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PTC太阳能加热装置在沼气工程的应用研究

作　者: Amro Ahmed Mohamed Hassanein
导　师: 邱凌
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 沼气 太阳能热水 跟踪系统 聚光型太阳能 经济分析 Energyplus温室
分类号: TK515
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


在中中北方,如果没有合适加热设备的沼气装置往往无法实现全年连续产气,尤其是在冬季,没有加热设备的沼气装置将不能稳定,高效产气。此外,沼气装置的加热设备还必须便宜、可靠、对环境无害、能产生较高温度以及高效,使用可再生能源作为沼气装置的外加热源可以满足上述条件,这正是本文研究的内容。咸阳地区直射及散射的太阳辐射量显示,在该地区可以使用太阳能加热沼气装置以提高其发酵温度。沼气装置内外温度的关系是决定加热设备设计的一个重要的因素,根据第二章所述,沼气装置内部的温度对沼气产量影响很大,当装置内温度下降时,沼气产量也下降。在第四章中,使用energy plus这一能量模拟软件结合气象资料对沼气装置的加热进行了8760小时的模拟。第四章分为两部分,第一部分是对两个位于地上的沼气装置的模拟,其中一个沼气装置有加热设备而另一个没有。第四章的第二部分是对于两个位于地下的沼气装置的模拟,一个使用温室结合太阳能的加热装置,另一个没有加热装置。结果表明,使用温室结合太阳能加热的效果好于其他三个,但是这一加热系统并不能达到最理想的温度,所以我们改进了这一装置,使用聚光型太阳能进行加热。与使用两个真空管相比,使用一个放置于抛物面焦线上的真空管的聚光型太阳能效率较低,这主要是因为太阳高度角的变化较大,所以正如第三章所述的那样,使用两个真空管能够产生更多的热量。在第五章中,一个位于地下的沼气装置被作为研究主体,该沼气装置体积为100 m3,位于陕陕省润镇中学校园内。该装置使用人粪尿作为发酵原料,并且每日进料。润镇地区一月份平均-1.6 oC,最低气温-15 oC,该地区平均太阳辐射量为4.5 kwh/m2。本研究的目的就是研究使用聚光型太阳能增进沼气生产的可行性。润镇中学使用的系统包括温室以及聚光型太阳能加热装置,两者结合使得沼气装置达到合适的温度。聚光型太阳能用来加热沼气装置及教室。该使用聚光型太阳能的加热装置可以保证全年沼气生产正常。当气温突然下降,控制单元将使得外加热源开始工作,补充反应装置所需的热量,以保证正常的温度。在冬季,聚光型太阳能系统使得沼气产量增加到每天12 m3,所产沼气输送到学校厨房用作炊事之用。润镇中学聚光型太阳能总的效益为16104元,为60间教室供暖,并且减少CO2排放788.950 ~ 1075.830吨。使用温室以及聚光型太阳能加热是十分合适的加热方式,故推荐利用太阳能加热促进沼气生产。此外,温室内部的剩余空间可以用来种植。未来的加热系统将使用聚光型太阳能以及双面温室,新的设计将使得沼气装置内部温度以及沼气产量更高。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
CHAPTER 1: GENERAL INTRODUCTION  12-22
  1.1. Fossil fuel and renewable energy  12-13
    1.1.1. Fossil fuel  12
    1.1.2. Renewable energy  12-13
  1.2. Global energy gap  13
  1.3. Effect on environment  13-14
  1.4. Biogas  14-17
    1.4.1. Temperature  15-16
    1.4.2. pH value  16
    1.4.3. Percentage of solids  16-17
  1.5. Solar energy  17-18
    1.5.1. Flat solar heater  17-18
    1.5.2. Solar collector  18
  1.6. Using solar energy for heating biogas digester  18-19
  1.7. Preface of study  19-20
  1.8. Some software used in study  20
    1.8.1. AutoCAD  20
    1.8.2. SketchUp  20
    1.8.3. MATLAB  20
    1.8.4. EnergyPluse  20
    1.8.5. Openstudio Plug-in  20
  1.9. Innovation  20-22
CHAPTER 2: PROBLEMS STATEMENT: EFFECT OF CHANGING AMBIENT TEMPERATURE DIRECTION ON BIOGAS PRODUCTION  22-34
  2.1. Introduction  22
  2.2. Material and methods  22-25
    2.2.1. The experiment design and unit setup with measurement tools  22-24
    2.2.2. Biogas digesters  24
    2.2.3. The fermentation material and inoculants  24-25
    2.2.4. Gas production  25
    2.2.5. Temperature measurement  25
  2.3. Result and Discussion  25-32
    2.3.1. The relation between ambient temperature and the temperature inside the digesters  26-27
    2.3.2. The relation between the temperature inside the digesters and gas production  27
    2.3.3. The relation between the temperature inside the digesters and gas production in outdoor group  27-29
    2.3.4. The relation between the temperature inside the digesters and gas production in control room group  29-31
    2.3.5. Comparisons between the gas productions with different Ts in the two groups  31-32
  2.4. Conclusion and summary  32-34
CHAPTER 3: DESIGN AND NUMERICAL SIMULATION OF PARABOLIC TROUGH SOLAR COLLECTOR (PTC) FOR IMPROVE THE EFFICIENCY  34-53
  3.1. Introduction  34-35
  3.2. Design of PTC  35-47
    3.2.1. Focal point and Parabola design  37-45
      3.2.1.1. Focal point  37-38
      3.2.1.2. Frame Design  38-45
    3.2.2. Heating pipe  45-46
    3.2.3. The surface area of solar collector  46-47
  3.3. Solar energy calculation  47-52
