CN102914057B - 太阳能加热器与利用太阳能生产生物柴油的系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

相变蓄热式太阳能加热器，由相变蓄热加热器、太阳能集热器及支撑相变蓄热加热器和太阳能集热器的支架构成，相变蓄热加热器包括保温箱体、导热管、换热盘管和相变蓄热材料。利用太阳能生产生物柴油的系统，包括上述相变蓄热式太阳能加热器、储油容器、生物柴油设备、循环泵、控制装置和太阳能电源。利用太阳能生产生物柴油的方法使用上述利用太阳能生产生物柴油的系统，在常压、50～70℃进行反应，甲醇按甲醇与油脂原料的摩尔比=6：1加入，述氧化钙的加入量为油脂原料质量的2％～6%。

Description

太阳能加热器与利用太阳能生产生物柴油的系统及生产方法

技术领域

本发明属于太阳能利用与生物柴油生产领域，特别涉及一种太阳能加热器与利用太阳能生产生物柴油的系统及方法。

背景技术

在能源危机和环境问题的双重影响下，新能源，尤其是绿色可再生能源的开发意义重大。太阳能作为地球上一切能源的主要来源，是一种无穷无尽、无公害的清洁绿色能源。地球上无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区具有很高的利用价值。此外对太阳能的开发利用不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡、造成污染和公害，因此成为21世纪以后人类可期待的最有发展前景的能源。我国地域辽阔，年日照时间大于2000 h的地区约占全国总面积的2／3，处于利用太阳能较有利的区域内，因此，开发利用太阳具有重要意义。

然而，太阳能是一种稀薄和不稳定的能源。它虽然在地球表面分布广，但能源密度极低，并且太阳辐射热量随季节、昼夜变化，同时还受阴晴云雨等随机因素的影响，故太阳辐射热量具有很大的不稳定性，要想使这种能源为人类所用，就需要蓄能技术。现有技术中，蓄能方式分为显热式和潜热式。所述显热式蓄能是利用蓄热介质的温度变化来存储热量，如蓄热水箱、高温蓄热砖等，此类蓄能方式在应用上存在造价高、占地面积大、温差大等缺点，因此难以满足能源用户的要求。所述潜热式蓄能是利用蓄热介质发生相变来存储热量，与显热式蓄能相比，储存同样多热量时，需要的蓄热介质要少的多，因而更有发展优势。

ZL 201020114134.3公开了一种“太阳能相变蓄热器”，该蓄热器的外形为长方形箱体，在箱体内设置若干个长立方储能模块，所述储能模块的结构是在泡沫铝或多孔连续材料的孔隙中填充有石蜡，在其外部用封孔材料密封，所述箱体内与外界集热器和散热器间有流动的换热介质水或空气。此种结构的太阳能相变蓄热器虽然提高了相变储能材料的导热性，使石蜡与太阳能集热器的换热效能更高，但不适用于生物柴油原料油的加热。

在生物柴油生产工艺中，原料油的加热需要耗费大量的能源，占总加工成本一半以上，同时还需要电力维持设备的基本运转，无法在基础电力缺乏保障的地区使用。因此，利用太阳能相变蓄热方式加热生物柴油原料油并维持设备运转具有重大的研究价值和应用意义。目前国内外虽不断有利用太阳能对化石燃料油储存和原油输送加热的报道，然而并未见利用太阳能加热生物柴油原料油并维持设备运转的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种适用于生物柴油原料油加热的相变蓄热式太阳能加热器和利用太阳能生产生物柴油的系统，以及使用该系统生产生物柴油的方法，以降低不可再生能源的消耗，并拓宽生物柴油的生产地域。

