太阳能沼气池（共7篇）
太阳能沼气池 篇1
0 引言
沼气池内发酵液的温度对沼气产量有很大的影响。在最适宜的温度范围内,温度越高,沼气细菌的生长和繁殖越快,产沼气就越多;如果温度不适宜,沼气细菌生长发育慢,产气就少或不产气。因此,温度是生产沼气的重要条件[1]。我国农村家用沼气池多建于地下,受地温影响很大,一般池内发酵原料温度基本都保持在10~30℃之间。冬季气温较低,使池内温度随之降低,如果低于10℃以下就无法正常产气,必须采取保温和增温措施,才能保证沼气微生物的正常活动,以利于正常产气[2]。
太阳能作为一种清洁安全的可再生能源,对于减少人类有害的活动(如工业污染和毁坏树林)、增强人类可持续发展能力起着重要作用[3]。本文的设计就是利用太阳热能作为沼气系统增温热源来加热沼气池内料液,从而保证沼气池在较低的温度下也能正常产气。
1 系统组成
新型太阳能软体沼气池系统由太阳能集热循环装置、软体沼气发生器和循环换热系统等3部分组成,具有产气速度快、产气量大和使用维护方便等优点,同时能够保证沼气发生器在较低的温度下正常产气。系统示意图如图1所示。
1.软体沼气池 2.换热水管 3.太阳能集热器 4.太阳能热水箱 5.定时电源开关 6.循环水泵 7.进热水管 8.出水管
1.1 太阳能集热循环系统
太阳能集热系统采用目前常见的户用自然循环太阳能热水器,由太阳能集热器、贮热水箱、控制阀及管道组成。太阳能热水器的集热器由15根长1.5m、粗47mm的全玻璃真空管组成,贮热水箱容积为100L,集热面积(采光面积)约为2m2。太阳能热水器装置集热效率能达到50%以上。
1.2 沼气产生系统
沼气产生系统为软体沼气袋,容积为8m3。沼气发酵系统由软体沼气袋和软体附袋等组成。
1.2.1 软体沼气袋
软体沼气袋容积为8m3,袋体采用含有10余种抗老化、阻燃和增强性能的特种添加剂聚乙烯(PVC)树脂软片,经高频热合机设备焊接组合而成,具有抗老化、抗撕裂、抗低温冲击催化、耐酸碱、气密性好和保温性好等特点。袋体内装发酵料液,并发酵产生沼气。软体沼气袋规格为2.8m×2m×1.4m,进料口(管口中心)高0.3m,出料口(管口中心)高0.1m,附袋口(管口中心)高60cm;进料孔和出料孔直径均为250mm。袋体放置池尺寸为3.0 m×2.2 m×1.7 m。安装沼气袋前,在池子周围铺设一层泡沫保温板,减少热损,起到保温作用。
1.2.2 软体附袋
软体附袋材料与软体沼气袋的材料相同,其作用为调节沼气发生期内压力,即能够贮存因沼气袋产气后压力增大而被排出沼气袋的沼液,以增大沼气袋贮存沼气的容积,保障安全。当沼气袋内产气不足、压力降低时,附袋内的沼液回流到沼气袋内,保持沼气袋内压力恒定,并起到回流搅拌和消除结壳的作用,从而提高产气率。
1.3 循环换热系统
循环换热系统由进热水管、换热管、循环水管、循环泵和定时电源开关等组成。
换热管的材料为高耐热PVC软管(安全耐热温度≤80℃),采用并联方式连接。换热器沉浸在沼气发生器的发酵液中,沼液和热水分别在管内外换热。其优点为结构简单、造价低廉和换热效果较好。
本系统使用了定时电源开关来控制循环泵的开启和关闭。太阳能热水器中的热水在换热器中经过一定的时间后温度降低,此时通过定时电源开关插座打开循环泵,
将换热后温度较低的水经过循环水管吸到太阳能热水器的水箱中加热。当换热后的水完全进入太阳能热水器水箱后,定时电源开关插座断电关闭循环泵。与此同时,太阳能热水器水箱中温度较高的热水进入换热器中,对发酵液进行加热增温。如此循环往复,保证换热器中的水保持较高的温度,利用太阳能提高沼气发酵温度,保证沼气池在温度较低情况下正常产气。循环泵采用普通直流微型隔膜水泵,电流为1.5~2A,电压为12V,最大压力为1.0MPa。
2 试验方案
本系统在冬季运行,从11月20号开始,1月22号结束。每天定时测量沼气池上层和下层的温度,外气温采用了当地的气象资料。
