CN107418882B - 可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池 - Google Patents

可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池 Download PDF

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Abstract

可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，属于太阳能与生物质能利用技术领域。所述太阳能沼气池包括沼气发酵池、太阳能热水循环系统和相变储能系统；太阳能热水循环系统包括一级上升管、回水管、设置在沼气发酵池内部的蓄热水箱、下降散热管组和回水集水箱、以及设置在沼气发酵池外部的太阳能集热器；相变储能系统包括设置在沼气发酵池内的二级上升管以及设置在回水集水箱内的多个相变储能单元，二级上升管的一端与回水集水箱连通，另一端与蓄热水箱连通，相变储能单元包括封装壳体以及位于封装壳体内的相变蓄热材料，相变蓄热材料在发生相变的过程中放出的热量能为沼气发酵池内的物料提供发酵所需的热量。

Description

可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池
技术领域
本发明涉及太阳能与生物质能利用技术领域，特别涉及一种可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池。
背景技术
利用太阳能提高沼气池内沼气发酵温度，是目前沼气池增温常用的技术手段，使沼气保持在中温与高温发酵阶段，提高发酵产气率。但目前，关于太阳能沼气池的设计几乎都是利用循环水泵来提供管路内热水循环的动力，如太阳能恒温沼气池(申请号为201210055393.7的中国专利)、太阳能沼气池(申请号为201110063984.4的中国专利)等；水泵在长时间的运行过程中消耗电能，增加运行成本，在控制维护上也会产生问题，与太阳能沼气池的减少电能消耗的设计理念相悖。
在专利《一种可实现热水系统自然循环的地上太阳能沼气池》(ZL201410161484.8)中利用虹吸效应设计了一种可在白天实现热水系统自然循环的太阳能沼气池，但该沼气池在夜间无阳光照射时，太阳能热水循环系统无法运转工作，使沼气池温度下降，低温将导致沼气池内的发酵停止，不能生产沼气，因此太阳能沼气池在夜间不能发挥作用，对沼气生产的连续性会产生不利影响。在北方地区，昼夜温差较大，温差过大也会对白天产气产生不利影响。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述太阳能沼气池包括沼气发酵池、太阳能热水循环系统和相变储能系统；
太阳能热水循环系统包括一级上升管、回水管、设置在沼气发酵池内部的蓄热水箱、下降散热管组和回水集水箱、以及设置在沼气发酵池外部的太阳能集热器，蓄热水箱位于沼气发酵池的顶部，回水集水箱位于沼气发酵池的底部，太阳能集热器的最高点低于回水集水箱的底部，一级上升管的一端与太阳能集热器顶部的出水口连通，另一端穿过沼气发酵池与蓄热水箱的上部连通，蓄热水箱的下部通过下降散热管组与回水集水箱连通，回水管的一端与太阳能集热器底部的进水口连通，另一端穿过沼气发酵池与回水集水箱的底部连通；
相变储能系统包括设置在沼气发酵池内的二级上升管以及设置在回水集水箱内的多个相变储能单元，二级上升管的一端与回水集水箱的上部连通，另一端与蓄热水箱的上部连通，二级上升管与回水集水箱的连通位置高于下降散热管组与回水集水箱的连通位置，相变储能单元包括封装壳体以及位于封装壳体内的相变蓄热材料，相变蓄热材料在发生相变的过程中放出的热量能为沼气发酵池内的物料提供发酵所需的热量。
所述封装壳体的材料为聚丙烯塑料。
所述封装壳体为球形。
所述球形的封装壳体的直径为5～8cm。
所述相变蓄热材料为晶型蜡。
所述二级上升管的外侧壁上设置有第一保温层。
所述第一保温层为橡塑保温棉。
所述沼气发酵池的外侧壁上设置有沼气池外保温层，所述一级上升管的外侧壁上设置有第二保温层。
所述下降散热管组呈弧线设置，且贴近沼气发酵池的内壁设置。
