基于太陽能輔助加熱和智能恒溫控制的新型室外發(fā)酵裝置

孫悅等

摘要：目前，太陽能雖然被廣泛運用在熱水器等中，但一些基礎(chǔ)科學(xué)裝置尚未很好地利用太陽能。在傳統(tǒng)發(fā)酵裝置的外部裝上太陽能電池板，更有利于較好地利用這種清潔可再生能源，滿足發(fā)酵工程所適宜的溫度。文章介紹了一種基于太陽能輔助加熱和智能恒溫控制的新型室外發(fā)酵裝置。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；輔助加熱；智能恒溫控制；沼氣發(fā)酵；室外發(fā)酵裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK514 文章編號：1009-2374（2015）18-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.012

1 研制背景及意義

目前，中國沼氣池的推廣應(yīng)用規(guī)模居世界首位。雖然沼氣的發(fā)展對緩解我國農(nóng)村能源利用問題起到了巨大的推動作用，但是仍具有自身的局限性，只應(yīng)用于家庭自產(chǎn)自用的方面，并沒有發(fā)展成為一種產(chǎn)品，也受到了地域季節(jié)和氣候的多方面影響，難以進(jìn)行大范圍的推廣普及。與國外的一些先進(jìn)沼氣制備技術(shù)相比，我們在對有機物進(jìn)行厭氧處理方面的研究還有很大欠缺。

基于上述背景，我們將新能源技術(shù)——太陽能利用技術(shù)應(yīng)用到沼氣生產(chǎn)技術(shù)中，利用便于得到且儲量巨大環(huán)保無污染的太陽熱能來生產(chǎn)沼氣能。這樣可以有效解決冬季寒冷地區(qū)沼氣池不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣低的問題，保證了冬季寒冷地區(qū)農(nóng)村的正常用氣，滿足農(nóng)戶全年對沼氣的需要。

本裝置能夠充分利用太陽能和生物質(zhì)能產(chǎn)生沼氣，沼氣屬于綠色能源，具有高燃燒效率且無污染的特點。

2 設(shè)計方案

本裝置由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)和發(fā)酵系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。其中太陽能發(fā)電系統(tǒng)由位于裝置表層的太陽能電池板、位于裝置側(cè)面的穩(wěn)壓設(shè)備和蓄電池組成；恒溫控制系統(tǒng)由位于罐體內(nèi)部的溫度傳感器、單片機和電熱板組成；噴灌系統(tǒng)由位于裝置內(nèi)部的水回收設(shè)備、位于裝置頂部的儲水罐和噴灌設(shè)備組成；發(fā)酵系統(tǒng)的主體是改良成半圓型的通用發(fā)酵罐。下面將具體介紹各個系統(tǒng)的工作過程：

2.1 發(fā)酵系統(tǒng)

由于本裝置的發(fā)酵系統(tǒng)的工作原理與通用的發(fā)酵原理相同，不是本裝置重點創(chuàng)新部分，因此在此不加以詳細(xì)說明。

2.2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

本裝置的發(fā)酵罐體設(shè)計成半圓形，在傳統(tǒng)的發(fā)酵罐體外加裝太陽能電池板表層，太陽能電池板采用可彎曲薄膜式，覆蓋整個裝置表面，全方位、多角度充分吸收太陽能，將豐富的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，以供應(yīng)整個系統(tǒng)的使用。太陽能經(jīng)表層的太陽能電池轉(zhuǎn)化成的電能電壓較不穩(wěn)定，為了達(dá)到供給整個裝置使用的條件，這部分電能將先通過電路輸送給設(shè)置在發(fā)酵罐體側(cè)面的穩(wěn)壓設(shè)備，轉(zhuǎn)化為適合電器使用的穩(wěn)定持續(xù)電流，再輸出給裝置供電。同時多余的電能被輸送給設(shè)置在穩(wěn)壓設(shè)備旁邊的蓄電池儲存起來，當(dāng)遇到光照不足或夜晚時，太陽能電池即時轉(zhuǎn)化的電能不足以供給整個系統(tǒng)用電，蓄電池可以起到輔助供電的作用。

2.3 恒溫控制系統(tǒng)

發(fā)酵過程對溫度控制有著嚴(yán)格的要求，將發(fā)酵溫度控制在適宜的范圍內(nèi)有利于提高發(fā)酵效率，保證充分發(fā)酵。受到環(huán)境溫度的影響，傳統(tǒng)的發(fā)酵裝置不能很好地控制溫度，因此我們設(shè)計了恒溫控制系統(tǒng)。在發(fā)酵罐內(nèi)部，我們改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了分層設(shè)計，使發(fā)酵物得到充分利用。發(fā)酵物分層放置在分隔板上，在分隔板中安裝有電熱板，電能經(jīng)處理后供給電熱板用電，電熱板給位于其上的發(fā)酵物加熱。為了防止加熱溫度過高，我們特別設(shè)置了閉環(huán)控制的溫度控制裝置，在罐體側(cè)壁安裝的溫度傳感器可以實時檢測罐內(nèi)發(fā)酵的環(huán)境溫度，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送給單片機（微處理器），單片機中的溫度控制程序根據(jù)傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)信息決定電熱板采取恒溫或是加熱模式，并向電熱板發(fā)出控制信息，電熱板執(zhí)行指令后，對發(fā)酵環(huán)境產(chǎn)生的影響又由溫度傳感器實時反饋給單片機。