本试验采用了智能巡检报警仪测试温度,型号为XMDB-1631,测量温度范围为0~400℃。由于换热器是从料液底部加热,池内不同深度的温度有一定的差异,所以在沼气池的上下设置了两个测温点。
3 系统运行的数据分析
3.1沼气池内上下层料液温度和平均温度变化曲线
图2为沼气池内的上下层料液温度和平均温度变化曲线。从图2可知,上层和下层的温度基本上是一致的,循环泵启动,换热器开始和沼气池内料液进行热交换;下层料液的温度直接与换热器接触,温度变化比较剧烈,温度曲线波动比较大。这是因为料液下层与换热器中的水的进行了热量传递,温度升高,随后热量向周围和上层传递,温度就逐渐下降,再次换热时,温度又升高,如此循环;而上层的料液温度变化就比较平缓,这是因为上层料液远离换热器,热量缓慢向上传递,致使温度变化保持平稳的状态。
3.2 大气温度变化曲线
图3为系统运行期间各时刻的大气温度变化曲线,平均气温为5.6℃。
3.3 沼气池内温度与大气温度对比曲线
图4为沼气池内温度与大气温度对比曲线。从图4中可以看出,系统运行期间大气的平均温度为5.6℃,沼气池温度在系统运行期间温度基本维持在10℃以上。由此可知,在西南地区冬季气温较低时候,利用太阳能增温制沼气是可行的。
4 结论
本文针对西南地区冬季气温低导致的沼气产气率低等问题,建立了太阳能加热制沼气的试验系统,通过对试验数据的整理分析,得出以下结论:
1) 在西南地区冬季气温较低时,利用太阳能增温来提高沼气池产气率是可行的;
2) 利用太阳能增温制沼气系统将太阳能和沼气联合使用,冬季也能充分发挥生物质能的作用,集节能与环保于一体,具有较好的经济、社会和生态综合效益,符合可持续发展的要求。
参考文献
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[3]罗运俊,何梓年,王长贵,等.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2006:23-31.
太阳能沼气池 篇2
太阳能沼气实现农村能源循环利用
刘瑞介绍说：“说起建太阳能沼气池原因，不能不提起中农金太阳农业科学中心的大力支持。当时，我的养殖场生猪存栏量已达20多头，这些生猪每天排泄的粪便无法处理，尤其是到了春、夏季节气味难闻，严重污染了环境”。为使粪便得到有效利用，走良性循环发展之路，实现综合效益，就引进了中农金太阳新型沼气。建起了太阳能沼气池，可同时供做饭、照明所需，其中利用太阳能、可移动、保温等多项技术还填补了沼气池建设的空白。
近年来，农村太阳能沼气建设火热，按照政府引导、群众自愿、整村推进的建设要求，对建太阳能沼气池的农户实行不同的奖励补贴。在此基础上，改变了过去那种旧沼气池建沼气的单一模式，紧紧以太阳能沼气建设为纽带，与农村沼气建设和种植结合起来，形成能源生态综合利用。刘瑞用饲养生猪和鸡的粪便建太阳能沼气池2个，他用沼肥、沼渣、沼液种植3亩温室大棚和17亩露天蔬菜，每年就节省农药、燃气、肥料等开支6000多元。昔日的人畜粪便、污水满街流，臭气熏天，蚊蝇满天飞，如今科学利用，化废为宝。
中农金太阳农业科学中心介绍
中农金太阳（北京）国际农业科学技术研究中心（www.zn988.com/）致力于生物科技能源工程建设，专业从事农村新能源技术及其相关产品的研发、生产、销售与技术服务。中心以“科学严谨、开拓创新、求新务实、诚信于民”为宗旨，立足农村市场，全力配合“全国生态家园富民计划”
该中心总结农村沼气建设的新成就、新亮点、新经验，在制作材料和结构上取得了重大突破，采用独特配方精制而成。其整体配套技术和产品均已达到国际领先水平，经国家建筑材料检测中心及北京市燃气及燃气用具产品质量监督检验站检验测试合格，在全国农产品交易会上得到各级领导和众多商家的认可。各大媒体都推出系列相关报道。
太阳能沼气池 篇3
