CN104726328A - 沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，主要由风能和太阳光伏复合电力发生单元及蓄电单元、沼气发生单元、沼气和太阳光热复合利用单元、沼液加热装置、冷暖空气循环交换单元和牲畜阳光暖棚组成，风能和太阳能复合动力发生单元输出电能并输送至沼液加热装置和蓄电单元，沼液加热装置对沼气发生单元进行加热，牲畜阳光暖棚中建有厕所和牲畜舍以及蔬菜园，沼气发生单元中的产生的沼渣沼液输送至所述蔬菜园中或者返施草原。本发明充分利用低温、高寒地区的风能和太阳能以及人畜粪便所产生的沼气清洁能源，提高牧区牧民生活质量，有效保护和改善牧区草原、森林生态环境，减少大气污染排放，实现绿色清洁能源的可持续利用。

Description

沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统

技术领域

本发明涉及绿色清洁能源循环利用领域，具体涉及沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统。

背景技术

在我国青藏高原等高寒草原牧区，由于海拔高，气候十分严寒。因此，牧民大多采用焚烧牦牛等牲畜粪便、木材和煤炭等三种可燃物煮饭、烧奶和取暖。

焚烧的牦牛等牲畜粪便，是牧区妇女用手捡拾，并抹敷在草地或墙壁上晒干，然后收集堆存，用时又用手捡拾干粪，放入炉子焚烧。不但妇女劳动强度大，而且由于牧区条件有限，牧区妇女经常是用刚捡了牛羊粪的手又去拿碗、切菜和煮饭，这样既不卫生，又极易因与牛羊粪接触多而感染寄生虫和孢子等微生物和寄生虫病。更为重要的是，牛粪的热效率和热利用率都较低，煮饭、烧奶、取暖需要大量的牦牛等牲畜粪便，因此，草原牧区牧民在草原上大量捡拾牦牛粪便，并随着牧区人口和家庭的增长，牦牛粪便消耗量越来越大，现已造成草原土壤肥力严重下降，牧草产量逐年降低，牲畜因缺草大量掉膘和死亡，给牧民带来了严重的经济损失。同时，草原退化、沙化形势十分严重，草原涵养水源、防风固沙的生态功能逐年降低。

焚烧木材又增加了森林的砍伐量，破坏了牧区森林生态环境。而焚烧煤炭等化石燃料，既增大了牧民购煤、运煤的经济支出，又增加了CO₂、SO₂等温室气体的排放，污染了空气环境。同时，焚烧牛粪、木材、煤炭还会产生大量的烟尘和有害气体，不利于牧民身心健康。

同时，长期以来，因高寒草原牧区冬季温度低，沼气池没有保温和增温措施，沼气产量少，所以牧区很少利用牛粪生产沼气这一清洁的生物质能源。而且草原牧区缺少厕所和沼气池，人的粪尿到处排放，未经处理，严重影响了周围环境卫生。

另外，牧区气候寒冷，牲畜长期放养在露天草地，冬季温度低，牲畜掉膘和死亡十分严重。同时，不能直接种植蔬菜，加之牧区交通不便，特别是冬季大雪后，牧民想吃蔬菜但根本无法买，影响了牧民维生素的摄入和身体健康，牧民生活水平难以提高。

特别是我国的青藏高原等高寒草原牧区，既是我国长江、黄河等江河的重要源头，又是重要的水源涵养地，因此，焚烧牛粪、木材、煤炭直接影响到了高寒牧区草原、森林生态环境，危及到了牧民身心健康、生产生活环境条件改善、经济收入和区域经济的发展。