所述太阳能集热器的最高点与所述回水集水箱的底部之间的距离为0.7～1.5米。
本发明应利用太阳能集热器与相变蓄热材料的双热源切换，实现了昼夜双级自然对流循环。相变蓄热材料的蓄热、放热特性，使该材料在白天通过太阳能热水循环系统充分吸收热量进行储能，到了夜间太阳能热水循环系统停止工作，没有外界热量输入时，相变蓄热材料进入放热阶段，成为夜间辅助热源，热水系统内再次形成自然循环，通过对沼气池散热，维持池内稳定的发酵温度，解决了沼气池夜间不产气的问题；本发明中的太阳能沼气池的相变储能系统，提高夜间沼气发酵池的温度，尤其对于北方地区，避免了昼夜温差较大而对白天产气的不利影响的；
附图说明
图1是本发明提供的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池的结构示意图。
其中，
1沼气发酵池；2一级上升管；3回水管；4蓄热水箱；5下降散热管组；6回水集水箱；7太阳能集热器；8二级上升管；9相变储能单元；10第一保温层；11第二保温层；12沼气池外保温层；13第三保温层。
具体实施方式
为了解决现有技术中存在的夜间无阳光照射时，太阳能热水循环系统无法工作，使沼气池温度下降，导致沼气池内发酵停止以及昼夜温差过大对白天产气产生不利影响的问题，如图1所示，本发明提供了一种可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，该太阳能沼气池包括沼气发酵池1、太阳能热水循环系统和相变储能系统；
沼气发酵池1为玻璃钢球体，太阳能热水循环系统包括一级上升管2、回水管3、设置在沼气发酵池1内部的蓄热水箱4、下降散热管组5和回水集水箱6、以及设置在沼气发酵池1外部的太阳能集热器7，蓄热水箱4位于沼气发酵池1的顶部，回水集水箱6位于沼气发酵池1的底部，太阳能集热器7的最高点低于回水集水箱6的底部，一级上升管2的一端与太阳能集热器7顶部的出水口连通，另一端穿过沼气发酵池1与蓄热水箱4的上部连通，蓄热水箱4的下部通过下降散热管组5与回水集水箱6连通，回水管3的一端与太阳能集热器7底部的进水口连通，另一端穿过沼气发酵池1与回水集水箱6的底部连通；
相变储能系统包括设置在沼气发酵池1内的二级上升管8以及设置在回水集水箱6内的多个相变储能单元9，二级上升管8的一端与回水集水箱6的上部连通，另一端与蓄热水箱4的上部连通，二级上升管8与回水集水箱6的连通位置高于下降散热管组5与回水集水箱6的连通位置，相变储能单元9包括封装壳体以及位于封装壳体内的相变蓄热材料，相变蓄热材料在发生相变的过程中放出的热量能为沼气发酵池1内的物料提供发酵所需的热量。
相变蓄热材料在发生相态变化时伴随着热量的吸收或放出，因此通过控制周围环境的温度，可以用相变蓄热材料储存或者释放热能。在本发明中，将相变温度与沼气发酵温度相近的相变蓄热材料与太阳能沼气池相结合，白天沼气池通过太阳能维持沼气发酵池1内温度稳定，同时相变蓄热材料吸收热量进行蓄热；在夜间太阳能系统停止工作时，相变蓄热材料进入放热阶段，继续维持池内发酵温度，能够有效解决沼气池在夜间无法工作的问题。在北方地区，能够有效解决昼夜温差大而对白天产气产生的不利影响。在本发明中，相变蓄热材料可以为相变温度为55至58℃的晶型蜡，封装壳体的材料选择聚丙烯塑料。
本发明中的太阳能沼气池的工作过程如下：
如图1所示，白天的时候水在太阳能集热器7内被加热，温度升高后的水密度会变小，产生浮升力，进入与太阳能集热器7相连通的一级上升管2，并通过一级上升管2进入蓄热水箱4内；热水在蓄热水箱4内向沼气发酵池1散热降温，温度降低后的水密度会变大，产生向下的虹吸力，并进入下降散热管组5；通过下降散热管组5继续向沼气发酵池1内散热，继续为沼气发酵池1内的物料提供发酵所需的热量，在下降散热管组5内的热水随着水流流向温度继续降低，密度继续变大，增加向下的虹吸力，并进入到回水集水箱6内，此时相变储能单元9内的相变蓄热材料吸收回水集水箱6内水的热量并发生相变，例如相变蓄热材料为晶型蜡时，封装壳体内的晶型蜡吸收回水集水箱6内水的热量，发生相变，逐渐融化，由固态变为液态，将回水热量吸收储存，回水集水箱6内的热水温度进一步降低，密度变大，最后经回水管3返回太阳能集热器7内重新加热；
