CN102199534B - 太阳能辅助沼气发酵装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能辅助沼气发酵装置及方法，该太阳能辅助沼气发酵装置包括温度传感器、进水管、集热器循环泵、蓄热水箱、加热电圈、开关、真空管太阳能集热器、角度调节器、太阳能蓄电池等元件，蓄热水箱与真空管太阳能集热器连接，加热电圈设于蓄热水箱的内部，加热电圈通过第一导线、开关与太阳能蓄电池连接，真空管太阳能集热器产生能量并经电池连接板传输给太阳能蓄电池，角度调节器位于电池连接板的下端，集热器循环泵安装在进水管上，进水管的一端与蓄热水箱连接，进水管的另一端通过螺旋散热管与出水管连接，集热器循环泵经第二导线与温度传感器相连接。本发明可以实现太阳辐射强、昼夜温差大的高原地区的沼气发酵，且增加沼气产量。

Description

太阳能辅助沼气发酵装置及方法

技术领域

本发明涉及生物质能源技术领域，尤其涉及一种太阳能辅助沼气发酵装置及方法。

背景技术

沼气是一种来源广泛、可再生的生物质能源，具有无污染、制取技术简单、成本低廉的特点，在我国农村有着良好的推广、应用前景。近年来，农村大力发展、建造沼气发酵池，沼气已成为今后农村所应用的主导新能源之一。青藏高原地区的太阳能资源丰富，但温度较低，普通砖瓦结构沼气池的池温可降低到零下几度，致使池内温度低于最佳发酵温度，或使得发酵物冻结，严重影响了沼气产量，降低了沼气池的利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能辅助沼气发酵装置及方法，其可以实现太阳辐射强、昼夜温差大的高原地区的沼气发酵，且增加沼气产量。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种太阳能辅助沼气发酵装置，其特征在于，所述太阳能辅助沼气发酵装置包括温度传感器、进水管、集热器循环泵、蓄热水箱、加热电圈、开关、真空管太阳能集热器、角度调节器、太阳能蓄电池、出水管、螺旋散热管、第一导线、第二导线、电池连接板，蓄热水箱与真空管太阳能集热器连接，加热电圈设于蓄热水箱的内部，加热电圈通过第一导线、开关与太阳能蓄电池连接，真空管太阳能集热器产生能量并经电池连接板传输给太阳能蓄电池，角度调节器位于电池连接板的下端，集热器循环泵安装在进水管上，进水管的一端与蓄热水箱连接，进水管的另一端通过螺旋散热管与出水管连接，集热器循环泵经第二导线与温度传感器相连接。

优选地，所述太阳能辅助沼气发酵装置还包括第一报警灯、第二报警灯、可编程逻辑控制器、气压传感器、物料位传感器，温度传感器、第一报警灯、第二报警灯、气压传感器、物料位传感器均与可编程逻辑控制器相连接。

优选地，所述太阳能辅助沼气发酵装置还包括备用电源，备用电源与蓄热水箱、家庭用电连接。

本发明还提供一种太阳能辅助沼气发酵方法，其特征在于，该方法采用上述太阳能辅助沼气发酵装置，该方法包括以下步骤：

步骤一：判断太阳能的情况，如果当太阳能充足时，蓄热水箱中的贮水按照太阳热水器作业原理，通过真空管太阳能集热器将蓄热水箱的贮水进行加热；如果当太阳能缺少时，则闭合与第一导线相连接的开关，使太阳能蓄电池对加热电圈提供电量，加热电圈通电对蓄热水箱的贮水进行加热；

步骤二：待温度传感器检测到的沼液温度小于或等于沼气的最佳发酵温度时，温度传感器通过第二导线向集热器循环泵发出信号，集热器循环泵开始作业；

步骤三：热水通过进水管进入沼气池，通过螺旋散热管对沼气池中发酵物进行加热，如果沼气池中的沼液温度高于最佳发酵温度时，集热器循环泵停止作业。

优选地，所述步骤一中的太阳能蓄电池的电量耗尽时，将备用电源与家庭用电接通。

优选地，所述步骤三中的集热器循环泵停止作业时，如果是太阳能充足时，则真空管太阳能集热器将吸收的热能转换成电能贮存在太阳能蓄电池中。

本发明的积极进步效果在于：

(1)本发明太阳能辅助沼气发酵装置及方法节约能源，不需要用其他燃料来发酵增温，可降低沼气发酵成本，保证沼气池内发酵温度恒定。

(2)本发明太阳能辅助沼气发酵装置及方法可预防我国北方普通砖瓦结构的沼气池在冬季时的严重冻结，借助真空管太阳能集热器、螺旋散热管等，无论冬夏均可做到高温发酵，有效增加沼气产量。

