节能减排比赛说明书《光伏-沼气-单车储能一体化系统》参考项目(word完整版)全国大学生节能减排比赛

校园光伏、沼气、单车发电储能一体化系统设计说明书
作品内容简介
本团队基于某高校前期问卷调查的分析结果，设计了一套校园光伏、沼气、单车发电储能一体化系统，来帮助校园用户实现节能减排、增加效益。

申报书重点介绍了本套系统的研制背景及意义、设计方案、理论设计计算、工作原理、性能分析、经济性能分析、创新点和应用场景等方面。

在设计方案方面，分别重点介绍了光伏发电系统、沼气发电系统、单车系统组成、运行关键技术和系统整体运行状态。

在理论计算方面，重点介绍了光伏发电经济性、团队走访调查研究结果。

同时，对光伏、沼气、单车发电的经济性和节能减排数值进行了计算分析。

计算结果表明：系统节能减排潜力巨大，经济收益性良好。

在工作原理和性能分析方面，重点介绍了系统运行工作过程和各系统装机容量和运行参数等。

在创新方面：系统采用双轴太阳能跟踪系统和360°聚光罩集中进行采光，提高了光伏发电效率。

采用余热循环系统回收沼气发电系统产生的余热，保障系统正常运行。

单车发电系统设置个性化齿轮变速装置和稳压装置，保障系统正常运转，满足不同人群需求。

在应用场景方面，本套系统可以在充电业务、冷热电三联供、娱乐场合发电、校园光伏发电等可以得到大力推广，获得良好的经济效益。

1 研制背景及意义
目前，我国以煤炭、石油、天然气等常规能源为主，资源十分有限。

常规能源的大量使用也会造成严重的环境污染。

因而，开发清洁能源系统，实现节能减排，促进国民经济持续发展势在必行。

美国，欧洲、日本等国在光伏发电、风能发电、沼气工程技术的发展都较为成熟，尤其是德国、瑞典、丹麦等国家在沼气发电工程技术最为成熟，政策配套
较为完善。

据相关统计，截至2016 年，德国已建成沼气工程9004处，总装机容量已达到4018 MW[1]。

太阳能在我国资源分布十分丰富，其中全国2 / 3 以上地区年日照时数大于2200小时，太阳能发电和太阳能热水器，已被广泛应用到我国各个领域[2]。

沼气发电技术在我国发展的较为成熟，但是目前国内沼气发电领域主要以小型项目为主。

截至2016 年底，全国沼气用户已达到4380万户，全国规模化沼气工程已发展到11.34万处[3-9]。

由于中温厌氧发酵原料产气率较高，具有良好的经济效益，被大多数沼气工程选择[10-12]。

单车发电具有节能环保，健康养生的特点，在我国具有广泛的发展前景。

然而国内外，目前对于清洁能源的使用大多是依靠单一系统，综合使用效率低下，因此开发一套具有多种清洁能源联合发电功功能的系统，提高能源的综合利用率和稳定性，十分有必要。