目前，国内外已有大量研究试图借助分布式能量系统所具有的高效、环保、经济、可靠性高等特点，解决可持续发展与能源紧缺以及环境污染之间的矛盾，并取得了卓有成效的进展。环保、经济、可靠性高是以“减量化、再利用、资源化”为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征的一种以资源的高效利用和循环利用为核心。但是，到目前为止，还没有一种针对青藏高原等高寒草原牧区的能源利用和资源保护难题，进行资源循环利用，并提高牧民生活水平、改善环境卫生和有效保护草原生态环境的专利和技术，极大地影响了高寒草原牧区的生态、经济和社会发展。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明要解决的是低温高寒草原牧区缺少清洁能源循环系统、焚烧牛粪、木材、煤炭影响高寒牧区草原和森林生态环境、牧区环境卫生差的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：主要由风能和太阳光伏复合电力发生单元及蓄电单元、沼气发生单元、沼气和太阳光热复合利用单元、沼液加热装置、牲畜阳光暖棚、冷暖空气循环交换单元组成，所述沼气和太阳光热复合利用单元主要为应用能源的房间及各种耗能装置；所述风能和太阳能复合动力发生单元输出电能并输送至沼液加热装置和蓄电单元，沼液加热装置可以对沼气发生单元的沼液进行加热，提升沼液达到最佳的发酵温度，增加沼气产量。牲畜阳光暖棚中建有牲畜舍、厕所和蔬菜园。人畜粪便输入沼气发生单元中，提供沼气发生原料，沼气发生单元中的产生的沼气用于牧民煮饭、烧奶、取暖和照明，部分沼渣输送至蔬菜园中种植蔬菜，解决牧区道路边远，牧民想吃蔬菜但根本无法买，吃菜难、维生素缺乏、牧民生活水平难以提高等难题，其余沼渣和沼液返施草原，或将沼渣与牧草种子混合均匀搅拌到包裹状态，再撒播到草原，既提高草原肥力，又大幅度增加草原牧草产量，从而减少牧民捡拾草原牲畜粪便和减少木材砍伐，保护草原、森林生态环境。形成能源与资源一体化利用，热、电、肥料共生的循环系统。

根据本发明的生态循环系统的风能和太阳能复合动力发生单元为风能和太阳光伏复合电力装置，主要包括太阳能灶、风力发电装置和太阳光伏板。

根据本发明的生态循环系统，所述沼气发生单元为沼气池，在所述沼气池底部及侧壁设有保温隔热层，防止沼液热量散发，减少外界低温气候对沼气池的影响。

根据本发明的生态循环系统的沼液加热装置为设于沼液中，由风能和太阳能复合动力发生单元提供能源的加热器。

根据本发明的生态循环系统，所述沼液加热装置还可以为一闭合的热循环管，所述热循环管分别通过风能和太阳能复合动力发生单元中的太阳能灶、沼气发生单元的沼液以及房间的床/炕，所述太阳能灶在不煮饭、烧奶时就对传热介质进行加热，并将热量输送至沼气发生单元和房间内的的床/炕。

为保持沼液产生沼气所需的适当温度环境，以及保持房间内人体取暖所需合适温度，根据本发明的生态循环系统的加热装置中设置有温度控制器。

根据本发明的生态循环系统的冷暖空气循环交换单元，具体是在牧民居住房屋的向阳面，靠墙安装一个封闭的玻璃空间，并在墙壁的上方和下方各开数个换气孔，与房间相通。早上阳光照射到封闭玻璃空间时，玻璃空间内的空气被加热，到一定温度时，换气孔自动打开，利用空气动力学中热空气上升原理，让热空气从上换气孔进入室内，室内冷空气从下换气孔进入玻璃空间加热，如此循环，使牧民居住的房间内温度得到提升。当太阳降落，玻璃空间内温度降到比室内低时，换气孔自动关闭，从而达到保温效果。

根据本发明的生态循环系统的沼气发生单元产生的沼气输送至房间的沼气灶、沼气炉、沼气灯等沼气应用终端。

根据本发明的生态循环系统的蓄电单元储蓄风能和太阳能复合动力发生单元收集的能量，为房间内的电热毯、电灯等电器提供电能。

(三)有益效果

本发明充分利用低温、高寒地区的风能和太阳能以及人畜粪便所产生的沼气清洁能源，大幅减少焚烧粪便、木材、煤炭的量，提高沼气生产能力，让更多的人畜粪便返施草地或者蔬菜园，增加草原土壤肥力，进而提高牧区牧民生活质量，减少木材砍伐，有效保护和改善牧区草原、森林生态环境，减少大气污染排放，实现绿色清洁能源的可持续利用。

具体而言，本发明的有益效果表现在如下几个方面：

1、沼气高效生产和利用：

将沼气池建在牲畜阳光暖棚内的牲畜圈舍地面下，地面上仍养殖牲畜，不另占土地。并在沼气池周边增加保温隔热层防止沼液热量散发，减少外界低温气候对沼气池的影响。以牦牛等牲畜粪便充足的优势和牧民的粪便、餐厨剩余物为原料，同时利用牲畜阳光暖棚的增温效果，以及以下所述的夜间风力发的富余电力和太阳光能传热介质，共同对沼气池沼液加热，提升沼液温度到的最佳发酵温度，增加沼气产量来供牧民煮饭、烧奶和取暖，并可用沼气灯照明，从而实现沼气的高效生产和利用。

