智能沼氣池的研發(fā)與應(yīng)用

付 亮，朱甜甜

（沈陽師范大學，遼寧沈陽 110034）

能源作為國家的血脈，與國家的發(fā)展有著密不可分的關(guān)系。作為新興的能源產(chǎn)業(yè)，在沼氣生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生與能源作物生長周期中吸收的二氧化碳，或者會在廢物腐爛中自然釋放二氧化碳。這使得沼氣廠的電力和熱量對氣候特別友好。作為一種氣候友好的可再生熱源，意味著沼氣生產(chǎn)在推動其使用方面具有巨大優(yōu)勢。將沼氣用于能源生產(chǎn)的最常見方法是以CHP形式把沼氣置換為熱能和電能。為了最有效地利用沼氣，所有新工廠都應(yīng)采用CHP系統(tǒng)。但是在沼氣池發(fā)酵過程中，池內(nèi)氣壓、溫度、pH都處在一個不斷變化的過程中，需要進行實時監(jiān)控，使其反應(yīng)處于最高效率，同時防止爆炸及其他危害人類生命財產(chǎn)問題的出現(xiàn)。智能沼氣池通過傳感器、云平臺與客戶端聯(lián)動，及時監(jiān)控解決這一問題，防止意外的發(fā)生。

1 沼氣的主要應(yīng)用

沼氣的主要應(yīng)用（或應(yīng)用沼氣的用途）有發(fā)電、在熱電聯(lián)產(chǎn)工廠、農(nóng)業(yè)廢物管理、烹飪?nèi)剂献鳛榭沙掷m(xù)能源、注入天然氣管道、作為運輸車輛的清潔可再生燃料、在沼氣燃料電池中。

1.1 沼氣用作烹飪?nèi)剂?/h3>

將沼氣用于烹飪和烘焙是改善能源供應(yīng)的有前途的選擇，即數(shù)十億人曾依靠低效且不健康的生物質(zhì)燃燒作為主要能源。與其他使用燃料燃燒的技術(shù)相比，如果沼氣經(jīng)過適當燃燒，則沼氣爐產(chǎn)生的溫室氣體排放量最低，這點極大地區(qū)別于生物質(zhì)或化石燃料。在這種情況下，沼氣爐有助于減少農(nóng)村地區(qū)烹飪方式對氣候變化的影響。它可改善邊緣化人群的生活，消除我國甚至世界上許多貧困家庭廚房中造成的室內(nèi)污染，處理通常對健康和環(huán)境構(gòu)成威脅的有機廢物，對貧困的惡性循環(huán)產(chǎn)生積極影響。

一立方米的沼氣可以代替5.6kg的木柴和1.7kg的木炭。另外，沼氣生產(chǎn)的副產(chǎn)物（消化液）可以直接用作肥料或用于生產(chǎn)腐殖質(zhì)（例如，在可能的情況下用沼氣烹飪），可以顯著減少森林砍伐并有助于減輕土壤消耗。當然，沼氣應(yīng)用的這些優(yōu)勢很大程度上取決于沼氣爐（特別是燃燒器）的質(zhì)量。所以，在許多情況下，確保長期采用該技術(shù)已變得困難。將沼氣的應(yīng)用整合到用戶的日常實踐中似乎是確保技術(shù)的可持續(xù)利用和推廣的必不可少的條件，智能沼氣池的研發(fā)也就顯得格外的重要。

1.2 發(fā)電

在沼氣所有用途里面，發(fā)電應(yīng)用最為普遍。用植物材料制成的沼氣提供了一種可再生的發(fā)電方式。

沼氣擁有化學能，因此沼氣發(fā)電是將這種化學能轉(zhuǎn)化為機械能并最終轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)果。這是通過使用會把能量以某類樣式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪活悩邮降膫鞲衅鳎ɡ绨l(fā)電機和渦輪機）來完成的。由于可以規(guī)模化生產(chǎn)，因此可以在家庭和商業(yè)上使用。

2 智能沼氣池的研制

通過沼氣的應(yīng)用分析來看，智能化沼氣池的研發(fā)變得不可或缺，是最大化利用其價值的重要依據(jù)。借助如今信息化的手段管理解決沼氣運作中間的問題，形成多級管理體系，帶來可觀的社會以及經(jīng)濟效益。

2.1 智能沼氣池方案概述

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)研發(fā)本文所需的智能沼氣池管理系統(tǒng)，方便廣大農(nóng)村地區(qū)沼氣用戶的維護與應(yīng)用。智能系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠程操作和監(jiān)視沼氣池。該系統(tǒng)應(yīng)提供所需的物質(zhì)，排出動物糞便產(chǎn)生的過量沼氣，并在整個沼氣池的開發(fā)監(jiān)管中應(yīng)對突發(fā)的諸如火災(zāi)一類的情形。整個智能方案配備微控制器、水位傳感器、超聲波傳感器、氣體傳感器、溫濕度傳感器和IP攝像機，以及與設(shè)備（即智能手機或計算機）的Internet或Intranet連接，能夠經(jīng)濟高效地實現(xiàn)該智能系統(tǒng)的整體功能。

