基本信息
- 项目名称：
- 自适应WLB（风光气）三维集中网络供电供热装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本装置是利用太阳能、风能、沼气发酵互补特性的新型供电供热装置，可有效解决无风或无阳光或无沼气供应中断问题，能提高供电、供热稳定性和可靠性，属于多重能源生产利用技术领域。产品直接应用于可再生能源技术领域，采用的主要技术有：自适应模糊控制技术，复合式平板热管太阳能电池板设计，同轴双转子风机设计，浮罩式生物质能发酵装置体设计。可实现恒温反应、连续加料不漏气、无动力连续卸料、无动力固液分离和沼液循环利用。
- 详细介绍：
- 作品分为四个模块来完成主体构架，主要有连续式生物质能发酵装置的更新与设计、同轴多转子风机的更新与设计、自动寻光太阳能帆板发电装置的更新与设计以及驱动三个装置合理优化工作的自适应WLB（风光气）三维集中网络供电供热自动控制系统。 装置优势：1、本设计采用的各个系统保证仅靠人力就可以完成整个沼气生产过程。对小户型生产具有实际意义。2、操作无动力。本装置采用圆筒锥体（上、下部接口处采用流线型设计）设计，利用重锤提升堵口系统来控制出料，实现无动力人工操作自动卸料，使沼液、沼渣合理卫生的排放。该系统的优点是供电可靠性高， 运行维护成本低。3、大小灵活、适用范围广。本装置可作成4 m³、6 m³、8 m³等不同大小型号，安装、拆卸及转移方便。实现连续加料后，产气量可维持一家照明、洗澡、日常做饭使用，适用于农村小户沼气生产和城市小区有机废弃物处理。4、太阳能板可灵活安装。本设计利用复合式平板热管太阳能电池板既能供电也能加热水。太阳能可依据安装地实际情况进行放置，操作方便。5、同轴多转子风机可灵活安装。本设计利用同轴双转子风机发电。风机可根据安装地实际情况进行放置，操作方便。6、采用联锁机械发条式自转动太阳能迎光风机联锁机械发条式自转动设备实现复合式平板热管太阳能电池板自动迎光。7、利用太阳能、风能的互补特性，可以获得比较稳定的总输出，有效解决无风或无阳光电力供应中断问题，提高供电的稳定性和可靠性，在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。8、对风电和光电、沼气利用进行合理的设计和匹配后，可以基本上保障用户电力供应，无需配备其他电源。本设计所需主要零部件有双层真空结构圆筒锥体池体、复合式平板热管太阳能电池板、同轴双转子结构风机、联锁机械发条自转动装置、自适应控制装置、控制器、逆变器、离心式螺旋齿固液分离器、重锤提升及搅拌杆（铝合金材料）、轴承（3个）、螺母（数个）、变压器。4立方米池体自适应WLB（风光气）三维集中网络供电供热装置的造价5200元，6立方米的大概需要5700元。小户型连续式恒温生物质能发酵装置可供小户人家做饭照明，每年大约节约电费850元，燃料费2100元，每个装置可使用15年以上，经济效果好。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：有效解决传统风光互补供电装置转化率低、结构复杂不易维护等不足之处，实现太阳能，风能，生物质能三者的高效富集和适时、适量调节，使产能最优；解决生物质能发酵时温度不恒定、产气率低、进料不连续、出料不连续且有安全隐患、沼液沼渣循环利用率低下等技术难题。最终能实现独立供电、供热，合理高效分配绿色能源，走清洁生产、循环经济和可持续发展的战略宏图。创新点：1、集风能、太阳能、沼气于一体的综合利用设备。2、池体采用双层真空结构实现沼气发酵恒温发酵，自动控温。采用螺旋齿状出料器与浮罩式顶盖，实现进出料连续不漏气，发酵过程不中断3、采用复合式平板热管太阳能电池板，同轴多转子结构风机。4、经济效益好、体积小、安装拆卸方便，适合多种地形。主要技术关键：1、控制模块设计2、风、光系统设计3、生物质能发酵装置设计主要技术指标：1、沼气发酵系统，塑料材料池体壁厚6—8mm，加胶衣时可达到80mPa以上。4m3正常工作气压小于4Kpa；极限承压6Kpa。气容量：总池容的1/5，采光面积日光温室大于1～2 m2/ m3，自重:小于13kg/ m3，沼气占地面积：0.6～1.5 m2/m3。3、复合式平板热管太阳能电池板发电系统电池采用多晶硅制作工艺，其光电转换效率约12％左右，利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17％。面板采用多组件平面网状拼接，中间沟槽铺设热管散热装置。4、同轴多转子风机发电系统。起动风速：1.5m/s，额定风速：8m/s，额定功率：400W
科学性、先进性