本发明所述相变蓄热式太阳能加热器，由相变蓄热加热器、太阳能集热器及支撑相变蓄热加热器和太阳能集热器的支架构成，相变蓄热加热器包括保温箱体、导热管、换热盘管和相变蓄热材料，所述导热管和换热盘管安装在保温箱体内，换热盘管的进油口和出油口位于保温箱体外，所述相变蓄热材料充满保温箱体内的剩余空间；太阳能集热器包括反射板和安装在反射板上的多根真空管，各真空管的一端插入相变蓄热加热器的保温箱体内并与导热管相接。

本发明所述相变蓄热式太阳能加热器，其相变蓄热材料由石蜡、松香和碳纤维组成，石蜡的质量百分数为80%～90%，松香的质量百分数为10%～20%，碳纤维的质量为石蜡质量与松香质量之和的1%～5%。所述石蜡优选相变温度为70℃～90℃的石蜡，对应的化学式为C_40～80H_82～162。

本发明所述相变蓄热式太阳能加热器，其相变蓄热材料中的碳纤维缠绕在换热盘管上，石蜡和松香的混合物填充在保温箱体内的剩余空间（制备方法是：将石蜡和松香溶解后混合均匀，然后将它们的混合液灌注入保温箱体）。

本发明所述相变蓄热式太阳能加热器，其保温箱体由碳钢或不锈钢制作的箱体和箱体外壁包覆的保温层构成，所述箱体壁上设置有用于灌注石蜡和松香混合液的孔，并配备有孔塞。

本发明所述利用太阳能生产生物柴油的系统，包括上述相变蓄热式太阳能加热器、储油容器、生物柴油设备、循环泵、控制装置和太阳能电源；所述相变蓄热式太阳能加热器用于加热油脂原料，所述储油容器设置了两个进油口和两个出油口，并安装有液位计和温度计，其第一进油口用于加入未加热的油脂原料，在第一进油口处安装有第一电磁阀，其第二出油口用于输出加热至符合温度要求的油脂原料，第二出油口处安装有第二电磁阀，所述第二电磁阀通过管件与生物柴油设备的进油口连接，其第二进油口通过管件与相变蓄热式太阳能加热器中的换热盘管出油口连接，其第一出油口通过管件与循环泵的进油口连接，所述循环泵的出油口通过管件与相变蓄热式太阳能加热器中的换热盘管进油口连接；所述控制装置接收来自储油容器的液位信号并进行处理，根据该液位信号控制第一电磁阀开启与关闭，实现储油容器中油脂原料的定量加入，所述控制装置接收来自储油容器的温度信号并进行处理，根据该温度信号控制循环泵的开启与关闭、第二电磁阀的关闭与开启，实现储油容器中油脂原料的循环加热及将加热到符合要求温度的油脂原料输入生物柴油设备，当符合要求温度的油脂原料进入生物柴油设备后，所述控制装置控制生物柴油设备生产生物柴油的操作；所述太阳能电源为生物柴油设备、循环泵和控制装置提供工作电源。

上述利用太阳能生产生物柴油的系统，其控制装置为单片机或计算机。

生物柴油是以精炼后的动植物油脂、废餐饮油等作为原料油，经酯化反应得到的脂肪酸酯类燃料，原料油需加热至50～70℃进行酯化反应。

本发明所述利用太阳能生产生物柴油的方法，使用上述利用太阳能生产生物柴油的系统，操作步骤如下：

①开启太阳能电源和控制装置，在控制装置的控制下，向储油容器中加入额定的油脂原料，通过循环泵的输送，使油脂原料在相变蓄热式太阳能加热器与储油容器之间循环流动实现加热，当储油容器中的油脂原料温度达到50～70℃时，关闭循环泵、开启储油容器的第二电磁阀，使符合温度要求的油脂原料进入生物柴油设备；

②将甲醇和催化剂氧化钙加入生物柴油设备，在控制装置的控制下，于常压、 50～70℃搅拌反应3～6h，反应时间届满后分离出甘油和催化剂，即获得生物柴油，所述甲醇按甲醇与油脂原料的摩尔比=6︰1加入，所述氧化钙的加入量为油脂原料质量的2％～6%。