整個智能沼氣池基本上由兩部分模塊構(gòu)成：嵌入式系統(tǒng)模塊和以太網(wǎng)通信模塊。包含水位傳感器、沼氣傳感器、溫濕度傳感器、火災(zāi)傳感器以及微控制器，把它們放置在沼氣池系統(tǒng)周圍隨時觀測系統(tǒng)參數(shù)。測量結(jié)果借助以太網(wǎng)屏蔽并借助WIFI傳輸。

嵌入式系統(tǒng)模塊獲取整個沼氣池體系內(nèi)容并維持記錄并實時完成相應(yīng)功能。體系可采取多種管控模式，如自動模式與手動模式。如果系統(tǒng)處于自動模式，則系統(tǒng)將根據(jù)已編程的閾值進行操作，并繼續(xù)通過某些IP上的GUI提供反饋。此外，如果系統(tǒng)處于手動模式，則能夠按照GUI內(nèi)部的開關(guān)開啟手動調(diào)控。這個智能沼氣池管控體系還包括生物排氣調(diào)控系統(tǒng)、飼料調(diào)控系統(tǒng)、IP記錄儀、火情偵測系統(tǒng)和水域調(diào)控系統(tǒng)這類子系統(tǒng)。沼氣調(diào)控系統(tǒng)將動物的糞便造成沼氣排放，可能對動物本身沒有益處，為了抑制它，還特地研發(fā)排氣系統(tǒng)，配備風扇，當應(yīng)用氣體傳感器檢測到氣體數(shù)據(jù)異常時，風扇會開啟。如果系統(tǒng)處于自動模式，它便不需要人工去特意管控，不過特殊情況下也能使用WIFI將控制信號從GUI傳輸?shù)教幚韱卧獊硎謩哟蜷_/關(guān)閉它。進料調(diào)控系統(tǒng)由飼料出料記錄與進料存儲構(gòu)成。存儲器包含借助步進電機開啟的閥，同時配備用于檢測飼料值的超聲波傳感器。隨著進料量的減少，閥可打開，以便進料。

該管理系統(tǒng)可高效提高沼氣池的應(yīng)用效率，減少沼氣池廢棄的概率，廣大農(nóng)友可以用的踏實放心，有效落地國家能源政策，讓農(nóng)友從中獲益。該套系統(tǒng)提供“自助維護教程”、“一鍵維護”等重要功能，以視頻加圖文的方式講解說明，便于文化程度不高的農(nóng)友快速上手，并普及相關(guān)的沼氣使用常識，可幫助農(nóng)友解決小的問題，實現(xiàn)了整體的閉環(huán)監(jiān)控。

2.2 智能沼氣池解決的問題

該智能沼氣池系統(tǒng)可提供迅捷的宣傳和培訓方式和渠道。借助網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，讓各層管理部門可以通過電腦、手機等多類終端模式，第一時間宣傳各種新的沼氣管理和服務(wù)信息，最重要的是能直接溝通于用戶，完全顛覆了過往逐級開會傳達、喇叭喊的形式，在新技術(shù)傳達培訓方向上，效率速度得以提升，達到了較好的效果。

該智能沼氣池系統(tǒng)為規(guī)范、高效的分層管理給予了有力支持。伴隨沼氣建設(shè)規(guī)模逐漸擴增，曾經(jīng)的沼氣管理形式和方法早已遠不及需求。該系統(tǒng)最先支持了各種沼氣基本要素（如沼氣用戶、服務(wù)點、配置資源、收費形式等）的基層庫建設(shè)，也提供管理機構(gòu)實現(xiàn)需求的數(shù)據(jù)記錄和報表形式，規(guī)范了分層管理部門的權(quán)限。這點可將沼氣信息化管理構(gòu)建變?yōu)閷嶋H，極大程度增強沼氣的管理效果與效能。

3 結(jié)束語

沼氣池最終方案的選擇會在很大程度上影響沼氣的處理、存儲和沼氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)經(jīng)濟性的設(shè)計和設(shè)備需求。通過沼氣池模式轉(zhuǎn)變，借助現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將引起未來的沼氣廠作為集中監(jiān)控管理去安裝和運行。設(shè)計、開發(fā)用于集中線上管控的基于物聯(lián)網(wǎng)的濕智能沼氣池，以作為未來沼氣廠的經(jīng)典模型。通過本文的智能沼氣池的方案設(shè)計，可以盡量避免不必要的損失與消耗，通過智能化的處理，解決了沼氣處理問題信息閉塞的難題，可以借助現(xiàn)有的新技術(shù)改變傳統(tǒng)的模式，極大地便利了農(nóng)民。同時，在社會與國家層面上，為社會主義新農(nóng)村建設(shè)擴寬了新的渠道，為農(nóng)村沼氣池建設(shè)與推廣提供了新的可能，促進了經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，有很積極的社會意義。