(3)本发明太阳能辅助沼气发酵装置及方法实现了对池中发酵物加热、蓄电池充电的自动化程序控制。

(4)本发明太阳能辅助沼气发酵装置具有备用电源、太阳能蓄电池等，可使得本发明在沼气发酵过程中不受外界气温及阴雨天气变化的影响，提高了本发明的作业适用范围。

(5)本发明太阳能辅助沼气发酵装置及方法可实现加热、沼气气压、发酵物贮存容量的自动控制与监测，无需人工作业，省时省力。

(6)本发明太阳能辅助沼气发酵装置的结构简单、紧凑，可直接在已有的普通沼气池上加以改装利用，符合目前我国现代农村新型能源装置推广要求。

附图说明

图1为本发明太阳能辅助沼气发酵装置的结构示意图。

图2是本发明真空管太阳能集热器将蓄热水箱内部贮水加热原理图。

图3是本发明温度传感器与集热器循环泵工作时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明太阳能辅助沼气发酵装置包括太阳能集热蓄电系统、沼液加热贮水循环系统、发酵物贮存量及沼气气压监测系统，本发明太阳能辅助沼气发酵装置具体包括温度传感器1、进水管2、集热器循环泵3、备用电源4、蓄热水箱5、加热电圈6、开关7、真空管太阳能集热器8、角度调节器9、太阳能蓄电池10、出水管11、螺旋散热管12、第一导线131、第二导线132、电池连接板14、第一报警灯151、第二报警灯152、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)16、气压传感器17、物料位传感器18。其中，太阳能集热蓄电系统包括蓄热水箱5、加热电圈6、开关7与真空管太阳能集热器8、角度调节器9、太阳能蓄电池10、第一导线131、电池连接板14，沼液加热贮水循环系统包括进水管2、集热器循环泵3、出水管11与螺旋散热管12，蓄热水箱5与真空管太阳能集热器8连接，真空管太阳能集热器8至少由一根真空管构成，加热电圈6设于蓄热水箱5的内部，加热电圈6通过第一导线131、开关7与太阳能蓄电池10连接。真空管太阳能集热器8产生能量并经电池连接板14传输给太阳能蓄电池10。角度调节器9位于电池连接板14的下端，可实现真空管太阳能集热器8进行30～90°的调节。集热器循环泵3安装在进水管2上。进水管2的一端与蓄热水箱5连接，进水管2的另一端通过螺旋散热管12与出水管11连接。集热器循环泵3经第二导线132与温度传感器1、可编程逻辑控制器16连接。备用电源4与蓄热水箱5、家庭用电连接，当无电量或产生电量不足以带动加热电圈6时，将备用电源4与家庭用电接通，备用电源4给蓄热水箱5和加热电圈6提供电能，这样沼气池可以继续工作。发酵物贮存量及沼气气压监测系统包括温度传感器1、第一报警灯151、第二报警灯152、可编程逻辑控制器16、气压传感器17、物料位传感器18；其中温度传感器1、第一报警灯151、第二报警灯152、气压传感器17、物料位传感器18均与可编程逻辑控制器16相连接，以此控制相应元件工作；当物料位传感器18发出信号时，第二报警灯152闪烁，具体是将物料位传感器18安装在沼气池发酵物容量的最大容量限度处，当沼气池内的发酵物量增加至物料位传感器处时，物料位传感器18发出电子信号，通过可编程逻辑控制器16对该电子信号的处理，第二报警灯152闪烁，提醒用户应及时排放沼气池内的发酵物原料。气压传感器17安装在沼气池入口处，当气压传感器17发出信号时，第一报警灯151闪烁，具体是为气压传感器17设定一个标准气压值(标准气压值为沼气池承受最大限度的气压值)，当沼气池内产生的沼气气压超过该标准气压值时，气压传感器17发出电子信号；通过可编程逻辑控制器16对该电子信号的处理，第一报警灯151闪烁，提醒用户应及时处理、应用所产生的大量沼气。这样，通过温度传感器1、第一报警灯151、第二报警灯152、可编程逻辑控制器16、气压传感器17、物料位传感器18实现加热、沼气气压、发酵物贮存容量的自动控制与监测。

