淺談高寒地區(qū)太陽能集成沼氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李銀輪+袁嬌+蔡詠兵

摘 要：沼氣是一種利用生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的清潔能源，沼氣發(fā)電已廣泛地應(yīng)用于中國的農(nóng)村。本文以高寒地區(qū)冬季環(huán)境條件為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一套適用于該地區(qū)冬季氣溫條件下的太陽能集成沼氣系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū)；沼氣系統(tǒng)；太陽能；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度是影響生物質(zhì)厭氧消化過程的重要因素，一般在高寒地區(qū)很難獲得合適的溫度條件，使用電、石油給沼氣池加熱，使其保持在理想的溫度是非常不經(jīng)濟(jì)的。高寒地區(qū)有充足的太陽能資源，我們可以利用太陽能熱水器將太陽的輻射熱量收集起來，加熱熱水，并以熱水為媒介將熱量傳遞給沼氣池，這樣，沼氣池可獲得一種合適的穩(wěn)定溫度來生產(chǎn)沼氣。為此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種新型沼氣及太陽能綜合利用系統(tǒng)；將光熱技術(shù)與沼氣技術(shù)綜合利用，通過廉價(jià)單片機(jī)和傳感器組成自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)沼氣的發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行控制，使沼液始終保持在穩(wěn)定的參數(shù)，光熱技術(shù)組成的熱水循環(huán)系統(tǒng)為沼氣池增溫、保溫，提高沼氣的產(chǎn)氣率和可再生能源利用率；能很好的解決北方冬季產(chǎn)氣問題。

1 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先確定沼氣池的容積并對(duì)池體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為減少冬季罐體熱損失需要在發(fā)酵罐外部附加保溫層保溫，最后合理配置太陽能集熱系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。本系統(tǒng)主要由太陽能熱水器、熱水緩沖器、螺旋式換熱器、自動(dòng)控制系統(tǒng)（溫度傳感器、交流觸電器、溫控儀和電磁閥等）、循環(huán)泵和其它輔助部件組成。其功能是為中溫發(fā)酵的沼氣反應(yīng)罐進(jìn)行加熱。

當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而開啟循環(huán)泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經(jīng)反應(yīng)罐中的螺旋管式換熱器進(jìn)行循環(huán)，對(duì)液料進(jìn)行加熱，提升反應(yīng)罐內(nèi)的溫度；當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關(guān)閉循環(huán)泵，循環(huán)終止。熱水緩沖器的主要功能是防止溫度過高，將進(jìn)入螺旋管中的溫度控制在60℃±2℃。

2 厭氧發(fā)酵罐尺寸的設(shè)計(jì)

發(fā)酵料液處理量：40t/d，且料液為牲畜糞發(fā)酵料液

發(fā)酵料液濃度：8%

發(fā)酵周期：20d

發(fā)酵溫度：25℃～35℃

查資料可知，牲畜糞便中干物質(zhì)含量與密度有顯著關(guān)系，糞便中干物質(zhì)（DM（f））和密度（SG）的回歸方程為

DM（f）=1066.152SG-1064.541（R2=0.835，S.E（b）=108.85，P<0.001）

式中：DM（f）—糞中干物質(zhì)含量，%

SG—糞便密度，g/cm3

已知DM（f）=8%，帶入上式得

8%=1066.152SG-1064.541，

計(jì)算得

g/cm3= kg/m3

查資料知：發(fā)酵罐有效容積=每天原料量÷發(fā)酵濃度÷發(fā)酵料液密度×原料適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵時(shí)間

發(fā)酵罐容積單位為L或m3，原料量的單位為kg/d；濃度為%；料液密度單位為kg/m3或g/L；時(shí)間為d。

已知料液的進(jìn)料量為40t/d，其濃度為8%，密度：ρ=998.6 kg/cm3，適當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為20d，所以，

發(fā)酵罐有效容積 m3

因?yàn)榱弦喊垂摅w內(nèi)部容積的80%填加，所以，發(fā)酵罐的容積

m3

在罐體容積一定，罐體材料傳熱系數(shù)一定的情況下，將圓柱體體積公式代入圓柱體面積公式，然后對(duì)面積公式求導(dǎo)，即可求得面積公式的極值點(diǎn)，此點(diǎn)即為體積一定時(shí)表面積最小的點(diǎn)。采用此方法設(shè)計(jì)發(fā)酵罐罐體尺寸，可以使發(fā)酵罐罐體表面積最小，從而達(dá)到減少熱損，減少罐體成本以及減少太陽能集熱器投資的目的。

式中：V—發(fā)酵罐容積，m3：

S—發(fā)酵罐內(nèi)表面積.m2；

R—圓柱體半徑，m；

h—圓柱體的高，m。

面積對(duì)半徑求導(dǎo)得： S=2πh+4πR

根據(jù)上述的優(yōu)化方法得，h=2R，所以，V=πR2×2R，

Di=2R=10.8m

H=2R=10.8m

3 罐體保溫層設(shè)計(jì)

本裝置在冬季條件下運(yùn)行，必須降低罐體散熱損失，應(yīng)該給發(fā)酵罐加上保溫層。保溫結(jié)構(gòu)由絕熱層和保護(hù)層兩部分構(gòu)成：絕熱層主要由導(dǎo)熱系數(shù)小于O.2W/（m·℃）的絕熱材料組成，用于增大熱阻，降低熱損；保護(hù)層主要由一些法向反射率低的薄層金屬構(gòu)成，用于保護(hù)絕熱材料，同時(shí)防火、防水、防潮和起到美觀作用。保護(hù)層一般緊貼絕熱層安裝。

本裝置采用100mm（δ2）厚的擠塑聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行外保溫處理。擠塑聚苯乙烯保溫板（XPS）是以聚苯乙烯樹脂為原料，經(jīng)由特殊工藝連續(xù)擠出發(fā)泡成型的硬質(zhì)板材，其內(nèi)部為獨(dú)立的密閉式氣泡結(jié)構(gòu)，是一種具有高抗壓、不吸水、防潮、不透氣、輕質(zhì)、耐腐蝕、使用壽命長、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)異性能的環(huán)保型保溫材料。擠塑板具有連續(xù)均勻的表層及閉孔式蜂窩結(jié)構(gòu)，這些蜂窩結(jié)構(gòu)的互聯(lián)壁有一致的厚度，泡孔間沒有任何空隙。這種結(jié)構(gòu)使擠塑板在吸水率、蒸汽滲透系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等方面均低于其它的板狀保溫材料，同時(shí)抗壓強(qiáng)度卻很高，因此具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，良好的抗水性能和高抗壓性能。材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱系數(shù)為λ2=O.028 W/（m·℃）。保溫層外部采用1.00mm厚的薄鐵板進(jìn)行固定。

結(jié)語

農(nóng)村太陽能、生物質(zhì)能非常豐富，本研究充分利用農(nóng)村現(xiàn)有資源，有效的解決了農(nóng)村能源問題，環(huán)境問題，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將太陽能、沼氣供熱系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)用，提高了熱能利用效率、促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且太陽能、沼氣供熱系統(tǒng)產(chǎn)生廢物廢水有極大的農(nóng)用價(jià)值，既環(huán)保節(jié)能又降低了生態(tài)環(huán)境污染而且加大了能源利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊福龍. 寒冷地區(qū)戶用沼氣池太陽能增溫系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)[D].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

項(xiàng)目資助：青海省西寧市科學(xué)技術(shù)局，項(xiàng)目編號(hào)2014-T-19