基于太陽能輔助加熱和智能恒溫控制的新型室外發酵裝置

孫悅等

摘要：目前，太陽能雖然被廣泛運用在熱水器等中，但一些基礎科學裝置尚未很好地利用太陽能。在傳統發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酵裝置。

關鍵詞：太陽能發電；輔助加熱；智能恒溫控制；沼氣發酵；室外發酵裝置 文獻標識碼：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用規模居世界首位。雖然沼氣的發展對緩解我國農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，只應用于家庭自產自用的方面，并沒有發展成為一種產品，也受到了地域季節和氣候的多方面影響，難以進行大范圍的推廣普及。與國外的一些先進沼氣制備技術相比，我們在對有機物進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——太陽能利用技術應用到沼氣生產技術中，利用便于得到且儲量巨大環保無污染的太陽熱能來生產沼氣能。這樣可以有效解決冬季寒冷地區沼氣池不產氣或產氣低的問題，保證了冬季寒冷地區農村的正常用氣，滿足農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能產生沼氣，沼氣屬于綠色能源，具有高燃燒效率且無污染的特點。

2 設計方案

本裝置由太陽能發電系統、恒溫控制系統、噴灌系統和發酵系統四大系統組成。其中太陽能發電系統由位于裝置表層的太陽能電池板、位于裝置側面的穩壓設備和蓄電池組成；恒溫控制系統由位于罐體內部的溫度傳感器、單片機和電熱板組成；噴灌系統由位于裝置內部的水回收設備、位于裝置頂部的儲水罐和噴灌設備組成；發酵系統的主體是改良成半圓型的通用發酵罐。下面將具體介紹各個系統的工作過程：

2.1 發酵系統

由于本裝置的發酵系統的工作原理與通用的發酵原理相同，不是本裝置重點創新部分，因此在此不加以詳細說明。

2.2 太陽能發電系統

本裝置的發酵罐體設計成半圓形，在傳統的發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，將豐富的太陽能轉化為電能，以供應整個系統的使用。太陽能經表層的太陽能電池轉化成的電能電壓較不穩定，為了達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置在發酵罐體側面的穩壓設備，轉化為適合電器使用的穩定持續電流，再輸出給裝置供電。同時多余的電能被輸送給設置在穩壓設備旁邊的蓄電池儲存起來，當遇到光照不足或夜晚時，太陽能電池即時轉化的電能不足以供給整個系統用電，蓄電池可以起到輔助供電的作用。

2.3 恒溫控制系統

發酵過程對溫度控制有著嚴格的要求，將發酵溫度控制在適宜的范圍內有利于提高發酵效率，保證充分發酵。受到環境溫度的影響，傳統的發酵裝置不能很好地控制溫度，因此我們設計了恒溫控制系統。在發酵罐內部，我們改變了傳統的結構，進行了分層設計，使發酵物得到充分利用。發酵物分層放置在分隔板上，在分隔板中安裝有電熱板，電能經處理后供給電熱板用電，電熱板給位于其上的發酵物加熱。為了防止加熱溫度過高，我們特別設置了閉環控制的溫度控制裝置，在罐體側壁安裝的溫度傳感器可以實時檢測罐內發酵的環境溫度，并將相關數據信息發送給單片機（微處理器），單片機中的溫度控制程序根據傳感器發來的數據信息決定電熱板采取恒溫或是加熱模式，并向電熱板發出控制信息，電熱板執行指令后，對發酵環境產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

發酵過程中產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管道泵入到位于罐體頂部的儲水罐，儲水罐頂部設置有小型噴灌設備，利用電能驅動將儲水罐中的水噴灑出去。

具體設備介紹如下：

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或對流達到熱平衡，從而溫度計指示值可以直接顯示被測對象的溫度，優點則是測量精度較高，利用此溫度傳感器測發酵裝置內部溫度，在非運動體、大目標和熱容量很大的情況下工作會有很小的測量誤差，利于發酵裝置在工作過程中及時監測到溫度變化，以便更準確的控制適宜的恒溫環境。

2.4.2 小型噴灌設備：在發酵裝置的內部，設置有一個利用發酵生成水的設備即連接一個可移動的小型噴灌設備，選用鋅合金水鳥地插，可達到0.2～0.55MPa的水壓，可以很好地灌溉農田，將發酵廢水再次加以利用達到節能減排的目的。

2.4.3 太陽能電池板：選用美國進口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，可以貼合我們發酵裝置表面的半球型設計，功率大、尺寸小、電流足，而且對太陽能的轉化率相對很高。

2.4.4 電熱板：利用電鍋的焦耳效應將電能轉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，屬于內部加熱，熱效率很高，工作電壓及電流由太陽能電池板產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總體大小可確定。

3 理論設計計算

筆者初探了三維空間的體積利用與分配。在三維空間內，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，還需結合實際情況保障其穩定性，注意采光、防漏排水、防雷擊、抗壓等問題。綜上，本文設計了這種新型室外發酵裝置。

如果設其底面半徑為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，它有著絕對的優勢。此外，其他的設計也提升了它的實用價值。

4 創新點及應用

4.1 創新點

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約能源、零排放，又能滿足發酵工程所適宜的溫度，可以產生最好的發酵效果。

我們的半球型設計增加了靈活性，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，同時半球設計也利用了半球特有的幾何性質：穩定性，也增強了排水能力，防止上面積水；上凸曲面設計提升了抗壓性能；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 應用

我們將新能源技術——太陽能利用技術應用到沼氣生產技術中，利用便于得到且儲量巨大，環保無污染的太陽熱能來生產沼氣能。這樣可以有效解決冬季寒冷地區沼氣池不產氣或產氣低的問題，保證了冬季寒冷地區農村的正常用氣，滿足農戶全年對沼氣的需要。

參考文獻

[1] 顏麗，劉膺虎.我國大中型沼氣工程現狀及發展前景探討[J].中國沼氣，1996，14（1）.

[2] 高云超，鄺哲師，潘木水，等.我國農村戶用型沼氣的發展歷程及現狀分析[J].廣東農業科學，2006，（11）.

[3] 屠云璋.中國沼氣發展現狀[A].國際農業工程學會.第五屆農村能源與生物質能資源會議論文集[C].中國農業大學可再生能源實驗室，2004.

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

（責任編輯：周 瓊）