温度是影响沼气池发酵的一个关键因素,相同发酵条件下,不同的温度,产气量和产气速率将会有所不同[3],在冬季部分无保温措施的沼气池甚至会发生冻裂,严重制约了沼气池在农村的应用与推广。目前,在政府的鼓励和支持下,逐渐兴起的太阳能加热沼气池法越来越受到人们的关注和重视。太阳能加热法,即利用太阳能集热系统完成热能的采集和传输,以太阳能热水为载体通过加热盘管与沼液进行热量交换[4,5,6,7],绿色环保、操作简单,可实现自动化运行,但易受天气情况的影响只能在有日照的白天进行储能、加热。为解决太阳能的这种间歇性与不稳定性问题,石惠娴、裴晓梅等人提出了太阳能-空气源热泵耦合式沼气池加温系统、太阳能地源热泵沼气池加热系统[8,9]。空气源热泵在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜问题可成为较大的技术障碍,存在地域性限制问题;太阳能地源热泵沼气池加热系统主要是针对集中供气的大型沼气工程,农村的户用沼气池不适宜应用此类高投资较复杂的系统。赵金辉、王思莹等人提出太阳能沼气锅炉联合增温沼气池系统[10,11]。太阳能和沼气锅炉联合增温系统在连续雨雪天气即太阳能集热系统无法正常工作时,沼气池发酵速率势必会受到影响,那么沼气锅炉的燃料—沼气的提供也会受到牵制。沼气锅炉管理比较复杂,初投资较高,同样不适合户用沼气池应用。
含辅助电加热器的户用太阳能沼气池系统即利用太阳能给沼气池加热,提高沼气池发酵速率,在连续阴、雨、雪天气,利用辅助电加热器维持沼气池在10℃以上温度发酵。辅助电加热器的设置更好地实现了太阳能和生物质能的优势互补,有效地解决了冬季户用沼气池无法正常连续高效使用的瓶颈问题,达到了良好的经济效益和环境效益。
1 系统组成及工作原理
该加温系统主要由太阳能集热器、储水箱、电加热器、螺旋加热盘管、搅拌装置、沼气池、各种水泵、管路、阀门以及温度传感器等组成。其系统流程见图1。
1.下循环管;2.上循环管;3.储热水箱;4.电加热器;5.三通阀;6.螺旋加热盘管;7.搅拌叶轮;8.电机;9.进料口;10.出料口1.Lower circulation pipe;2.Upper circulation pipe;3.Hot water storage tank;4.Electric heater;5.Threeway valve;6.Spiral heating coil;7.Mixing impeller;8.Electric motor;9.Feed inlet;10.Discharge hole
寒冷季节当太阳能储水箱中的温度高于35℃时,启动热水循环水泵使贮存在储水箱中的太阳能热水由三通阀流经沼气池底部的螺旋加热盘管。为了使发酵池内原料温度分布均匀,减少结壳或破除已形成的结壳层方便沼气溢出,启动循环搅拌电机带动搅拌叶轮转动。太阳能热水在螺旋加热盘管中与发酵原料液通过温差传热进行热量交换,温度降低后的太阳能热水回流至储水箱。在阴、雨、雪天气日照量不足时,为保证该系统仍能够连续正常运转,此时开启储水箱中的电加热器,水温达到设定值后自动断电。
当不需要向沼气池提供热量时,将三通阀内部的阀芯调整到下部,左右相通,使得储水箱中的太阳能热水供给农户使用。当储水箱中的温度低于35℃时,关闭循环水泵,避免因水泵长时间连续工作而浪费电能。
2 研究概况
2.1 研究对象
现以一户用8 m3沼气池为研究对象[12],选用采光面积为10 m2的小型实验性全玻璃真空管型太阳能热水器,为保证系统冬季正常运行,太阳能集热系统采用防冻液乙二醇作为热媒进行流动换热,为减弱沼气池与大地、空气的热传导,池底和池壁采用聚苯乙烯泡沫板进行保温隔热,沼气池顶部覆盖大约是池体占地面积1.2～1.5倍的塑料薄膜。为加强换热效果采用外径为700 mm的普通无缝螺旋盘管,换热管总长度为13 m,换热面积约为1 m2,6层圆排管以间距100 mm排列分布,钢管壁厚约为5～6 mm。为防止沼液对盘管的腐蚀,换热器外壁采用多层环氧树脂涂层。实验将3台热水器(QBP58-1.8-24管)并联在一起,选用3个1.5 kW的家用电加热器分别安装在每台热水器的储水箱内。