2、太阳光能高效利用：

(1)采用太阳沼气电力三用灶直接利用太阳光能。白天利用太阳灶，将阳光聚在焦点上，直接煮饭、烧奶，减少其它能源消耗；在煮饭、烧奶中，如果太阳光不足或被乌云挡住，焦点温度低不能满足烹饪时，打开太阳沼气电力三用灶的沼气开关就可利用沼气继续煮饭、烧奶，或者打开电源开关，利用光伏和风能发电存蓄的电力继续进行煮饭、烧奶。

在不煮饭、烧奶时，利用设置在太阳灶上的一个闭合的热循环管，利用太阳光热对传热液进行加热，并将热量循环输送至沼气池，对沼气池沼液加热，提升沼液温度，增加沼气产量。并可将传热介质输入房间和床/炕，加热牧民室内或床/炕的温度。

(2)将白天太阳的光伏发电和下述的风能发电一起存贮起来，供煮饭、烧奶和取暖，以及照明和看电视等能源所用。

(3)在牧民居住房屋的向阳面，靠墙安装一个封闭的玻璃空间，并在墙壁的上方和下方各开数个换气孔，与房间相通。早上阳光照射到封闭玻璃空间时，玻璃空间内的空气被加热，到一定温度时，换气孔自动打开，利用空气动力学中热空气上升原理，让热空气从上换气孔进入室内，室内冷空气从下换气孔进入玻璃空间加热，如此循环，使牧民居住的房间内温度得到提升。当太阳降落，玻璃空间内温度降到比室内低时，换气孔自动关闭，从而达到保温效果。提高牧民居住的舒适性。

(4)牲畜阳光暖棚具有较强的增温和保温效果。夜间将牲畜关在暖棚内，可抵御牧区气寒的气候环境，牲畜掉膘和死亡大幅度减少，同时牲畜感冒、发烧等易发病也大幅度降低，将极大地减少牧民经济支出和损失。特别是牲畜体温对圈舍地面下的沼气池的沼液具有一定的增温作用，可提高沼气生产效率。同时，在暖棚内种植的蔬菜在冬季也能很好生长，利用沼气池的部份沼渣种植蔬菜，解决了牧区道路边远，牧民想吃蔬菜但根本无法买，吃菜难、维生素缺乏、牧民生活水平难以提高等难题。

3、风能高效利用：

高寒牧区夜间气温低，但夜间风速更大，且夜间牧民家中不需用电，因此，白天风能发的电进行存蓄，供煮饭、烧奶和取暖，以及照明和看电视等能源所用。夜间牧民家中不需用电时，就将风力发的富余电力，直接对沼气池沼液加热，提升沼液达到最佳发酵温度，增加沼气产量来供牧民煮饭、烧奶和取暖。从而减少牧民捡拾草原牲畜粪便和减少木材砍伐，保护草原、森林生态环境。

4、沼渣、沼液高效利用：

除部份沼渣用于暖棚内的蔬菜园种植蔬菜外，其余的沼渣和沼液返施草原，或将沼渣与牧草种子混合均匀搅拌到包裹状态，撒播到草原，既提高草原肥力，又大幅度增加草原牧草产量，保护草原生态环境。

本发明通过以上四大循环利用系统，共同解决低温高寒草原牧区缺少清洁能源、牲畜死亡多、环境卫生差、草地土壤肥力下降等突出矛盾。实现“沼气、太阳光能、风能”资源互补和循环利用的一体化能源循环互补综合高效利用模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作原理示意图。

图3为本发明的房间的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的沼气池建在牲畜阳光暖棚内牲畜圈舍地面下，人畜粪便可直接输入沼气池中，减少转运牲畜粪便的劳力。在沼气池底部及侧壁设有保温隔热层，防止沼液热量散发，减少外界低温气候对沼气池的影响。同时利用牲畜阳光暖棚的增温效果，以及夜间风力发的富余电力和太阳光能传热介质，共同对沼气池沼液加热，提升沼液温度达到最佳发酵温度，增加沼气产量来供牧民煮饭、烧奶和取暖，并可用沼气灯照明，从而实现沼气的高效生产和利用。