目前，国内有3005所高校，在校学生约3000万。

庞大的学生人数和校园建筑规模，导致每年产生大量的食物倾倒和能源浪费。

为此，本团队开发校园光伏、沼气、单车发电储能一体化系统，以实现节约能源，实现“碳达峰”、“碳中和”的目标。

2 设计方案
2.1 光伏-沼气-单车发电储能一体化系统
本系统由光伏、沼气、单车三套发电系统联合发电，共同给储能装置进行充电。

储能装置充电后，可以给校园用户提供所需电力。

能源调控系统对三套发电系统进行发电运行和输配电调度管理。

能源运行调控系统：为了避免储能过载充电，导致系统故障事故发生，储能装置设置自动充断电装置，确保储能装置的安全运行。

此外，各发电系统设置独立的并网装置，在用电高峰和储能装置充电过载时，各系统可以独立并入电网给系统供电。

为了保证系统设备运行安全和人员生命安全，设备设置过载保护装置和漏电保护接地装置。

光伏-沼气-单车发电储能一体化系统原理图如下：
图1 光伏-沼气-单车发电储能一体化系统原理图
2.2 光伏发电系统
光伏发电系统主要由以下几个部分组成：
（1）光伏板组件；（2）并网逆变器；（3）辐照仪；（4）温度检监测仪；（5）配电箱；（6）汇流柜；（7）数据监控控制系统；（8）太阳能跟踪系统；（9）储能装置
太阳能光伏板组件吸收太阳辐射光能，将太阳能转化成为直流电，再通过并网逆变器将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波的交流电流，给储能装置充电。

汇流柜用来收集各个太阳能光伏板组件产生的电量。

配电箱用来给各校园用户提供电力输配。

光伏发电系统具体运行过程如图2所示。

图2 光伏发电系统原理图
考虑到太阳能可能比较充足时，系统产电量多余和储能装置容量有限等情况，系统产生的直流电过多时，可以经过并网逆变器转换成交流电直接供给校园用户来使用。

温度仪和辐照仪用来监测系统温度变化和太阳辐射强度。

数据监控控制系统监测到这些参数后，通过太阳能跟踪系统对太阳能光伏板组件运行角度姿态进行调整，保障太阳能光伏板运行状态。

当光照不足或电网异常时，系统自动停止运行。

2.3 沼气发电系统
沼气发电系统主要由以下装置组成：
（1）发酵装置；（2）脱硫装置；（3）储气柜；（4）内燃机；（5）发电机；（6）余热回收装置；（7）储能装置
图3 沼气发电系统原理图
沼气发电系统采用中温发酵原理，将从校园倾倒的剩饭、剩菜、污废水、有机垃圾等作为原料制备沼气。

沼气经过脱硫装置处、除水器等处理后，进入储气柜中存储。

储气柜的沼气引入内燃机燃烧后，驱动发电机进行发电。

产生的直流电经过电路转化系统变成交流电，给储能装置充电，最后供给校园用户使用。

考虑到发酵温度需要维持在一定范围内，因此采用余热回收装置回收内燃机产的余热，保障中温发酵装置内的发酵温度。

根据相关文献研究表明，每台热回收装置完全运行每小时可产生600～800kg 的80～90℃热水（从25℃加热到80℃）[4]。

余热回收装置可以明显提高机组的能量综合利用率。

本沼气发电系统，采用余热循环水锅炉对发电机和内燃机产生的余热烟气进行热量回收，确保发酵温度，提升沼气热电综合利用效率。

2.4 单车发电系统
单车发电系统主要有以下几大部分组成:
（1）单车；（2）变速器装置；（3）发电机；（4）电路系统；（5）液压伺服
图4单车发电系统整车模型图
工作过程：液压伺服系统，支撑起整个单车，使得单车前后轮悬空。

车轮和轮轴运转后，产生的动能通过发电机产生交流电。

产生的交流电通过电路转化系统（斩波器、逆变器等）转化成直流电，存储到储能装置中。

单车发电系统原理如上图4所示：
图4单车发电系统原理图
表1 机构转速比值
档位前轮踏板发电机转子
高速档3131.5
中速档 2.5126.25
低速档2121
变速装置：单车装上齿轮变速装置，其中减速齿轮带动高速齿轮转动，高速齿轮通过联轴器连接发电机轴，从而带动发动机进行发电。

考虑到人体差异、运动状态、单车启停变化等因素，单车设置成高速档，中速档，低速档三种模式，来满足不同人群需要。

通过齿轮星轮系和轴距，改变不同运动速度的切换，具体部件转子转速比数值如上表1所示[4]：
软件和配套设施：可以开发相关人工智能、神经网络机器学习算法软件和手
机APP，实现音乐播放，视频播放，智能联网，记录运动数据信息和单车发电运行数据，个性化运动模式推荐等功能，激发不同用户运动兴趣，调节单车运行状态，增加发电量。

