 10 小時(shí)，晚上分別降低 10℃，產(chǎn)氣量僅比 50℃和 60℃下恒溫發(fā)酵低 12%和 20%，并且分析了太陽能沼氣的能量利用情況。 2020 年 設(shè)計(jì)的兩種太陽能高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)如圖 1 所示，反應(yīng)器為 10m3的完全混合型發(fā)酵罐 (CSTR)。兩種裝置雖然結(jié)構(gòu)形式不同，但主要都是由太陽能集熱器、發(fā)酵器、輔助加熱裝置等構(gòu)成。并建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)裝置性能做了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明當(dāng)使用太陽能加熱裝置及余熱回收裝置，發(fā)酵溫度為 50℃時(shí)，一體式裝置的總熱量利用率可以達(dá)到 95%；使用余熱回收裝置可使進(jìn)料的溫度高于環(huán)境溫度 10～ 20℃；系統(tǒng)的日平均溫度波動(dòng)范圍可控制在177。 1℃，年平均溫度波動(dòng)可控制在177。 5℃內(nèi)；對(duì)比傳統(tǒng)加熱方式，以上兩種裝置在環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性上都有很大提高。 G. Kocar[31]等設(shè)計(jì)了 5m3的太陽能沼氣罐如圖 2 所示，在土耳其兩個(gè)城市研究了的最優(yōu)保溫厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用太陽能加熱可以將用于輔助加熱的沼氣減少到 19%，因而增加了沼氣的潛能。 Andreas Ch. Yiannopoulos[32]等人設(shè)計(jì)了一種太陽能加熱的沼氣罐，采用夾套換熱，并建立了數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了在穩(wěn)定運(yùn)行階段沼氣罐中的溫度分布，驗(yàn)證了太陽能沼氣的可行性 。 K. Vinoth Kumar[33]等人研究了一年內(nèi)太陽能溫室與沼氣池結(jié)合的運(yùn)行情況，結(jié)果表明在夏季發(fā)酵溫度最大可達(dá) 21～ 25℃，最小為 10～ 12℃，在冬季最大為 16～ 21℃，最小為 2℃，平均產(chǎn)氣率為 。 (a)分體式系統(tǒng) (b)一體式系統(tǒng) 圖 裝置示意圖 碩士學(xué)位論文 在國內(nèi)胡效雷 [34]等人對(duì)整體式太陽能沼氣池進(jìn)行了傳熱分析。孫靜 [35]通過實(shí)驗(yàn)研究了沼氣池周圍土壤溫度、料液溫度以及換熱器加熱量的變化情況，同時(shí)，還計(jì)算出了鋼管換熱器的傳熱系數(shù)，驗(yàn)證了在嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽能加熱制取沼氣是可行的。司傳海 [36]設(shè)計(jì)了溫室和太陽能熱水器組合厭氧 消化增溫裝置，如圖 3所示 ,利用清水模擬了厭氧消化溫度控制實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明 :通過合理分配利用太陽能，可使厭氧消化反應(yīng)器溫度在高效段附近運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了在春秋季控制反應(yīng)器溫度在 32～ 36℃，夏季在 44～ 53℃，在清水模擬溫度控制試驗(yàn)可行的基礎(chǔ)上，進(jìn)行污泥中溫厭氧消化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明 :當(dāng)污泥 TS負(fù)荷 60g L1時(shí)，與常溫發(fā)酵相比產(chǎn)氣時(shí)間縮短了 3天，峰值出現(xiàn)提前了 6天 。累積產(chǎn)氣量提高了 35%。甲烷累積產(chǎn)量提高了 71%。多轉(zhuǎn)化利用的太陽能 12492KJ，提高了 24%。說明，由于太陽能的利用，大大提高了厭氧消化的效率 和產(chǎn)氣量。 丁羽 [37]等人介紹了一種新型太陽能加熱恒溫沼氣反應(yīng)罐的結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)選擇；并通過組成原理分析具體的工作過程和工作特點(diǎn)，說明該罐能夠保持恒定的發(fā)酵溫度，消除氣候?qū)Πl(fā)酵的影響，創(chuàng)造良好的發(fā)酵環(huán)境，有效地提高產(chǎn)氣率。