牲畜阳光暖棚中建有牲畜圈舍、厕所、沼气池和蔬菜园，沼气池为地下式，建在牲畜圈舍地面下，不占空间，地面上养殖牲畜，让牲畜和人的粪便直接进入沼气池，减少运粪劳力。通过白天太阳光照射牲畜阳光暖棚，提高棚内温度，并提高沼气池内沼液的发酵温度，辅以夜间利用风能发的富余电力，对沼气池沼液加热，共同增加沼气产量。暖棚温度提升后还可减少牲畜掉膘和死亡，同时，在暖棚内种植的蔬菜在冬季也能很好生长，利用沼气池的部份沼渣种植蔬菜，解决了牧区道路边远，牧民想吃蔬菜但根本无法买，吃菜难、维生素缺乏、牧民生活水平难以提高等难题。沼渣和沼液返施草原，或将沼渣与牧草种子混合均匀搅拌到包裹状态，撒播到草原，既提高草原肥力，又大幅度增加草原牧草产量，保护草原生态环境。沼气池产生的沼气一方面可用于农牧民生活照明取暖，也能作为厨房用燃料，能大幅减少牲畜粪便焚烧量，让更多粪便返回草原以增加草原土壤肥力，同时有效避免农牧民与牲畜粪便直接接触被感染寄生虫，提高农牧民环境卫生水平和生活质量。风力发电装置白天产生的电力可跟太阳光伏板采集的电能收集到蓄电池中备用，夜间以富余电力对沼气池中沼液升温，促进沼气产生量。产生的沼气可同时供室内沼气灶/炉和室外太阳沼气电力三用灶使用。室内沼气灶/炉直接在房间内煮饭、烧奶和取暖使用；太阳沼气电力三用灶放在室外，当室外阳光充足时，利用太阳光热直接煮饭、烧奶，当太阳光不足或被乌云挡住，焦点温度低不能满足烹饪时，沼气开关自动打开就可利用沼气继续煮饭、烧奶，或者打开电源开关，就可利用蓄电单元的电力继续进行煮饭、烧奶。当焦点温度达到烹饪要求时，沼气和电源开关自动关闭。

具体如图1所示，本发明的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统包括风能和太阳能复合动力发生单元10、沼气发生单元20、沼液加热装置30、蓄电单元40和牲畜阳光暖棚50相互连接组成，对风能、太阳能和人畜的粪便加以利用、处理的一体化能源循环系统。风能和太阳能复合动力发生单元10分别连接至加热装置30和蓄电单元40，沼液加热装置30对沼气发生单元20进行加热。牲畜阳光暖棚50中建有厕所和牲畜舍以及蔬菜园，人畜粪便输入沼气发生单元20中，提供沼气发生原料。所述风能和太阳能复合动力发生单元10主要包括太阳能灶、风力发电装置和太阳光伏板。所述沼气和太阳光热复合利用单元主要为利用沼气能及太阳能、风能的房间及各种耗能装置，具体如室内取暖，煮饭、烧奶，照明等。

具体循环流程如下：

风能和太阳能复合动力发生单元10中包括风力发电机、太阳能采集装置和太阳能发电装置，采集风能和太阳能，并将其转换为电能，风能和太阳能复合动力发生单元10中设置有出口11和出口12，其中，出口11通过电线连接至蓄电单元40。出口12通过电线连接至位于沼气发生单元20的沼液中的沼液加热装置30。

沼气发生单元20建立在牲畜阳光暖棚50附近或者直接建在牲畜阳光暖棚50的下方，沼气发生单元20的四周铺设保温隔热层，这样便于利用人畜粪便直接输入到沼气发生单元20中，减少清理圈舍粪便的劳动力，而且有效控制了沼液热量散失，减少了外部寒冷空气对沼气池中沼液发酵温度的影响，同时，牲畜阳光暖棚50内保存的日间太阳余热和牲畜的散热也有利于提高沼气池内沼液发酵速度。沼气发生单元20中产生的沼气通过出口21输送到房屋中，房屋中的沼气灶和沼气炉利用沼气做饭、产生热量，提升室内温度。

以上是沼液加热装置30利用电能对沼气发生单元20进行加热。

作为本发明的的另一种实施方式，沼液加热装置30还可以为一闭合的热循环管，热循环管分别通过风能和太阳能复合动力发生单元10中的自动跟踪太阳能灶(见本人已授权专利：专利号201010028114.9)、沼气发生单元20以及房间的床/炕。太阳能灶对传热介质(例如：水、油)进行加热，并将热量输送至沼气发生单元20和房间内的床/炕。