2.4 储能装置
设置8个储能装置与发电装置通过电路系统相连。

部分储能装置在用电高峰可以通过电路系统给用户输电，另外一部分储能装置可以接收来自发电装置的电能。

光伏发电系统、沼气发电系统和单车发电系统产生的是交流电，而交流电不能直接被储存。

直流电通过逆变器和电路系统转变为电压、频率稳定的交流电，进行存储。

储能装置具体类型和型号的选择可以根据发电容量大，使用寿命，投资经费，建设场地等信息选择最优配置。

3 理论设计计算
本团队调查某具有代表性的中等规模高校表明（调查结果见附件）：该校可用于敷设太阳板建筑面积约2.53万m2，每年产生8600吨废物可用于沼气发电。

其中223份有效问卷调查显示，78.92%的学生有意愿使用单车进行健身，运动时长10-30分钟/日占比71.75%。

根据前期调查结果和相关文献数据模型结果[12-15]，本系统在总装机总容量上选择1MW为例，进行数据分析。

根据发电效率、使用寿命、电源电力成本等因素，得到各系统最佳选型配置参数如下表2所示（配置选型过程详见下一节性能分析）。

表2 发电系统装机配置参数
类型发电效率年发电（kW/h）使用寿命（年）投资成本（万）
光伏≥0.80.8x10625 650
沼气0.3~0.43 0.15x10620 180
单车≤0.580.05x10610 20 系统经济性分析：对个系统经济性进行分析，计算结果如下表3所示，其中储能装置和运行管理等其他费用已计入投资成本中。

本系统年发电量约为100 万kWh，其中光伏发电0.8x106kW/h，沼气发电0.15x106kW/h，单车发电0.05x106kW/h。

电价以商业电价0.8元/kWh来计算。

表3 系统经济性分析
类型投资成本（万）投资收益（万）经济效益（万）回收期（年）总收益率
光伏650 1600 947.2 10.2 145.20%
沼气165 240 75 15 36.36%
单车30 40 20 7.5 33.33%
总值845 1880 1042.2 -- 123.34%
1）光伏发电系统
投资成本：650万元；年节省电费：0.8元×0.8×106=64万元，投资收益：64×25=1600万元；投资回收期10.2年，此后14.8年内，经济效益14.8×64=947.2万元，年化收益率947.2/(650×25)=5.82%,总收益率145.72%
2）沼气发电系统
投资成本：165万元；年节省电费：0.8元x0.15×106=12万元，投资收益：12×20=240万元；投资回收期15年，此后5年内，经济效益5×12=60万元，年化收益率60/(165×20)=1.82%,总收益率36.36%
3）单车发电系统
投资成本：30万元；年节省电费：0.8x0.05×106=4万元，投资收益：4×10=40万元；投资回收期7.5年，此后2.5年内，经济效益2.5×4=10万元，年化收益率10/(30×10)=3.33%,总收益率33.33%
4）整套系统
本系统总投资845万元，产生投资效益1880万元，经济效益1042.2万元，总收益率为123.34%。

5）节能减排效益
经过数学估算模型计算，月均发电量水平可达到70.3～75.1kWh/m2，系统年节约标准煤404吨/年，减少CO2排量1105.28吨/年。

4 工作原理及性能分析
工作原理：本系统由光伏、沼气、单车三套发电系统组成的联合发电系统，共同给储能装置进行充电。

储能装置充电后，可以作为别用电源给校园用户提供所需电力。

系统具体工作过程前面章节已有详细介绍。

1）光伏发电系统装机容量
光伏发电系统的装机容量依据用户负载平均容量、负载日用电时数，太阳辐射最差月份日均水平面太阳总辐照量确定。

本系统光伏发电系统机容量为: M=(M0 × D0 × F t × E s)/(H1 × K0)=(12.5×106×1.2×1.0)/(1.9×0.85)=0.93x106kwh 其中M：光伏系统装机容量（kWh）；M0：负载平均容量（kW），D0-
负载日用电时数（h）；F t：裕量系数，取值范围1.2~2.0；E S：标准条件下的辐照度（常数）（1kW/m2）。