2.2 仿真模拟
为直观展现辅助电加热器对沼气池温度的影响,以沼气池及周边土壤为研究对象对沼气池内部传热进行二维定常数值仿真模拟。首先利用Gambit建模并进行非结构化网格划分,为便于模拟假设载热流体的热物性为常值,忽略一天之中空气温度对沼气池的影响,把加热盘管看成沼气池壁的面热源,忽略土壤中因水分迁移而引起的热迁移,土壤被视为均匀、各向同性的介质。在Fluent中设定边界条件后进行二维稳态计算,最后把输出的文件在Tecplot中进行处理。
从图2和图3可以看到整体来讲沼气池温度场分布较均匀,周边土壤温度由上至下逐渐升高趋于稳定。对于设置电加热器的沼气池温度属于常温发酵区中的适宜温度,更有利于发酵微生物活动;对于没有辅助设备的沼气池当集热器无法正常集热时内部温度整体下降,发酵温度明显没有添加辅助设备的沼气池运行良好。
2.3 观测结果
为进一步验证上述模拟结果的正确性与合理性,2011年11月1～16日对储水箱及沼气池温度进行了观测和记录(见图2),温度1、3分别为设置电加热器的太阳能储水箱温度和相应的沼气池发酵温度变化曲线,温度2、4分别为没有安装电加热器的太阳能储水箱和对应的沼气池温度变化曲线。
系统运行阶段,11月1～6日以晴天为主,集热器收集太阳能量充足,沼气池发酵温度稳定,有无加热器的沼气池发酵情况基本一致。11月7～9日阴天、下雪,无日照,没有安装电加热器的太阳能集热器无法正常集热,储水箱中的水温逐渐下降;设置电加热器的热水器依靠短时间的电加热使得储水箱中水温依然保持稳定高温状态,保证沼气池连续高效运行。11月10～16日天气逐渐好转,关闭加热器,集热器重新收集能量加热沼液。由于受之前天气状况的影响,没有设置电加热器的储水箱及沼气池温度逐渐升高、稳定;配有电加热器的储水箱及对应的沼气池始终高效稳定运行。
从仿真模拟到实际观测,理论联系实际,户用辅助加热式太阳能沼气池系统在正常日照条件下通过集热器收集能量供微生物发酵,在阴雨天集热器无法正常储能时依靠电加热器仍保持较高的发酵温度,从而保证了沼气池正常高效连续地运转,增加了产气量。
3 经济分析
建立此座8 m3的户用沼气池,总投资为1 600～2 000元,日产气量为1～2 m3,可供4～6人家庭全年生活用能需求,按当地村民的燃料结构及比重估算沼气的使用价值,每户年均节省燃料费用为900元。太阳能热水器使用寿命长达15 a,比其它热水器延长使用期8～10 a。每平方米太阳能集热器平均每个正常日照日,可产生相当于2.5度电的热量,1度电以0.6元计算,假定集热器一年正常运作280 d,则每平方米太阳能每年节约费用为:2.5×280×0.6=420元,即本例中的3台太阳能热水器每年可节约费用4 200元。
3个1.5 kW的家用电加热器每小时耗电量为4.5度,1度电0.6元,则每小时需花费2.7元。以煤为参考燃料,沼气价格为0.857元·m-3;以液化气为参考燃料,沼气价格为2.727元·m-3。电能虽属于二次能源,短时间启动加热还是有一定可行性的。此外,该系统总投资大概在2～3 a内可以收回,具有较好的经济性。
4 结论
利用太阳能对沼气池内的料液加热,同时在连续阴雨雪天气启动电加热器辅助系统正常运行,使得该系统在一年四季都能够正常产气。全球能源短缺、环境恶化日趋严重,太阳能沼气池系统在满足人们健康舒适生活的同时也成为了建设绿色环保、节能低碳和谐社会不可或缺的部分,实现了用能的本地化和农业废弃物的循环利用,既而达到了良好的经济效益、社会效益和生态效益。
