PTC太阳能加热装置在沼气工程的应用研究

论文摘要

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。

论文目录

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