上述方法中，所用催化剂氧化钙的制备方法如下：

以氢氧化钙为原料，将氢氧化钙置于煅烧炉中，在常压、700 ~ 900℃煅烧1~2小时，然后随炉冷却至室温后取出，经研磨后用80目筛筛选所得氧化钙粉末即为催化剂。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述相变蓄热式太阳能加热器适用于生物柴油原料油的加热，因而为太阳能在生物柴油生产上的应用提供了设备保证。

2、本发明所述相变蓄热式太阳能加热器的相变蓄热材料由石蜡、松香和碳纤维组成，由于松香能增强整个相变蓄热材料的流动性，碳纤维具有很好的导热性，因而能实现与太阳能的高效换热，增强蓄热能力，并使保温箱体内各处的温度快速均衡。

3、本发明所述相变蓄热式太阳能加热器的相变蓄热材料中的石蜡选用相变温度为70℃～90℃的石蜡，既能满足生物柴油原料油的加热要求，又能避免油温上升到100℃以上带来安全隐患和结焦结垢现象。

4、本发明所述利用太阳能生产生物柴油的系统，完全摆脱了对化石能源的依赖，仅使用太阳能即可实现生物柴油的生产，不仅可降低生物柴油的的生产成本，而且可拓宽生物柴油的生产地域。

5、本发明所述利用太阳能生产生物柴油的方法，采用CaO固相催化剂和非均相反应体系，由于氧化钙具有催化碱性强、活性高、在甲醇中溶解度很小的特点，因而可采用过滤方式分离，避免了传统均相反应体系中需要利用水洗工艺去除催化剂的步骤，不仅简化了工艺，而且节约了水资源。

附图说明

图1是本发明所述相变蓄热式太阳能加热器的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本发明所述相变蓄热式太阳能加热器中的相变蓄热加热器的结构示意图。

图4为本发明所述利用太阳能生产生物柴油的系统的结构框图。

图中，1：相变蓄热加热器，2：真空管，3：反射板，4：支架，5-1：箱体，5-2：保温层，5-3：孔塞，6-1：石蜡和松香的混合物，6-2：碳纤维，7：换热盘管，8：导热管，9：进油口，10：出油口，11：相变蓄热式太阳能加热器，12：循环泵，13：储油容器，131：第一电磁阀，132：第二电磁阀，14：控制装置，15：生物柴油设备，16：太阳能电源，161：太阳能电池板，162：光伏控制器，163：蓄电池，164：逆变器。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述相变蓄热式太阳能加热器、利用太阳能生产生物柴油的系统和利用太阳能生产生物柴油的方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，相变蓄热式太阳能加热器的结构如图1、2所示，由相变蓄热加热器1、太阳能集热器及支撑相变蓄热加热器和太阳能集热器的支架4构成。相变蓄热加热器1的结构如图3所示，包括保温箱体、导热管8、换热盘管7和相变蓄热材料；保温箱体由碳钢制作的圆筒状箱体5-1和箱体外壁包覆的聚氨酯保温层5-2构成，所述箱体壁上设置有用于灌注石蜡和松香混合液的孔，并配备有孔塞5-3；所述导热管8由不锈钢304制作，安装在圆筒状箱体5-1内腔的下部；所述换热盘管7由不锈钢304制作，安装在圆筒状箱体5-1内腔且位于导热管8之上，其进油口9和出油口10位于保温箱体外；所述相变蓄热材料由相变温度为80℃的石蜡（化学式C₄₀H₈₂）、松香和碳纤维6-2组成，石蜡的质量百分数为80%，松香的质量百分数为20%，碳纤维的质量为石蜡质量与松香质量之和的5%，碳纤维6-2缠绕在换热盘管7上，石蜡和松香的混合物6-1填充在圆筒状箱体内的剩余空间。太阳能集热器包括反射板3和等间距安装在反射板上的多根真空管2，所述反射板由不锈钢制作，所述真空管由玻璃制作，各真空管的一端插入相变蓄热加热器的圆筒状箱体内并与导热管8相接。