到了夜晚没有阳光照射时，沼气发酵池1内部温度下降，当温度低于晶型蜡的相变温度时，封装壳体内的晶型蜡将发生相变逐渐凝固，由液态变为固态，同时放出热量，因此回水集水箱6内的水被加热，密度变小，产生浮升力，通过与蓄热水箱4相连通的二级上升管8进入蓄热水箱4内，热水在蓄热水箱4内向沼气发酵池1散热，水的温度降低，密度加大，产生下降的虹吸力，并进入下降散热管组5；热水通过下降散热管组5时会继续向沼气发酵池1内散热，在夜间为沼气发酵池1内的物料提供发酵所需的热量，在下降散热管组5内的热水随着水流流向温度降低，密度变大，增加向下的虹吸力，并进入到回水集水箱6内，形成了夜间二级循环。因此，使得太阳能沼气池在夜间无阳光照射时也能继续发酵产气，同时能够有效改善北方地区由于夜间温度较低而对白天产气产生的不利影响。
夜间，回水集水箱6底面以下的管路体统中，包含太阳能集热器7及回水管3，由于夜间散热，温度降低，导致水的密度增大，不会对夜间沼气池内的二级循环产生影响，既相变蓄热材料将回水集水箱6内的水加热后，温度升高的水由于虹吸效应只会通过二级上升管8向上运动，并不会向下流入到回水管3中。
在本发明中，封装壳体为球形，采用球形的封装壳体能够保证水在多个封装壳体的缝隙间流过，能够增大水与封装壳体的接触面积，更有利于相变蓄热材料与回水集水箱6内的水进行换热。优选地，多个相变储能单元9的总体积约占回水集水箱6体积的70％，因此，根据回水集水箱6的体积可计算得出多个相变储能单元9的总体积，再根据多个相变储能单元9的总体积以及每个球形的相变储能单元9的直径可计算得出相变储能单元9的数量，球形的相变储能单元9的直径为5～8cm，即球形的封装壳体的直径为5～8cm。
在本发明中，为了更好的保证水在一级上升管2以及二级上升管8内的浮升力，可以在二级上升管8的外侧壁上设置第一保温层10，在一级上升管2的外侧壁上设置第二保温层11；进一步，为了防止沼气发酵池1无益散热，可以在沼气发酵池1的外侧壁上设置沼气池外保温层12，在回水管3的外侧壁上设置第三保温层13，第一保温层10、第二保温层11、第三保温层13以及沼气池外保温层12可以为橡塑保温棉。
在本发明中，为了增大散热面积，下降散热管组5呈弧线设置，且贴近沼气发酵池1的内壁设置。
在本发明中，为了增加热水在自然对流形成过程的虹吸力和保证蓄热水箱4内水的冷热分层效果，太阳能集热器7的最高点，即太阳能集热器7的顶部与回水集水箱6底部之间的距离为0.7至1.5米。
在本发明中，为增加热水在自然对流形成过程的虹吸力，蓄热水箱4可以采用立式蓄热水箱。
下面对本发明中的太阳能沼气池的具体尺寸设计进行举例，但并不限定于本例：沼气发酵池1为直径两米的玻璃钢球体；太阳能集热器7采用真空管太阳能集热器，真空管规格为直径47mm、长度1.2m，共12支，其排列形式为单侧水平排列，集热面朝向为南向，且集热面与水平面的夹角和当地纬度相同；蓄热水箱4采用高度为0.5m、直径为0.4m的圆柱型不锈钢水箱；下降散热管组5由并列排布的10根外径为22mm、壁厚为2mm的不锈钢管组成；一级上升管2、二级上升管8和回水管3均采用内径为32mm的PPR管；为保证蓄热水箱4内热水的冷热分层效果，一级上升管2上部在距蓄热水箱4顶面20mm处的侧壁与蓄热水箱4的内部相连通；二级上升管8上部在距蓄热水箱4顶面100mm处的侧壁与蓄热水箱4的内部相连通；二级上升管8下部与距回水集水箱6底面20mm处的侧壁与回水集水箱6的内部相连通；下降散热管组5的上端在距蓄热水箱4底面20mm处的侧壁与蓄热水箱4的内部相连通，下降散热管组5的另下端与回水集水箱6距顶面20mm处的侧壁与回水集水箱6的内部相连通；第一保温层10、第二保温层11和第三保温层13采用厚度为25mm的橡塑保温棉；沼气池外保温层12采用厚度为30mm的橡塑保温棉。
本发明中的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池能达到的有益效果：
1、本发明利用冷、热水密度差产生的虹吸力实现了太阳能热水循环系统的自然循环，在白天提高了沼气发酵池1内沼气的发酵温度，使沼气保持在中温与高温的发酵阶段，提高了沼气的发酵产气率，达到充分利用太阳能与生物质能的目的，促进北方农村生态农业的可持续发展；