王曉超 [38]等人設(shè)計(jì)了太陽能熱管加熱系統(tǒng) ,通過對(duì)加熱系統(tǒng)工作熱效率和沼氣系統(tǒng)熱負(fù)荷的計(jì)算分析、對(duì)比，得出太陽能熱管加熱系統(tǒng)能夠保障沼氣系統(tǒng)對(duì)熱量的需求，該系統(tǒng)能使沼氣系統(tǒng)冬季溫度平均提高 ℃ ，每年可供給沼氣系統(tǒng)，相當(dāng)于節(jié)約 6547kg標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)約燃料費(fèi)用 3274元。李小驥 [39]等人通過自行設(shè)計(jì)的太陽能沼氣池，研究太陽能對(duì)沼氣發(fā)酵加熱保溫和消化液回流效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :通過太陽能給料液加熱保溫，與常溫相比，可使料液的溫度升高 10℃左右，從而使沼氣產(chǎn)量增加 26%，甲烷含量也有小幅提高。孫秀麗 [40]等人設(shè)計(jì)的太陽能沼氣裝置如圖 4所示，建立了沼氣池、太陽能熱水器的熱力模型，針對(duì)池內(nèi)輔助加熱的熱力過程，考慮了系統(tǒng)控制運(yùn)行方式、循環(huán)水流量、保溫層厚度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)加熱效果的影響，從而確定出較合理的系統(tǒng)配置。在實(shí)驗(yàn)方面，介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和設(shè)備的選取，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果， 分析料液平均溫度、循環(huán)水溫度及換熱器加熱量的變化情況。同時(shí)，還計(jì)算出了適用于本工程的螺旋管換熱器的傳熱系數(shù)與傳熱溫差的關(guān)系，對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，圖 太陽能加熱的沼氣生產(chǎn)系統(tǒng) 太陽能恒溫沼氣 產(chǎn)氣性能研究 驗(yàn)證了在寒冷地區(qū)利用太陽能加熱制取沼氣是可以實(shí)現(xiàn)的。趙金輝 [41]等人提出了太陽能與沼氣池集成組裝的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過確定太陽能集熱器面積與沼氣鍋爐聯(lián)合運(yùn)行的匹配方式，保持池體溫度處于較好的發(fā)酵溫度，理論上解決了北方寒區(qū)冬季沼氣無法正常使用的瓶頸問題。戴蓉 [42]等實(shí)驗(yàn)研究了太陽能集熱面積、沼氣產(chǎn)量與輔助電量之間的關(guān)系，當(dāng)太陽輻射量為 ，集熱面積為 m2，可以保持 6 m3的發(fā)酵罐在北京最冷月發(fā)酵溫度在 20177。 1℃下穩(wěn)定運(yùn)行，池容產(chǎn)氣率可達(dá) ～ m3/m3d，并且比較研究了太陽能沼氣在 1 20和 25℃下的產(chǎn)氣效率，結(jié)果顯示 20℃需要集熱面積為 ,池容產(chǎn)氣量為 ～ m3/m3d，25℃下需要集熱面積為 ,池容產(chǎn)氣率為 ～ m3/m3d。因而得出在20℃下最經(jīng)濟(jì)，能源利用率最高。 薄軍 [43]等人 開發(fā)了一套多傳感器數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、上位機(jī)接收與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)裝置，對(duì)距監(jiān)測(cè)中心約 lkm左右的 某太陽能沼氣工程參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)太陽能沼氣工程參數(shù)的無線監(jiān)測(cè)。 李傳峰 [44]等人 設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型太陽能恒溫沼氣反應(yīng)裝置。該裝置利用太陽能加熱，消除自然氣候?qū)Πl(fā)酵的影響，自動(dòng)控制溫度，實(shí)現(xiàn)全天候高效發(fā)酵，且拆裝、維修、移動(dòng)快捷方便，自動(dòng)化程度高。通過對(duì)該裝置運(yùn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)良，發(fā)酵速度快，產(chǎn)氣率高以及沼氣成分中甲烷含量高。 