H1:最差月份日均水平面太阳总辐照量（kWh/m2 /日）；K0：光伏系统综合效率系数，0.85；
2）沼气发电系统
参考相关文献已知[13]，沼气中甲烷体积分数为55% ~60%，发电机组电转换效率为30%~43%。

若甲烷体积分数按55%考虑，热值取19.75MJ/m3，效率取40%，则每立方米沼气可产电量为19.75 × 40% /3.6 = 2.19 ( kW·h) 。

根据沼气量的变化情况和内燃机特性，设置了2台，0.85x105kw/h 的内燃机发电机组。

3）单车发电系统
参看相关文献[14~15]发电机计算与参数确定:
1) 健身者运动时功率为150 ~ 500W , 考虑各种损耗，单车发电机额定功率150 ~400W。

2 ) 额定电压12~24V、额定转速R=1000~3000r/min。

选择永磁式发电机，发电容量0.18x106kw/h。

4）储能装置容量计算
储能装置的电池容量可以根据负载平均功率、最长无光照期间用电时数和负载的放电深度系数确定的，其计算容量为下列公式：
C=T×K1×P0/(U×R)=(0.55×10×1.05）/(0.6x0.8)=12.03A·h
其中T：最长无光照期间用电时数（h），取10 ；K1：蓄电池放电修正系数，取1.05；P0：负载平均功率（kW）；U：蓄电池放电深度，取0.6 ；R- 包括储能装置总效率，取0.8。

综合考虑蓄电池的特性并结合相关数据计算，本方案选用8台12V/250A•h 的阀控式全密封铅酸蓄电池，以供负载使用。

5 创新点及应用场景
创新点
（1）针对太阳光照强度不稳定的特点，系统采用双轴太阳能跟踪系统和360°聚光罩，保障系统获得足够的光照辐射强度，提高发电效率。

（2）鉴于人体体质差异及运动启停变化导致单车转速不稳定的特点，系统设置了齿轮变速装置和稳压装置，满足人体个性化需求，保障系统正常运转。

（3）沼气发电系统，采用余热循环系统回收内燃机排放的高温烟气，保障了中温发酵系统的温度均恒的同时，也提升了系统能源利用率。

（4）开发相关人工智能、神经网络机器学习算法APP，提供个性化运动模式推荐等功能，激发不同用户运动兴趣，调节单车运行状态，增加发电量。

应用场景
（1）充电业务：目前，我国新能源电动车和共享电动车行业蓬勃发展，市场规模日益增长，然而很多城市充电及参数设施建设严重滞后。

本发电系统可以在校园、停车场、收费站、高速路休息区、城市停车位等地提供充电业务，增加经济收益。

（2）冷热电三联供：沼气发电装置产生的热水，可以与溴化锂吸收式制冷机组、余热锅炉等结合在一起，实现系统制冷、供热、发电三联供。

（3）健身娱乐:全国共有3005所高校，在校学生人数超过3000万人，使
用单车健身的人数广泛，为单车发电系统提供了良好的应用场景。

单车发电系统，可以作为一个健身娱乐的设施，推广到学校周边健身房，公司、娱乐场合
等地满足人们的个性化需求。

（4）随着国家对新能源政策的扶持和技术迭代升级，投资成本将更低，经济效益更加明显。

2017 年至今，光伏系统建造成本降低约30%，价格低至4元/W，组件低至2元/W。

校园大量的空置区域，比如屋面、墙体、公告栏等地可以用来安装分布式光伏发电站，为校园光伏车棚、充电桩、日常用电提供电力。

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