節(jié)能減排比賽說明書《光伏-沼氣-單車儲能一體化系統(tǒng)》參考項目(word完整版)全國大學(xué)生節(jié)能減排比賽

校園光伏、沼氣、單車發(fā)電儲能一體化系統(tǒng)設(shè)計說明書作品內(nèi)容簡介本團隊基于某高校前期問卷調(diào)查的分析結(jié)果，設(shè)計了一套校園光伏、沼氣、單車發(fā)電儲能一體化系統(tǒng)，來幫助校園用戶實現(xiàn)節(jié)能減排、增加效益。申報書重點介紹了本套系統(tǒng)的研制背景及意義、設(shè)計方案、理論設(shè)計計算、工作原理、性能分析、經(jīng)濟性能分析、創(chuàng)新點和應(yīng)用場景等方面。在設(shè)計方案方面，分別重點介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)、單車系統(tǒng)組成、運行關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)整體運行狀態(tài)。在理論計算方面，重點介紹了光伏發(fā)電經(jīng)濟性、團隊走訪調(diào)查研究結(jié)果。同時，對光伏、沼氣、單車發(fā)電的經(jīng)濟性和節(jié)能減排數(shù)值進行了計算分析。計算結(jié)果表明：系統(tǒng)節(jié)能減排潛力巨大，經(jīng)濟收益性良好。在工作原理和性能分析方面，重點介紹了系統(tǒng)運行工作過程和各系統(tǒng)裝機容量和運行參數(shù)等。在創(chuàng)新方面：系統(tǒng)采用雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)和360°聚光罩集中進行采光，提高了光伏發(fā)電效率。采用余熱循環(huán)系統(tǒng)回收沼氣發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱，保障系統(tǒng)正常運行。單車發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置個性化齒輪變速裝置和穩(wěn)壓裝置，保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，滿足不同人群需求。在應(yīng)用場景方面，本套系統(tǒng)可以在充電業(yè)務(wù)、冷熱電三聯(lián)供、娛樂場合發(fā)電、校園光伏發(fā)電等可以得到大力推廣，獲得良好的經(jīng)濟效益。1研制背景及意義目前，我國以煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源為主，資源十分有限。常規(guī)能源的大量使用也會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因而，開發(fā)清潔能源系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能減排，促進國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展勢在必行。美國，歐洲、日本等國在光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、沼氣工程技術(shù)的發(fā)展都較為成熟，尤其是德國、瑞典、丹麥等國家在沼氣發(fā)電工程技術(shù)最為成熟，政策配套較為完善。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，截至2016年，德國已建成沼氣工程9004處，總裝機容量已達(dá)到4018MW[1]。太陽能在我國資源分布十分豐富，其中全國2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2200小時，太陽能發(fā)電和太陽能熱水器，已被廣泛應(yīng)用到我國各個領(lǐng)域[2]。沼氣發(fā)電技術(shù)在我國發(fā)展的較為成熟，但是目前國內(nèi)沼氣發(fā)電領(lǐng)域主要以小型項目為主。截至2016年底，全國沼氣用戶已達(dá)到4380萬戶，全國規(guī)?；託夤こ桃寻l(fā)展到11.34萬處[3-9]。由于中溫厭氧發(fā)酵原料產(chǎn)氣率較高，具有良好的經(jīng)濟效益，被大多數(shù)沼氣工程選擇[10-12]。單車發(fā)電具有節(jié)能環(huán)保，健康養(yǎng)生的特點，在我國具有廣泛的發(fā)展前景。然而國內(nèi)外，目前對于清潔能源的使用大多是依靠單一系統(tǒng)，綜合使用效率低下，因此開發(fā)一套具有多種清潔能源聯(lián)合發(fā)電功功能的系統(tǒng)，提高能源的綜合利用率和穩(wěn)定性，十分有必要。