实施例2

本实施例中，利用太阳能生产生物柴油的系统如图4所示，包括实施例1所述相变蓄热式太阳能加热器11、储油容器13、生物柴油设备15、循环泵12、控制装置14和太阳能电源16。

所述相变蓄热式太阳能加热器11用于加热油脂原料；所述储油容器13设置了两个进油口和两个出油口，并安装有液位计和温度计，其第一进油口用于加入未加热的油脂原料，在第一进油口处安装有第一电磁阀131，其第二出油口用于输出加热至符合温度要求的油脂原料，在第二出油口处安装有第二电磁阀132，所述第二电磁阀通过管件与生物柴油设备的进油口连接，其第二进油口通过管件与相变蓄热式太阳能加热器11中的换热盘管出油口10连接，其第一出油口通过管件与循环泵12的进油口连接，所述循环泵12的出油口通过管件与相变蓄热式太阳能加热器中的换热盘管进油口9连接，形成油脂原料的循环加热流路；所述控制装置14为安装有控制软件的计算机，控制装置接收来自储油容器的液位信号并进行处理，根据该液位信号控制第一电磁阀131开启与关闭，实现未加热油脂原料向储油容器的定量加入，控制装置接收来自储油容器的温度信号并进行处理，根据该温度信号控制循环泵12的开启与关闭、第二电磁阀132的关闭与开启，实现储油容器中油脂原料的循环加热及将加热到符合要求温度的油脂原料输入生物柴油设备15，当符合要求温度的油脂原料进入生物柴油设备15后，控制装置控制生物柴油设备生产生物柴油的操作；所述太阳能电源16由太阳能电池板161、蓄电池163、光伏控制器162和逆变器164组成，太阳能电池板161将太阳能转变成直流电，蓄电池163用于储存来自太阳能电池板的直流电，逆变器164用于将来自蓄电池163的直流电转变成交流电，为生物柴油设备15、循环泵12和控制装置14提供工作电源，光伏控制器162用于控制蓄电池163和逆变器164，使太阳能电源始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。

本实施例中，生物柴油设备、储油容器、电磁阀、液位计、温度计、循环泵和太阳能电池板、蓄电池、逆变器和光伏控制器均为市售商品。

实施例3

本实施例中，使用实施例2所述利用太阳能生产生物柴油的系统生产生物柴油，油脂原料为麻疯树油，催化剂为氧化钙。催化剂的制备方法为：以氢氧化钙为原料，将氢氧化钙置于马弗炉中，在常压、800℃煅烧2小时，然后随炉冷却至室温后取出，经研磨后用80目筛筛选所得氧化钙粉末即为催化剂。

本实施例中，生产生物柴油的操作步骤如下：

①开启太阳能电源16和控制装置14，在控制装置的控制下，向储油容器13中加入额定的麻疯树油，通过循环泵12的输送，使油脂原料在相变蓄热式太阳能加热器11与储油容器13之间循环流动实现加热，当储油容器中的麻疯树油温度达到60℃时，关闭循环泵12、开启储油容器的第二电磁阀132，使符合温度要求的麻疯树油进入生物柴油设备15；

②将甲醇和催化剂氧化钙加入生物柴油设备15，在控制装置的控制下，于常压、60℃搅拌反应4h，反应时间届满后通过静置沉淀分离出甘油和催化剂，即获得生物柴油，所述甲醇按甲醇与麻疯树油的摩尔比=6︰1加入，所述氧化钙的加入量为麻疯树油质量的2％。

本实施例中，生物柴油的转化率为95.49％。

Claims (4)

1.一种利用太阳能生产生物柴油的系统，其特征在于包括相变蓄热式太阳能加热器(11)、储油容器(13)、生物柴油设备(15)、循环泵(12)、控制装置(14)和太阳能电源(16)；