摘要：北方地区冬季温度较低出现沼气池产气量少甚至不产气的问题,严重制约着沼气池在农村的应用与推广,逐渐兴起的太阳能沼气池法受到人们的关注和重视。由于太阳能集热器只能在有日照的白天进行储能,为保证沼气池正常连续高效的运行,一种含辅助电加热器的户用太阳能沼气池系统被提出,文章介绍了系统的组成和工作原理,根据k-ε湍流模型与相应的计算网络及边界条件对沼气池进行了二维定常数值仿真,并进行了实验观测从而验证了该系统的合理性。最后又从经济角度阐述了它的可行性。
关键词：太阳能,沼气池,电加热器,太阳能集热器
参考文献
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太阳能沼气池 篇4
太阳能沼气工程由太阳能集热循环装置和软体沼气发生器及温室增温系统3部分组成。产气量的多少是最重要指标,影响产气量的主要参数为:大气温湿度、软体沼气压力、沼液温度等。传统的有线监测系统布线困难、信号不稳定、系统抗干扰性能差、传感器的可扩展性和布局灵活性差且成本高[1,2,3]。本文实现的无线监测系统能对现场温湿度自动采集,无线传输数据,实时分析数据变化趋势,从而更好地分析产气量的变化规律。本系统采用以AT89C52为控制核心,通过nRF905无线收发模块实现太阳能沼气参数的无线监测。
1 硬件系统的设计
硬件系统主要由信号采集系统和无线传输系统两部分组成。
1.1 信号采集系统设计
信号采集系统是该装置的核心,主要采集大气温湿度、软体沼气压力和沼液温度。信号采集系统结构图,如图1所示。
本系统大气温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的SHT10温湿一体数字传感器,传感器包括1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件,并与1个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接,该传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
沼液温度传感器采用K型热电偶,首先热电偶放大器AD595AD对K型热电偶进行放大、冷端补偿,再由运算放大器LM324N放大信号,最后由数字转换芯片ADC0809CCN将转换的数字信号输入单片机。
压力传感器采用MS5540芯片,内部集成精确压阻式压力传感器和15位ADC接口电路,通过SPI接口与单片机相连,测量大气压的范围一般为10~1100mbar。
时钟电路采用DS1302芯片控制,DS1302是美国DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5~5.5V。它采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
液晶显示模块采用OCMJ5X10,它与CPU的接口除了使用DB0~DB7口8根数据线外,仅使用了REQ和BUSY两根控制线,构成请求/应答(REQ/BUSY)握手方式,省略了传统模块接口方式的片选、读写控制、指令/数据选择、使能控制等控制线,从而使硬件接口及软件时序变得非常简单。
1.2 无线传输系统设计
无线通信模块主要采用挪威NordicVLSI公司的无线数据收发芯片nRF905。nRF905是单片射频收发器,工作电压为1.9~3.6V,工作于433/868/915MHz这3个ISM频段,频道转换时间小于650μs,最大发射功率为10mW,接收灵敏度为460dBm,最大数据传输速率为100kb/s。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和GFSK调制器组成,片内自动完成曼彻斯特编解码,不需外加声表面滤波器、Shock Burst TM工作模式、自动处理字头和CRC(循环冗余检验),使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。发送数据时,只需将配置寄存器信息、所要发送的数据和接收地址送给nRF905,它就会自动完成数据打包和发送;接收数据时,nRF905自动检测载波并进行地址匹配,接收到正确数据后自动移去字头、地址和CRC校验码,再通过SPI将数据传送到微控制器[4]。