    3.3.1. The solar energy flux incident on a tilted surface per day  47-50
      3.3.1.1. Extraterrestrial radiation on a horizontal surface outside earth's atmosphere (Ho)  47-48
      3.3.1.2. Total solar radiation flux incident on horizontal surface of the ground (H)  48-49
      3.3.1.3. Ratio of monthly average radiation on a horizontal surface to the monthly average daily extraterrestrial radiation (kt)  49
      3.3.1.4. Beam and diffuse components of daily radiation.  49
      3.3.1.5. Total solar radiation flux incident on a fixed slope surface(Ht)  49-50
    3.3.2. The solar energy flux incident on a tilted surface per Hour  50-52
      3.3.2.1. The clear sky beam radiation on a horizontal surface (Icb)  50-51
      3.3.2.2. The clear sky diffuses radiation on a horizontal surface (Icd)  51
      3.3.2.3. The clear sky total radiation on a horizontal surface(Ic)  51
      3.3.2.4. An hour clearness index(kt )  51
      3.3.2.5. Beam and diffuse components of radiation per hour  51
      3.3.2.6. Total radiation on tilted surface(IT)  51-52
  3.4. Conclusion  52-53
CHAPTER 4: SIMULATION OF SOLAR HEATING BIOGAS DIGESTERS ABOVE AND UNDER-GROUND FOR RAISING ORGANIC MATTER TEMPERATURE WITHOUT USING PTC  53-67
  4.1. Introduction  53
  4.2. Material and methods  53-57
    4.2.1. Biogas digester above ground  55
      4.2.1.1. Design of biogas digester above the ground  55
      4.2.1.2. Design of Solar heating system for biogas digester above ground  55
    4.2.2. Biogas digester underground  55-57
      4.2.2.1. Design of biogas digester underground  55
      4.2.2.2. Design of greenhouse  55-56
      4.2.2.3. Design of inlet  56-57
  4.3. Result and Discussion  57-65
    4.3.1. Environmental variables  57-59
    4.3.2. Biogas digester above ground (D1)  59-60
    4.3.3. Biogas digester above ground with heating system (D2)  60-61
      4.3.3.1. Biogas digester  60-61
      4.3.3.2. Heating system of Biogas digester above ground  61
    4.3.4. Biogas digester underground(D3)  61-62
    4.3.5. Biogas digester underground with inlet heating (D4)  62-65
      4.3.5.1. Biogas digester  63
      4.3.5.2. Inlet  63-64
      4.3.5.3. Greenhouse  64-65
    4.3.6. Comparison between four digesters  65
  4.4. Conclusion  65-67
CHAPTER 5: HEATING BIOGAS DIGESTER BY USING PTC AND GREEN HOUSE  67-83
  5.1. Introduction  67-68
  5.2. Material and methods  68-75
    5.2.1. Description of first part  68-72
      5.2.1.1. Biogas digester  69-71
      5.2.1.2. Solar heating system  71
      5.2.1.3. Greenhouse  71
      5.2.1.4. Design of hot water auxiliary  71
      5.2.1.5. Control unit  71-72
    5.2.2. Description of second part (Future design)  72-75
      5.2.2.1. Biogas digester  72-73
      5.2.2.2. Solar water heater  73-74
      5.2.2.3. The green house  74-75
  5.3. Result and Discussion  75-80
    5.3.1. Green house  75-76
    5.3.2. Solar water heater  76-77
    5.3.3. Biogas digester  77-80
    5.3.4. The new system  80
  5.4. Analyze of system and economic study  80-82
    5.4.1. Calculation of total energy for heating and Co2 emissions  80
    5.4.2. The overall energy collected by the system  80-81
    5.4.3. Economic study  81-82
  5.5. Conclusion  82-83
CHAPTER 6: CONCLUSION AND RECOMMENDATION  83-85
REFERENCES  85-90
LIST OF TABLE  90-91
LIST OF FIGURES  91-100
APPENDIX A  100-109
APPENDIX B  109-116
ACKNOWLEDGEMENT  116-117
CURRICULUM VITAE  117-119

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 特殊热能及其机械 > 太阳能技术 > 太阳能加热装置
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