温度传感器1主要用于检测当沼气池中沼液温度小于沼气的最佳发酵温度时，通过第二导线132向集热器循环泵3发出信号；进水管2主要用于将蓄热水箱5中的热水输入至螺旋散热管12及整个加热装置中；集热器循环泵3主要用于将蓄热水箱5的内部热水加以循环动力，保证装置内部热水的循环流动；备用电源4主要用于当加热装置内部无电量或产生电量不足以带动加热电圈作业时，可将其与家庭用电接通，满足装置作业需求；蓄热水箱5主要用于装置内部加热用水的贮存；加热电圈6主要用于当逢遇阴雨天或夜间，太阳能加热功能失效时，可通过加热电圈通电作业，保证装置内沼气发酵时的热水温度，能够持续产气；开关7主要用于控制加热电圈与蓄电池之间的接通或断开状况；真空管太阳能集热器8主要用于借助太阳能热量，将蓄热水箱中的温度较低的自来水加热至装置需要温度；角度调节器9主要用于通过人工调节，保证装置中真空管太阳能集热器与太阳的辐射角度最大，保证最佳吸热效果；太阳能蓄电池10主要用于当真空管太阳能集热器停止向蓄热水箱提供能量时，将此时吸收的热量转化为电能贮存；出水管11主要用于将整个加热装置中的低温水输出至蓄热水箱进行加热；螺旋散热管12主要通过其不同深度的螺旋分布，借助于其内部流过的热水热量，将沼气池内部的发酵物加热；第一导线131主要用于加热电圈、开关及太阳能蓄电池的连接导电；第二导线132主要用于温度传感器与集热器循环泵的连接，方便温度信号传递；电池连接板14主要用于将真空管太阳能集热器产生的能量传输给太阳能蓄电池。第一报警灯151主要用于当气压传感器发出信号时，闪烁提醒用户应及时处理、应用所产生的大量沼气。第二报警灯152主要用于当物料位传感器发出信号时，闪烁提醒用户应及时排放沼气池内的发酵物原料。可编程逻辑控制器16主要用于对温度传感器、气压传感器、位传感器、第一报警灯、第二报警灯发出信号指令进行控制。气压传感器17主要用于检测沼气池内产生的沼气气压是否超过该沼气池设定的承受限度。物料位传感器18主要用于检测沼气发酵物容量是否达到沼气池最大容量限度。

本发明还提供一种太阳能辅助沼气发酵方法，其包括如下步骤：

步骤一：判断太阳能的情况，根据不同的情况进行处理。如果当太阳能充足(比如晴天天气、日照充足)时，则蓄热水箱5中的贮水按照太阳热水器作业原理，通过真空管太阳能集热器8将蓄热水箱5的贮水进行加热。如果当太阳能缺少(比如阴雨天气、日照不充足、晚间)时，则依靠真空管太阳能集热器8对蓄热水箱5的贮水加热已不可能时，闭合与第一导线131相连接的开关7，太阳能蓄电池10处于放电状态，使太阳能蓄电池10对加热电圈6提供电量，加热电圈6通电对蓄热水箱5的贮水进行加热。如果太阳能蓄电池10的电量耗尽时，将备用电源4与家庭用电接通。

步骤二：如图3所示，待温度传感器1检测到的沼液温度小于或等于沼气的最佳发酵温度(最佳发酵温度是集热器循环泵3的设定工作值)时，温度传感器1由可编程逻辑控制器16控制并通过第二导线132向集热器循环泵3发出信号，集热器循环泵3开始作业。