由于现场建筑多为金属物质,对无线传输信号干扰大。因此,本设计采用两次中转对接收的信号进行处理后再发送,接收装置收到信号后经串口与PC机通信。其结构图如图2所示。
2 软件系统的设计
2.1 下位机软件设计
下位机软件设计主要分信号采集系统和无线数据传输系统两部分,其流程图如图3所示。
信号采集系统由主机、从机组成控制单元,主机负责读取传感器数据并存储,从机负责显示采集信号和无线发送数据,两者相结合,提高了工作效率。
无线信号传输系统首先对各模块进行初始化,通过nRF905的PWR_UP、TX_EN端口将配置数据包发送给nRF905,并设为接收模式。当有中断信号时,调用nRF905通信数据接收模块,接收完毕后对信号进行处理;然后将nRF905设为发送模式,再调用通信数据发送模块,将信息发送给下一个中转模块。
2.2 上位机软件设计
上位机软件采用VC++工具开发,该软件主要分为串口接收模块、数据库模块和实时数据显示模块,其结构流程图如图4所示。
串口接收模块采用微软公司提供的MSComm控件编程。MSComm控件是Microsoft公司提供的简化Windows环境下串行通信编程ActiveX控件,该控件通过串行端口传输和接收数据,VC++为其提供了使用RS232进行数据通信的所有协议,同时提供了标准的事件处理函数、过程,软件开发人员可方便地通过属性和方法的设置进行串口通信[5]。其中,用到的主要函数有:
SetCommPort:指定使用的串口。
GetCommPort:得到当前使用的串口。
SetSettings:指定串口的参数。一般设为默认参数″9600,N,8,1″。这样方便与其他串口进行通讯。
GetSettings:取得串口参数。
SetPortOpen:打开或关闭串口,当一个程序打开串口时,另外的程序将无法使用该串口。
SetRThreshold:设置接收缓冲区有多少个字符时,将引发接收数据的OnComm事件。
GetPortOpen:取得串口状态。
GetInBufferCount:输入缓冲区中接受到的字符数。
SetInPutLen:一次读取输入缓冲区的字符数。设置为0时,程序将读取缓冲区的全部字符。
GetInPut:读取输入缓冲区。
GetOutBufferCount:输出缓冲区中待发送的字符数。
SetOutPut:写入输出缓冲区。
数据库模块采用ADO访问ACCESS数据库。ADO是应用层的编程接口,它通过OLEDB提供的COM接口访问数据,适合于各种客户机/服务器系统和基于Web的系统应用。通过ADO和Access的配合,可以实现创建数据库和创建表、数据库的多重查询及数据的汇总等技术[6,7]。为了便于数据保存与处理,该软件还添加了Excel报表导出功能。
实时数据显示模块采用DAQBench控件,首先调用函数SetInputActive将图表框初始化,再通过函数PlotChart将转化后的浮点型数据输出。该控件可以观测到采集的实时数据、动态曲线图,并根据需要,查看最近数小时的历史图像,软件界面如图5所示。
本系统在重庆市农业工程研究所某太阳能沼气工程进行现场测试(距接收端1km左右),并经过几个月稳定运行,显示该系统操作简单、稳定性好,能够实现太阳能沼气参数的无线监测。
3 结论
1) 系统实现了太阳能沼气工程主要参数大气温 湿度、软体沼气压力、沼液温度的采集,有利于分析产气率的变化规律。
2) 无线通信系统解决了信号传输布线困难、抗干扰性能差、传感器可扩展性差和成本高等问题。