目前，國內(nèi)有3005所高校，在校學(xué)生約3000萬。龐大的學(xué)生人數(shù)和校園建筑規(guī)模，導(dǎo)致每年產(chǎn)生大量的食物傾倒和能源浪費。為此，本團隊開發(fā)校園光伏、沼氣、單車發(fā)電儲能一體化系統(tǒng)，以實現(xiàn)節(jié)約能源，實現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo)。2設(shè)計方案2.1光伏-沼氣-單車發(fā)電儲能一體化系統(tǒng)本系統(tǒng)由光伏、沼氣、單車三套發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電，共同給儲能裝置進行充電。儲能裝置充電后，可以給校園用戶提供所需電力。能源調(diào)控系統(tǒng)對三套發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電運行和輸配電調(diào)度管理。能源運行調(diào)控系統(tǒng)：為了避免儲能過載充電，導(dǎo)致系統(tǒng)故障事故發(fā)生，儲能裝置設(shè)置自動充斷電裝置，確保儲能裝置的安全運行。此外，各發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置獨立的并網(wǎng)裝置，在用電高峰和儲能裝置充電過載時，各系統(tǒng)可以獨立并入電網(wǎng)給系統(tǒng)供電。為了保證系統(tǒng)設(shè)備運行安全和人員生命安全，設(shè)備設(shè)置過載保護裝置和漏電保護接地裝置。光伏-沼氣-單車發(fā)電儲能一體化系統(tǒng)原理圖如下：圖1光伏-沼氣-單車發(fā)電儲能一體化系統(tǒng)原理圖2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：光伏板組件；（2）并網(wǎng)逆變器；（3）輻照儀；（4）溫度檢監(jiān)測儀；（5）配電箱；（6）匯流柜；（7）數(shù)據(jù)監(jiān)控控制系統(tǒng)；（8）太陽能跟蹤系統(tǒng)；（9）儲能裝置太陽能光伏板組件吸收太陽輻射光能，將太陽能轉(zhuǎn)化成為直流電，再通過并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波的交流電流，給儲能裝置充電。匯流柜用來收集各個太陽能光伏板組件產(chǎn)生的電量。配電箱用來給各校園用戶提供電力輸配。光伏發(fā)電系統(tǒng)具體運行過程如圖2所示。圖2光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖考慮到太陽能可能比較充足時，系統(tǒng)產(chǎn)電量多余和儲能裝置容量有限等情況，系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電過多時，可以經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電直接供給校園用戶來使用。溫度儀和輻照儀用來監(jiān)測系統(tǒng)溫度變化和太陽輻射強度。數(shù)據(jù)監(jiān)控控制系統(tǒng)監(jiān)測到這些參數(shù)后，通過太陽能跟蹤系統(tǒng)對太陽能光伏板組件運行角度姿態(tài)進行調(diào)整，保障太陽能光伏板運行狀態(tài)。當(dāng)光照不足或電網(wǎng)異常時，系統(tǒng)自動停止運行。2.3沼氣發(fā)電系統(tǒng)沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要由以下裝置組成：（1）發(fā)酵裝置；（2）脫硫裝置；（3）儲氣柜；（4）內(nèi)燃機；（5）發(fā)電機；（6）余熱回收裝置；（7）儲能裝置圖3沼氣發(fā)電系統(tǒng)原理圖沼氣發(fā)電系統(tǒng)采用中溫發(fā)酵原理，將從校園傾倒的剩飯、剩菜、污廢水、有機垃圾等作為原料制備沼氣。沼氣經(jīng)過脫硫裝置處、除水器等處理后，進入儲氣柜中存儲。儲氣柜的沼氣引入內(nèi)燃機燃燒后，驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。產(chǎn)生的直流電經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化系統(tǒng)變成交流電，給儲能裝置充電，最后供給校園用戶使用。考慮到發(fā)酵溫度需要維持在一定范圍內(nèi)，因此采用余熱回收裝置回收內(nèi)燃機產(chǎn)的余熱，保障中溫發(fā)酵裝置內(nèi)的發(fā)酵溫度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，每臺熱回收裝置完全運行每小時可產(chǎn)生600～800kg的80～90℃熱水（從25℃加熱到80℃）[4]。