- 近年来，我国在绿色能源利用方面获得了迅速的发展。特别是在建设新农村政策的号召下，综合型开发和利用能源的设备前景广阔。现有绿色能源利用装置中主要存在风光互补系统装置、沼气发酵装置这两大类。可是两者都存在各自的缺点，使得现有能源利用装置的局限性较大。通过对现有农村风光互补系统装置、沼气发酵装置进行全面细致的分析，探究目前上述装置的技术难点，并通过合理的结构设计，经过科学、严谨的实验验证，打造出一款能真正解决目前农村绿色能源综合利用的装置。太阳能利用将采用复合式平板热管太阳能电池板，并进一步改进传统结构。兼备热能与电能双吸收，同时有利于电池板散热，有效提高效率30%左右。风能利用将采用同轴多转子风机，减小风机阻力，提高转化效率，实现效率最大化。沼气发酵装置采用螺旋齿状出料器与浮罩式顶盖，实现进出料连续不漏气，发酵过程不中断。同时采用双层真空节能保温设计解决温度原因产生的产率低，季节短等问题。通过实验研究得出，能高效完成池体保温，确保冬季沼气发酵温度。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年4月29日在学校举办的第四届“创新杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获科技发明制作类一等奖。 2011年5月21日，在省级举办的第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛终审决赛中荣获科技发明制作类一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 委托中介机构
作品可展示的形式
- 模型 图纸 现场演示图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：1、新型发酵装置，改进开发出浮罩式顶盖及螺旋齿状出料器解决了进出料不连续，废料不成形等问题，有利于绿色肥料的产出利用与推广，更大胆采用双层真空保温池体及热管增温，实现池体恒温高效发酵，提高产气率，延长发酵周期，增强抗环境影响能力。2、同轴多转子风机，竖直转轴，阻力小，自动迎风，多转子机身，产电效率高。3、复合式热管太阳能电池板，创新提出热能电能双吸收模式，机械发条迎风装置，大大提高太阳能使用效率，有利于太阳能使用的进一步推广。适用范围：由于自身抗环境能力强，设计可做成不同尺寸，安装及拆卸方便，适用范围广。以贵州为例开始试用，最终推广全国。推广前景及经济效益：新农村开始建设以来，环保节能日益突出，新型绿色能源开发利用成为当今社会发展主流。而“风光气”为一体的家庭供能装置顺应发展潮流，前景广阔。设计做成4立方米，即可供一户人家做饭、照明、洗澡等使用。每个造价约5200元，每户每年节约电费约850元，燃料费约2100元，每个装置可使用15年以上，经济效益好。
同类课题研究水平概述
- 近年来 ，国内外对风光互补发电系统的研究主要集中在系统的优化设计和合理配置方面对小型风光互补供电系统在系统的组成与控制、设备的选用以及系统仿真等的研究较为成熟。加拿大Saskatchewan大学RajeshKarki等人研究了独立小型风光发电系统的成本及可靠性，得出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低发 电成本、提高系统可靠性的重要途径，并指出互补发电系统扩容的可行性。在国内，香港理工大学 同中科院广州能源所、半导体研究所合作提出了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。该方法采用了更精确地表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。另外，合肥工业大学能源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型，用户可以重构多种结构的风光复合发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率等。华南理工大学设计 了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输。在亚洲的其他一些国家，泰国利用TRNSYS16暂态仿真软件对风光互补发电系统进行了成本评估，马来西亚的研究人员采用遗传算法程序对净成本最低化和配置最优化进行了分析研究，孟加拉国研究人员根据拟牛顿算法对风光互补独立发电系统进行了优化配置。国内沼气发酵多为小型地埋式水泥池体或玻璃钢池体，国外主要发展大中型沼气工程，用于发电和驱动列车，其中发展迅速的国家是德国、瑞典、丹麦、美国、英国、日本、荷兰。由于实施热电联用（依靠发电余热给厌氧消化装置增温、保温），即使在冬季环境气温低至-20℃，沼气工程仍然运行良好，中温装置产气率为1.2～1.8 m3-3d-1，高温装置产气率为2.0～3.0 m3-3d-1。德国、丹麦、荷兰等发达国家的沼气工程装备已达到了设计标准化、产品系列化、生产工业化，质量得到有效控制。工程装备的组装技术也达到模块化、规范化。德国的大型厌氧消化装置（容积为2000～5000m3）为圆柱形立式罐，多为钢结构；中小型厌氧消化装置（容积在200～1500m3）多为圆柱形立式罐、钢结构或钢筋混凝土结构。二级厌氧消化装置（立式罐）顶部常常装有双膜储气罩，构成了发酵、储气一体化装置，既节省了单独设立储气装置的费用和占地面积，又解决了在寒冷地区冬季储气装置水封防冻的问题。