3) 上位机软件实现了数据库存储,导出EXCEL报表,显示实时信号变化曲线图等目标,操作简便,界面友好。
参考文献
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太阳能沼气池 篇5
太阳能是一种可再生的绿色能源, 其资源相当丰富, 既无任何成本, 也不需要运输, 同时不会对环境造成污染, 给人类带来了一种新的生活方式, 使我们步入了一个节能减排的新时代。所以太阳能因其可再生特性、长久性以及无污染等特点而深受人们欢迎。我国的大部分地区位于N45°以南, 全国2/3 的国土面积年日照时间在2300h以上[3], 太阳能资源非常丰富, 为太阳能利用提供了前提条件。与此同时, 沼气可以说是人类最早利用的能源之一, 并且被逐渐广泛应用, 太阳能和沼气联合使用可以将能源建设以及环境建设统一起来, 有着显著的经济效益、生态效益以及社会效益, 符合我国可持续发展的战略方向。
1太阳能恒温沼气发酵系统结构及原理
1.1 太阳能恒温沼气发酵系统的组成结构
太阳能恒温沼气发酵系统主要包括太阳能增温装置以及沼气发生器两部分, 其结构示意图如图1 所示。太阳能增温装置是由太阳能集热器、缓冲蓄能水箱、热交换器、温控装置、循环泵和其他辅助部件构成。其性能在于为中温发酵的沼气发生器内的液料增温, 通过温控装置将厌氧发酵的控制温度设定为35±0.5℃。
1.2 太阳能恒温沼气发酵系统的工作原理
当沼气发生器内液料温度符合发酵温度时, 电磁阀1、电磁阀2 以及循环泵皆处于关闭状态, 当发酵液料温度低于发酵所需温度时, 将电磁阀1 和电磁阀2 同时打开, 并开启循环泵, 使热水通过电磁阀1, 再流到沼气发生器内的热交换器中, 经过热交换后, 再通过电磁阀2 流回到太阳能集热器, 形成了一个闭合的供热回路, 在发酵液料温度达到温控装置所设定的发酵温度时, 将电磁阀1 和电磁阀2 关闭, 停止循环。通过温控装置对厌氧发酵温度进行实时控制, 有效保证了发酵过程始终处于一个相对稳定的恒温发酵状态。
本供热系统中还配备了专用的循环控制器, 当缓冲蓄能水箱中的水温低于38℃, 难于继续为液料增温时, 便会使循环泵停止工作, 防止循环泵一直持续运行, 有效节约用电。
2太阳能集热器的选用及连接方式
现今, 在我国太阳能集热器主要区分为平板型, 热管式真空管型和全玻璃真空管型三种, 平板型集热器具有结构简单、成本适中、承压性好、吸热面积大等优点, 但存在运行环境温度较低, 耐冰冻性差等缺点。全玻璃真空管集热器具有较高的热效率, 不仅抗冰冻, 而且成本低, 其夜间保温性介于平板集热器和热管式集热器之间, 但是其耐热冲击性较差, 承压能力低, 系统空晒后注入冷水容易导致真空管炸裂, 整个系统的稳定性差, 一旦出现炸管现象, 整个系统必须停用检修, 玻璃管内壁易结污垢, 不易清除。热管真空管集热器热效率最高, 成本相对高一些, 然而其承压性能好, 耐热冲击性好, 因水不流经真空管, 所以空晒时上水也不会出现炸管现象;抗冰冻性好, 管内也不会结污垢;系统稳定性高, 就算有真空管出现破损, 系统依然能够运行;具备“热二极管效应”, 因为连通管中没有水, 夜间不会出现水箱里热水的热量流失现象。该系统选用分离式热管真空管集热器, 并联连接, 这样能够防止串联导致的热效率降低问题。为使集热器的全年使用效率达到最好效果, 考虑到当地的地理环境位置, 将本系统最佳的集热器安装倾角设为43°。
3系统主要参数的分析和计算
3.1 发酵装置的能量平衡分析
沼气发酵装置的能量平衡影响因素有以下几个方面:保持恒温发酵所需热量;厌氧过程中释放的生物热;反应器的散热损失;进出料损失的热量。
从上面的分析可得, 发酵装置的能量平衡方程如下:
式中:Qw—反应器维持恒温发酵一天所需热量, J;Qf—厌氧消化一天所释放的生物热, J;Qs—反应器一天向四周散失的热量, J;Qc—每日新进物料升温所需热量, J。