沼液加热装置30将热量输送至沼气发生单元20，从而进一步提高沼气池沼液的发酵效率，提高沼气生产能力。沼液加热装置30内设有温度控制器，用以保持沼气发生单元20产生沼气所需的适当温度环境，以及保持房间内人体取暖所需合适温度。

沼气发生单元20产生的沼气输送至房间的沼气灶、沼气炉、沼气灯等沼气应用终端。蓄电池40为房间内的电灯、电热毯等电器提供电能。

牲畜阳光暖棚50内的厕所和牲畜舍中的粪便通过沼气发生单元20的入口22输入人畜粪便，沼气发生单元20中产生的沼渣通过出口23反馈到牲畜阳光暖棚50中的蔬菜园中，为蔬菜园施肥，牲畜阳光暖棚50内利用阳光保持棚内温度，并利用沼气池的沼渣和牲畜呼吸产生的二氧化碳为蔬菜等绿色植物生长提供了较好的环境条件，充分利用沼气发生所产生的废弃物改善牧民生活。

冷暖空气循环交换单元中，在牧民居住房屋的向阳面，靠墙安装一个封闭的玻璃空间61，并在墙壁的上方和下方各开数个换气孔62，与房间相通。早上阳光照射到封闭玻璃空间61时，玻璃空间61内的空气被加热，到一定温度时，换气孔62自动打开，利用空气动力学中热空气上升原理，让热空气从上换气孔62进入室内，室内冷空气从下换气孔62进入玻璃空间60加热，如此循环，使牧民居住的房间内温度得到提升。当太阳降落，玻璃空间内温度降到比室内低时，换气孔62自动关闭，从而达到保温效果。

本发明充分利用低温、高寒地区的风能和太阳能以及人畜粪便所产生的沼气清洁能源，大幅减少焚烧粪便、木材、煤炭的量，提高沼气生产能力，让更多的人畜粪便以沼液、沼渣形式返施草地或者蔬菜园，增加草原土壤肥力，进而有效保护和改善牧区草原、森林生态环境，提高牧区牧民生活质量，减少大气污染排放，实现绿色清洁能源的可持续利用。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：主要由风能和太阳光伏复合电力发生单元及蓄电单元、沼气发生单元、沼气和太阳光热复合利用单元、沼液加热装置、冷暖空气循环交换单元和牲畜阳光暖棚组成，所述沼气和太阳光热复合利用单元主要为应用能源的房间及各种耗能装置；所述风能和太阳能复合动力发生单元输出电能并输送至沼液加热装置和蓄电单元，沼液加热装置可以对沼气发生单元进行加热，牲畜阳光暖棚中建有厕所和牲畜舍以及蔬菜园，人畜粪便输入沼气发生单元中，提供沼气发生原料，沼气发生单元中的产生的沼渣输送至所述蔬菜园中，形成能源与资源一体化利用，热、电、肥料共生的循环系统。

2.如权利要求1所述沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述风能和太阳能复合动力发生单元为风能和太阳光伏复合电力装置，主要包括太阳能灶、风力发电装置和太阳光伏板。

3.如权利要求1所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述沼气发生单元为沼气池，在所述沼气池底部及侧壁设有保温隔热层。

4.如权利要求1所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述沼液加热装置为设于沼液中，由风能和太阳能复合动力发生单元提供能源的加热器。

5.如权利要求1所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述沼液加热装置为一闭合的热循环管，所述热循环管分别通过沼气池的沼液以及房间的床/炕。

6.如权利要求5所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述沼气发生单元通过热循环管连接风能和太阳能复合动力发生单元中的太阳能灶，所述太阳能灶对传热介质进行加热，并将热量输送至沼气发生单元和房间内的的床/炕。

7.如权利要求1～5中任一所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述沼液加热装置中设置有温度控制器。

8.如权利要求1所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述冷暖空气循环交换单元是在房屋的墙壁上方和下方各设置有一个通风孔，与房间外封闭玻璃空间连通，以使冷、热空气交换。

9.如权利要求1所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述沼气发生单元产生的沼气输送至房间的沼气灶、沼气炉、沼气灯等沼气应用终端。

10.如权利要求1所述的沼气、风能、太阳能一体化生态循环系统，其特征在于：所述蓄电单元储蓄风能和太阳能复合动力发生单元收集的能量，为房间内的电热毯、电灯等电器提供电能。