余熱回收裝置可以明顯提高機組的能量綜合利用率。本沼氣發(fā)電系統(tǒng)，采用余熱循環(huán)水鍋爐對發(fā)電機和內(nèi)燃機產(chǎn)生的余熱煙氣進行熱量回收，確保發(fā)酵溫度，提升沼氣熱電綜合利用效率。2.4單車發(fā)電系統(tǒng)單車發(fā)電系統(tǒng)主要有以下幾大部分組成:（1）單車；（2）變速器裝置；（3）發(fā)電機；（4）電路系統(tǒng)；（5）液壓伺服圖4單車發(fā)電系統(tǒng)整車模型圖工作過程：液壓伺服系統(tǒng)，支撐起整個單車，使得單車前后輪懸空。車輪和輪軸運轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生的動能通過發(fā)電機產(chǎn)生交流電。產(chǎn)生的交流電通過電路轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（斬波器、逆變器等）轉(zhuǎn)化成直流電，存儲到儲能裝置中。單車發(fā)電系統(tǒng)原理如上圖4所示：圖4單車發(fā)電系統(tǒng)原理圖表1機構(gòu)轉(zhuǎn)速比值檔位前輪踏板發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速檔3131.5中速檔2.5126.25低速檔2121變速裝置：單車裝上齒輪變速裝置，其中減速齒輪帶動高速齒輪轉(zhuǎn)動，高速齒輪通過聯(lián)軸器連接發(fā)電機軸，從而帶動發(fā)動機進行發(fā)電?？紤]到人體差異、運動狀態(tài)、單車啟停變化等因素，單車設(shè)置成高速檔，中速檔，低速檔三種模式，來滿足不同人群需要。通過齒輪星輪系和軸距，改變不同運動速度的切換，具體部件轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比數(shù)值如上表1所示[4]：軟件和配套設(shè)施：可以開發(fā)相關(guān)人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)算法軟件和手機APP，實現(xiàn)音樂播放，視頻播放，智能聯(lián)網(wǎng)，記錄運動數(shù)據(jù)信息和單車發(fā)電運行數(shù)據(jù)，個性化運動模式推薦等功能，激發(fā)不同用戶運動興趣，調(diào)節(jié)單車運行狀態(tài)，增加發(fā)電量。2.4儲能裝置設(shè)置8個儲能裝置與發(fā)電裝置通過電路系統(tǒng)相連。部分儲能裝置在用電高峰可以通過電路系統(tǒng)給用戶輸電，另外一部分儲能裝置可以接收來自發(fā)電裝置的電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)和單車發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的是交流電，而交流電不能直接被儲存。直流電通過逆變器和電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的交流電，進行存儲。儲能裝置具體類型和型號的選擇可以根據(jù)發(fā)電容量大，使用壽命，投資經(jīng)費，建設(shè)場地等信息選擇最優(yōu)配置。3理論設(shè)計計算本團隊調(diào)查某具有代表性的中等規(guī)模高校表明（調(diào)查結(jié)果見附件）：該?？捎糜诜笤O(shè)太陽板建筑面積約2.53萬m2，每年產(chǎn)生8600噸廢物可用于沼氣發(fā)電。其中223份有效問卷調(diào)查顯示，78.92%的學(xué)生有意愿使用單車進行健身，運動時長10-30分鐘/日占比71.75%。根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)模型結(jié)果[12-15]，本系統(tǒng)在總裝機總?cè)萘可线x擇1MW為例，進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)發(fā)電效率、使用壽命、電源電力成本等因素，得到各系統(tǒng)最佳選型配置參數(shù)如下表2所示（配置選型過程詳見下一節(jié)性能分析）。表2發(fā)電系統(tǒng)裝機配置參數(shù)類型發(fā)電效率年發(fā)電（kW/h）使用壽命（年）投資成本（萬）光伏≥0.80.8x10625650沼氣0.3~0.430.15x10620180單車≤0.580.05x1061020系統(tǒng)經(jīng)濟性分析：對個系統(tǒng)經(jīng)濟性進行分析，計算結(jié)果如下表3所示，其中儲能裝置和運行管理等其他費用已計入投資成本中。