步骤三：如图3所示，热水通过进水管2进入沼气池，通过螺旋散热管12对沼气池中发酵物进行加热，如果沼气池中的沼液温度高于最佳发酵温度时，集热器循环泵3停止作业。

集热器循环泵3停止作业时，如果是太阳能充足时，则真空管太阳能集热器8将吸收的热能转换成电能贮存在太阳能蓄电池10中(即太阳能蓄电池10处于充电状态)。

本发明太阳能辅助沼气发酵装置在太阳能将贮水加热至66～90℃的情况下，在集热器循环泵的作用下，每小时发酵池内发酵物料升温2～3℃。当处在夏季室外温度21℃左右时，此时沼气池温度约为14～16℃，通过本发明太阳能辅助沼气发酵装置进行13～16小时的作业，便可达到沼气池内发酵物温度为48℃以上。对该装置观测检温，通过实验发现，在25天的观测中发现，该装置可自动调节，沼气池发酵温度几乎不受外界自然温度影响，一个星期内沼气池内的变化均衡在2～3℃之间。应用该装置进行32天的试验，试验结果如下：

不同发酵物发酵期限与温度产沼气速度的关系表(1m³发酵池容积)

发酵物种类	温度/℃	浓度/％	天数/d	产气率(ml/g)
					大粪+秸秆	48	15	9.5	3960
鸡粪+秸秆	49	16	8.5	4010
					猪粪+秸秆	47.5	15	7	3850
牛粪+秸秆	48	16	6	3600

试验结果表明：本发明太阳能辅助沼气发酵装置可以使各种常用沼气发酵物在较为恒定温度下，产气的时间大大缩短3～4倍，较普通沼气池产气效率提高了3.5倍之多，可大大提高该装置的使用效益。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仪是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种太阳能辅助沼气发酵装置，其特征在于，所述太阳能辅助沼气发酵装置包括温度传感器、进水管、集热器循环泵、蓄热水箱、加热电圈、开关、真空管太阳能集热器、角度调节器、太阳能蓄电池、出水管、螺旋散热管、第一导线、第二导线、电池连接板，蓄热水箱与真空管太阳能集热器连接，加热电圈设于蓄热水箱的内部，加热电圈通过第一导线、开关与太阳能蓄电池连接，真空管太阳能集热器产生能量并经电池连接板传输给太阳能蓄电池，角度调节器位于电池连接板的下端，集热器循环泵安装在进水管上，进水管的一端与蓄热水箱连接，进水管的另一端通过螺旋散热管与出水管连接，集热器循环泵经第二导线与温度传感器相连接；所述太阳能辅助沼气发酵装置还包括第一报警灯、第二报警灯、可编程逻辑控制器、气压传感器、物料位传感器，温度传感器、第一报警灯、第二报警灯、气压传感器、物料位传感器均与可编程逻辑控制器相连接，所述太阳能辅助沼气发酵装置还包括备用电源，备用电源与蓄热水箱、家庭用电连接。

2.一种太阳能辅助沼气发酵方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1所述太阳能辅助沼气发酵装置，该方法包括以下步骤：

步骤一：判断太阳能的情况，如果当太阳能充足时，蓄热水箱中的贮水按照太阳热水器作业原理，通过真空管太阳能集热器将蓄热水箱的贮水进行加热；如果当太阳能缺少时，则闭合与第一导线相连接的开关，使太阳能蓄电池对加热电圈提供电量，加热电圈通电对蓄热水箱的贮水进行加热；

步骤二：待温度传感器检测到的沼液温度小于或等于沼气的最佳发酵温度时，温度传感器通过第二导线向集热器循环泵发出信号，集热器循环泵开始作业；

步骤三：热水通过进水管进入沼气池，通过螺旋散热管对沼气池中发酵物进行加热，如果沼气池中的沼液温度高于最佳发酵温度时，集热器循环泵停止作业，所述步骤三中的集热器循环泵停止作业时，如果是太阳能充足时，则真空管太阳能集热器将吸收的热能转换成电能贮存在太阳能蓄电池中。

3.如权利要求2所述的太阳能辅助沼气发酵方法，其特征在于，所述步骤一中的太阳能蓄电池的电量耗尽时，将备用电源与家庭用电接通。

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