所述相变蓄热式太阳能加热器(11)由相变蓄热加热器(1)、太阳能集热器及支撑相变蓄热加热器和太阳能集热器的支架(4)构成，用于加热油脂原料，相变蓄热加热器(1)包括保温箱体、导热管(8)、换热盘管(7)和相变蓄热材料，所述导热管(8)和换热盘管(7)安装在保温箱体内，换热盘管(7)的进油口(9)和出油口(10)位于保温箱体外，所述相变蓄热材料由石蜡、松香和碳纤维组成，石蜡为相变温度70℃～90℃的石蜡，石蜡的质量百分数为80％～90％，松香的质量百分数为10％～20％，碳纤维的质量为石蜡质量与松香质量之和的1％～5％，所述碳纤维缠绕在换热盘管(7)上，所述石蜡和松香的混合物填充在保温箱体内的剩余空间；太阳能集热器包括反射板(3)和安装在反射板上的多根真空管(2)，各真空管的一端插入相变蓄热加热器的保温箱体内并与导热管(8)相接；所述储油容器设置了两个进油口和两个出油口，并安装有液位计和温度计，其第一进油口用于加入未加热的油脂原料，在第一进油口处安装有第一电磁阀(131)，其第二出油口用于输出加热至符合温度要求的油脂原料，第二出油口处安装有第二电磁阀(132)，所述第二电磁阀通过管件与生物柴油设备的进油口连接，其第二进油口通过管件与相变蓄热式太阳能加热器(11)中的换热盘管出油口(10)连接，其第一出油口通过管件与循环泵的进油口连接，所述循环泵的出油口通过管件与相变蓄热式太阳能加热器中的换热盘管进油口(9)连接；所述控制装置接收来自储油容器的液位信号并进行处理，根据该液位信号控制第一电磁阀(131)开启与关闭，实现未加热油脂原料向储油容器的定量加入，所述控制装置接收来自储油容器的温度信号并进行处理，根据该温度信号控制循环泵(12)的开启与关闭、第二电磁阀(132)的关闭与开启，实现储油容器中油脂原料的循环加热及将加热到符合要求温度的油脂原料输入生物柴油设备(15)，当符合要求温度的油脂原料进入生物柴油设备(15)后，所述控制装置控制生物柴油设备生产生物柴油的操作；所述太阳能电源(16)为生物柴油设备(15)、循环泵(12)和控制装置(14)提供工作电源。

2.根据权利要求1所述利用太阳能生产生物柴油的系统，其特征在于所述控制装置为单片机或计算机。

3.一种利用太阳能生产生物柴油的方法，其特征在于使用权利要求1或2所述系统，操作步骤如下：

①开启太阳能电源(16)和控制装置(14)，在控制装置的控制下，向储油容器(13)中加入额定的油脂原料，通过循环泵的输送，使油脂原料在相变蓄热式太阳能加热器(11)与储油容器(13)之间循环流动实现加热，当储油容器中的油脂原料温度达到50～70℃时，关闭循环泵(12)、开启储油容器的第二电磁阀(132)，使符合温度要求的油脂原料进入生物柴油设备(15)；

②将甲醇和催化剂氧化钙加入生物柴油设备(15)，在控制装置的控制下，于常压、50～70℃搅拌反应3～6h，反应时间届满后分离出甘油和催化剂，即获得生物柴油，所述甲醇按甲醇与油脂原料的摩尔比＝6︰1加入，所述氧化钙的加入量为油脂原料质量的2％～6％。

4.根据权利要求3所述利用太阳能生产生物柴油的方法，其特征在于催化剂氧化钙的制备方法如下：

以氢氧化钙为原料，将氢氧化钙置于煅烧炉中，在常压、700～900℃煅烧1～2小时，然后随炉冷却至室温后取出，经研磨后用80目筛筛选所得氧化钙粉末即为催化剂。