2、本发明应利用太阳能集热器7与相变蓄热材料的双热源切换，实现了昼夜双级自然对流循环。相变蓄热材料的蓄热、放热特性，使该材料在白天通过太阳能热水循环系统充分吸收热量进行储能，到了夜间太阳能热水循环系统停止工作，没有外界热量输入时，相变蓄热材料进入放热阶段，成为夜间辅助热源，热水系统内再次形成自然循环，通过对沼气池散热，维持池内稳定的发酵温度，解决了沼气池夜间不产气的问题；
3、本发明中的太阳能沼气池的相变储能系统，提高夜间沼气发酵池1的温度，尤其对于北方地区，避免了昼夜温差较大而对白天产气的不利影响的；
4、由于本发明充分利用太阳能集热器7提供的热量，使太阳能热水循环系统实现了自然循环，而无需采用循环水泵提供循环动力，在运行过程中没有产生水泵的运行电耗，节省了装置水泵在运行过程中产生的电耗费用，具有很大的经济效益，对太阳能沼气发酵池1的推广和使用有积极的影响；
5、本发明采用的太阳能热水循环系统以及相变储能系统与沼气发酵池1的一体化设计使日常维护更加方便，运行的可靠性提高，同时由于在运行中没用水泵的使用，无需控制水泵的开启与关闭，使沼气发酵池1在日常维护方面的工作量大为减少。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述太阳能沼气池包括沼气发酵池、太阳能热水循环系统和相变储能系统；
太阳能热水循环系统包括一级上升管、回水管、设置在沼气发酵池内部的蓄热水箱、下降散热管组和回水集水箱、以及设置在沼气发酵池外部的太阳能集热器，蓄热水箱位于沼气发酵池的顶部，回水集水箱位于沼气发酵池的底部，太阳能集热器的最高点低于回水集水箱的底部，一级上升管的一端与太阳能集热器顶部的出水口连通，另一端穿过沼气发酵池与蓄热水箱的上部连通，蓄热水箱的下部通过下降散热管组与回水集水箱连通，回水管的一端与太阳能集热器底部的进水口连通，另一端穿过沼气发酵池与回水集水箱的底部连通；
相变储能系统包括设置在沼气发酵池内的二级上升管以及设置在回水集水箱内的多个相变储能单元，二级上升管的一端与回水集水箱的上部连通，另一端与蓄热水箱的上部连通，二级上升管与回水集水箱的连通位置高于下降散热管组与回水集水箱的连通位置，相变储能单元包括封装壳体以及位于封装壳体内的相变蓄热材料，相变蓄热材料在发生相变的过程中放出的热量能为沼气发酵池内的物料提供发酵所需的热量。
2.根据权利要求1所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述封装壳体的材料为聚丙烯塑料。
3.根据权利要求1所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述封装壳体为球形。
4.根据权利要求3所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述球形的封装壳体的直径为5～8cm。
5.根据权利要求1所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述相变蓄热材料为晶型蜡。
6.根据权利要求1所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述二级上升管的外侧壁上设置有第一保温层。
7.根据权利要求6所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述第一保温层为橡塑保温棉。
8.根据权利要求1所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述沼气发酵池的外侧壁上设置有沼气池外保温层，所述一级上升管的外侧壁上设置有第二保温层。
9.根据权利要求1所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述下降散热管组呈弧线设置，且贴近沼气发酵池的内壁设置。
10.根据权利要求1至9任一项权利要求所述的可实现热水系统双级昼夜自循环的相变储能太阳能沼气池，其特征在于，所述太阳能集热器的最高点与所述回水集水箱的底部之间的距离为0.7～1.5米。
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