本系統(tǒng)年發(fā)電量約為100萬kWh，其中光伏發(fā)電0.8x106kW/h，沼氣發(fā)電0.15x106kW/h，單車發(fā)電0.05x106kW/h。電價以商業(yè)電價0.8元/kWh來計算。表3系統(tǒng)經(jīng)濟性分析類型投資成本（萬）投資收益（萬）經(jīng)濟效益（萬）回收期（年）總收益率光伏6501600947.210.2145.20%沼氣165240751536.36%單車3040207.533.33%總值84518801042.2--123.34%1）光伏發(fā)電系統(tǒng)投資成本：650萬元；年節(jié)省電費：0.8元×0.8×106=64萬元，投資收益：64×25=1600萬元；投資回收期10.2年，此后14.8年內(nèi)，經(jīng)濟效益14.8×64=947.2萬元，年化收益率947.2/(650×25)=5.82%,總收益率145.72%2）沼氣發(fā)電系統(tǒng)投資成本：165萬元；年節(jié)省電費：0.8元x0.15×106=12萬元，投資收益：12×20=240萬元；投資回收期15年，此后5年內(nèi)，經(jīng)濟效益5×12=60萬元，年化收益率60/(165×20)=1.82%,總收益率36.36%3）單車發(fā)電系統(tǒng)投資成本：30萬元；年節(jié)省電費：0.8x0.05×106=4萬元，投資收益：4×10=40萬元；投資回收期7.5年，此后2.5年內(nèi)，經(jīng)濟效益2.5×4=10萬元，年化收益率10/(30×10)=3.33%,總收益率33.33%4）整套系統(tǒng)本系統(tǒng)總投資845萬元，產(chǎn)生投資效益1880萬元，經(jīng)濟效益1042.2萬元，總收益率為123.34%。5）節(jié)能減排效益經(jīng)過數(shù)學(xué)估算模型計算，月均發(fā)電量水平可達(dá)到70.3～75.1kWh/m2，系統(tǒng)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤404噸/年，減少CO2排量1105.28噸/年。4工作原理及性能分析工作原理：本系統(tǒng)由光伏、沼氣、單車三套發(fā)電系統(tǒng)組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，共同給儲能裝置進行充電。儲能裝置充電后，可以作為別用電源給校園用戶提供所需電力。系統(tǒng)具體工作過程前面章節(jié)已有詳細(xì)介紹。1）光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量依據(jù)用戶負(fù)載平均容量、負(fù)載日用電時數(shù)，太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻照量確定。本系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)機容量為:M=(M0×D0×Ft×Es)/(H1×K0)=(12.5×106×1.2×1.0)/(1.9×0.85)=0.93x106kwh其中M：光伏系統(tǒng)裝機容量（kWh）；M0：負(fù)載平均容量（kW），D0-負(fù)載日用電時數(shù)（h）；Ft：裕量系數(shù)，取值范圍1.2~2.0；ES：標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)）（1kW/m2）。H1:最差月份日均水平面太陽總輻照量（kWh/m2/日）；K0：光伏系統(tǒng)綜合效率系數(shù)，0.85；2）沼氣發(fā)電系統(tǒng)參考相關(guān)文獻(xiàn)已知[13]，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為55%~60%，發(fā)電機組電轉(zhuǎn)換效率為30%~43%。若甲烷體積分?jǐn)?shù)按55%考慮，熱值取19.75MJ/m3，效率取40%，則每立方米沼氣可產(chǎn)電量為19.75×40%/3.6=2.19(kW·h)。根據(jù)沼氣量的變化情況和內(nèi)燃機特性，設(shè)置了2臺，0.85x105kw/h的內(nèi)燃機發(fā)電機組。3）單車發(fā)電系統(tǒng)參看相關(guān)文獻(xiàn)[14~15]發(fā)電機計算與參數(shù)確定:1)健身者運動時功率為150~500W,考慮各種損耗，單車發(fā)電機額定功率150~400W。2)額定電壓12~24V、額定轉(zhuǎn)速R=1000~3000r/min。選擇永磁式發(fā)電機，發(fā)電容量0.18x106kw/h。