張培棟 [45]等人 將太陽能暖圈技術(shù)引入到沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，據(jù)估算，一個(gè) 20m2的太陽能暖圈每天可為一個(gè) 8m3沼氣池提供 96． 48 kJ熱量。使冬季沼氣池溫度維持在 15℃左右，日產(chǎn)沼氣 1． m3，一年中以產(chǎn)氣 300d計(jì)算，年產(chǎn)沼氣 450600m3。年可提供熱量 56527536 MJ。 謝列先 [46]設(shè)置在 4個(gè)獨(dú)立單池容積 8m3的沼氣池進(jìn)行試驗(yàn)，其中選擇 2個(gè)為加熱池，另 2個(gè)為未加熱對(duì)比池。在酸堿度、進(jìn)料量和常規(guī)條件基本相同的情況下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，利用太陽能熱水器加熱沼氣池在技術(shù)上是可行的，增溫效果明顯，且平穩(wěn)，可以提高的產(chǎn)氣 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)及對(duì)本課題的啟示 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié) 國內(nèi)外關(guān)于 太陽能 沼氣 的研究僅僅是 對(duì)其可行性進(jìn)行了分析， 熱力性能和經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及初步的實(shí)驗(yàn)研究，并沒有定量分析 沼氣成分、產(chǎn)氣量及系統(tǒng) 運(yùn)行的穩(wěn)定性和結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì) 系統(tǒng) 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳減排1234 567865 泵 圖 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 1234567891011128 器 圖 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 碩士學(xué)位論文 潛力的分析。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)本課題的啟示 針對(duì)現(xiàn)有研究成果，對(duì)利用 太陽熱能加熱的沼氣池 可做以下幾方面的研究： 1)實(shí)驗(yàn)研究太陽能加熱的恒溫沼氣池的 沼氣產(chǎn)量、氣體成分等 。 2)尋求太陽能集熱溫度與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵優(yōu)化匹配關(guān)系，確定最佳集熱面積，發(fā)酵罐體積及發(fā)酵溫度。 3）結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)太陽能恒溫沼氣 系統(tǒng) 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳減排潛力分析。 本課題研究的目標(biāo)、思路、內(nèi)容及意義 研究目標(biāo) 研究不同發(fā)酵溫度下發(fā)酵原料 的 產(chǎn)氣量及氣體成分 ， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益以及社會(huì)效益分析 。 研究思路 本課題通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同發(fā)酵溫度 (常溫、 30℃、 37℃和 52℃ )下沼氣產(chǎn)量及氣體成分， 以及太陽能恒溫沼氣的產(chǎn)氣性能 ，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì) 太陽能恒溫沼氣系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳減排潛力分析。 研究內(nèi)容 1)在發(fā)酵濃度為 8%，接種量為 30%時(shí)，試驗(yàn)常溫、 30℃ 、 37℃和 52℃下牛糞的產(chǎn)氣性能； 2) 在發(fā)酵濃度為 4%，接種量為 30%時(shí)，試驗(yàn) 30℃、 37℃和 52℃下牛糞的產(chǎn)氣性能； 3) 在發(fā)酵濃度為 8%，接種量為 30%時(shí)，試驗(yàn)常溫、 30℃、 37℃和 52℃下牛糞 與蓮花菜混合時(shí) 的產(chǎn)氣性能 。 4)進(jìn)行中試試驗(yàn)研究 太陽能恒溫沼氣產(chǎn)氣性