2.4 噴灌系統(tǒng)

發(fā)酵過程中產(chǎn)生的水分由位于分隔板上的水回收利用裝置收集，位于罐體頂部的水泵將收集裝置中的水通過相關(guān)管道泵入到位于罐體頂部的儲水罐，儲水罐頂部設(shè)置有小型噴灌設(shè)備，利用電能驅(qū)動將儲水罐中的水噴灑出去。

具體設(shè)備介紹如下：

2.4.1 溫度傳感器：我們選用與被測對象有良好接觸的接觸式溫度傳感器，它在工作時通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而溫度計指示值可以直接顯示被測對象的溫度，優(yōu)點則是測量精度較高，利用此溫度傳感器測發(fā)酵裝置內(nèi)部溫度，在非運動體、大目標(biāo)和熱容量很大的情況下工作會有很小的測量誤差，利于發(fā)酵裝置在工作過程中及時監(jiān)測到溫度變化，以便更準(zhǔn)確的控制適宜的恒溫環(huán)境。

2.4.2 小型噴灌設(shè)備：在發(fā)酵裝置的內(nèi)部，設(shè)置有一個利用發(fā)酵生成水的設(shè)備即連接一個可移動的小型噴灌設(shè)備，選用鋅合金水鳥地插，可達(dá)到0.2～0.55MPa的水壓，可以很好地灌溉農(nóng)田，將發(fā)酵廢水再次加以利用達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.4.3 太陽能電池板：選用美國進(jìn)口UNISOLAR非晶硅柔性電池，薄膜式可彎曲的電池板，單片電池0.5W 2V 400MA，可以做在任何需要彎曲的載體上，可以貼合我們發(fā)酵裝置表面的半球型設(shè)計，功率大、尺寸小、電流足，而且對太陽能的轉(zhuǎn)化率相對很高。

2.4.4 電熱板：利用電鍋的焦耳效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變成電能以加熱物體，我們選用的電熱板是用直接電阻加熱的形式，熱量直接作用于被加熱物體本身，屬于內(nèi)部加熱，熱效率很高，工作電壓及電流由太陽能電池板產(chǎn)生的電壓和電流確定，加熱制沼氣原料，電熱板的工作面積根據(jù)總體大小可確定。

3 理論設(shè)計計算

筆者初探了三維空間的體積利用與分配。在三維空間內(nèi)，如果無法增加長和寬，就只有考慮它的高了。但其高也不能無限擴大，還需結(jié)合實際情況保障其穩(wěn)定性，注意采光、防漏排水、防雷擊、抗壓等問題。綜上，本文設(shè)計了這種新型室外發(fā)酵裝置。

如果設(shè)其底面半徑為R，則其表面積為S=1/2S球=1/2×4πR2=2πR2，體積V=1/2V球=2/3πr3，三個支撐板的總面積根據(jù)勾股定理和投影面積公式可解得為22/9πR2，相比于無加層時的πR2，它有著絕對的優(yōu)勢。此外，其他的設(shè)計也提升了它的實用價值。

4 創(chuàng)新點及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點

我們在這種新型裝置中外部裝有太陽能電池板，更有利于利用太陽能，利用這種清潔可再生能源有利于節(jié)約能源、零排放，又能滿足發(fā)酵工程所適宜的溫度，可以產(chǎn)生最好的發(fā)酵效果。

我們的半球型設(shè)計增加了靈活性，有利于從各個角度吸收光能，也使電熱板上發(fā)酵物在需要時可受太陽照射（如用正方體則無法做到），在不需要時則完全可以避免光照，同時半球設(shè)計也利用了半球特有的幾何性質(zhì)：穩(wěn)定性，也增強了排水能力，防止上面積水；上凸曲面設(shè)計提升了抗壓性能；保證了此裝置各個方面的性能，在工作同時杜絕一系列被水浸泡，被壓壞等隱患。

4.2 應(yīng)用

我們將新能源技術(shù)——太陽能利用技術(shù)應(yīng)用到沼氣生產(chǎn)技術(shù)中，利用便于得到且儲量巨大，環(huán)保無污染的太陽熱能來生產(chǎn)沼氣能。這樣可以有效解決冬季寒冷地區(qū)沼氣池不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣低的問題，保證了冬季寒冷地區(qū)農(nóng)村的正常用氣，滿足農(nóng)戶全年對沼氣的需要。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：孫悅（1994-），女，山東蓬萊人，山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：交通運輸。

（責(zé)任編輯：周 瓊）