4）儲能裝置容量計算儲能裝置的電池容量可以根據(jù)負(fù)載平均功率、最長無光照期間用電時數(shù)和負(fù)載的放電深度系數(shù)確定的，其計算容量為下列公式：C=T×K1×P0/(U×R)=(0.55×10×1.05）/(0.6x0.8)=12.03A·h其中T：最長無光照期間用電時數(shù)（h），取10；K1：蓄電池放電修正系數(shù)，取1.05；P0：負(fù)載平均功率（kW）；U：蓄電池放電深度，取0.6；R-包括儲能裝置總效率，取0.8。綜合考慮蓄電池的特性并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)計算，本方案選用8臺12V/250A?h的閥控式全密封鉛酸蓄電池，以供負(fù)載使用。5創(chuàng)新點及應(yīng)用場景創(chuàng)新點（1）針對太陽光照強度不穩(wěn)定的特點，系統(tǒng)采用雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)和360°聚光罩，保障系統(tǒng)獲得足夠的光照輻射強度，提高發(fā)電效率。（2）鑒于人體體質(zhì)差異及運動啟停變化導(dǎo)致單車轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的特點，系統(tǒng)設(shè)置了齒輪變速裝置和穩(wěn)壓裝置，滿足人體個性化需求，保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。（3）沼氣發(fā)電系統(tǒng)，采用余熱循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機排放的高溫?zé)煔猓Ｕ狭酥袦匕l(fā)酵系統(tǒng)的溫度均恒的同時，也提升了系統(tǒng)能源利用率。（4）開發(fā)相關(guān)人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)算法APP，提供個性化運動模式推薦等功能，激發(fā)不同用戶運動興趣，調(diào)節(jié)單車運行狀態(tài)，增加發(fā)電量。應(yīng)用場景充電業(yè)務(wù)：目前，我國新能源電動車和共享電動車行業(yè)蓬勃發(fā)展，市場規(guī)模日益增長，然而很多城市充電及參數(shù)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后。本發(fā)電系統(tǒng)可以在校園、停車場、收費站、高速路休息區(qū)、城市停車位等地提供充電業(yè)務(wù)，增加經(jīng)濟收益。冷熱電三聯(lián)供：沼氣發(fā)電裝置產(chǎn)生的熱水，可以與溴化鋰吸收式制冷機組、余熱鍋爐等結(jié)合在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)制冷、供熱、發(fā)電三聯(lián)供。健身娛樂:全國共有3005所高校，在校學(xué)生人數(shù)超過3000萬人，使用單車健身的人數(shù)廣泛，為單車發(fā)電系統(tǒng)提供了良好的應(yīng)用場景。單車發(fā)電系統(tǒng)，可以作為一個健身娛樂的設(shè)施，推廣到學(xué)校周邊健身房，公司、娛樂場合等地滿足人們的個性化需求。（4）隨著國家對新能源政策的扶持和技術(shù)迭代升級，投資成本將更低，經(jīng)濟效益更加明顯。2017年至今，光伏系統(tǒng)建造成本降低約30%，價格低至4元/W，組件低至2元/W。校園大量的空置區(qū)域，比如屋面、墻體、公告欄等地可以用來安裝分布式光伏發(fā)電站，為校園光伏車棚、充電樁、日常用電提供電力。參考文獻(xiàn)TorrijosM.StateofdevelopmentofbiogasproductioninEurope[J].ProcediaEnvironmentalSciences.2016,35:881-889．袁艷文，劉昭，趙立欣．生物質(zhì)沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀分析．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，49(6)：28-32中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部．中國農(nóng)業(yè)出版社，667-2011劉紅濤，莊博文，趙亞南．健身單車發(fā)電系統(tǒng)裝置的研究．技術(shù)平臺，2014(4)：5吳曉梅，吳斌．規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣發(fā)電工程實例分析．能源與環(huán)境，2018（2）：67-70日本能源學(xué)會．生物