经研究发现厌氧消化过程较为平缓, 厌氧消化过程中生物质释放或吸收的热量对系统温度变化影响较小, 又没有准确的数值, 因此, 视作厌氧消化过程为不产热的过程, 其热量可略去不计。则一天中其能量平衡方程式简化为:
3.2 发酵装置的热量损失计算
3.2.1 反应器散热损失的热量
对于土壤系统的传热问题, 现今为止还没有一个让人满意的计算公式, 采取估算的方式, 可将反应器散热看作是恒壁温半无限大导热问题, 取土壤的 λ=0.5w/ (m·k) , ρ=1500kg/m3, CP=1.9 k J/kg, 由于反应器的壁厚远远小于其直径, 可将其散热看作是大平衡壁散热问题, 利用恒壁温半无限大导热公式[4], 即:
式中:F —传热面积;
τ—传热时间 (一天24 小时, 即86400s) ;
△ t0—温差, (△ t0=ts-t土, 即料温与土温之差) 。
3.2.2 进料与出料损失热量计算
进料与出料损失热量计算公式表示为:
式中:C—液料的比热容 (新液料其浓度相对较低, 8%左右, 可近似采用水的比热, C=4.2k J/ (kg·℃) ;
m—每天新加入反应器液料量;
t1—反应器内部液料温度;
t2—新鲜液料的温度;
因此, 可以通过公式Qw=Qs+Qc, 计算出每天反应器总的热量损失, 从而得知反应器一天中维持恒温发酵所需要的总热量。
3.3 太阳能集热装置的计算和安放位置
为使本沼气系统在冬季发酵也能够保持相对较高的产气率, 必须确保太阳能集热装置的集热能力满足沼气发酵装置对能量的需求。要充分考虑集热器的热负荷、太阳能的辐射量、集热器热效率以及集热器的布置方式等因素后, 最终确定所需的集热器面积大小。
3.3.1 太阳能集热器面积的计算
能否正确选择太阳能集热器面积, 将决定集热器每天吸收热量的多少, 从而也会影响到加热时间及加热效果。计算太阳能集热器面积, 其目的主要为了确定反应器首次投料后将液料从常温提升到正常发酵温度所需时间, 通常, 太阳能增温装置应该在2~3d将新鲜液料从常温状态加热至正常的发酵温度。集热面积计算公式为:
式中: Ac—集热器总面积 (m2) ;
Qw—给液料加热每天需要的总热量 (k J) ;
α —太阳能保证率 (%) ;按照系统运行期间的太阳辐照、系统的经济性和用户需求等影响因素综合考虑来确定, 宜为30% ~ 80%[5];
JT—一年中集热器采光面在当地的平均日太阳辐照量 (k J·m2) ;
—一年中集热器平均集热效率;通常取值范围在0.25~0.50, 按集热器产品的实测结果选定;
ηL—蓄能水箱及管路的热损失率;宜为0.20~0.30 (可凭经验取值) 。
3.3.2 选择计算缓冲蓄能水箱的最小容积
选择确定缓冲蓄能水箱的容积目的在于使水箱具备一定的能量储备。在阴雨天或者环境温度发生突变时, 能为反应器供应一定的热量, 保证反应器仍然维持正常的工作温度。这里计算的目的在于能够供应反应器一天正常发酵所需的热量, 若管路热量散失忽略不计, 则最小容积的计算公式如下:
式中:Vmin—缓冲蓄能水箱最小容积 (m3) ;
Qs—反应器每天向周围环境散热量 (k J) ;
cd—水的定压比热容 (k J/kg·℃) ;3
ρ水—水的密度 (kg/m3) ;
t1'—缓冲蓄能水箱内热水温度 (℃) ;
t1—开启加热系统所设置的最低温度 (℃) 。
3.3.3 合理选位安放太阳能集热器
太阳能集热器作为太阳能增温装置的集热部件, 同时也是太阳能增温装置的核心部件。能否合理选位安放太阳能集热器, 一方面关系到整个系统的稳定运行, 同时也影响到建筑物外观, 怎样合理选位安放太阳能集热器, 是系统设计中的关键环节。太阳能集热器常见的主要设置方式有:在建筑的平屋面、坡屋面上;在建筑的外墙面上;在建筑的阳台上等。所以, 设计人员在安放太阳能集热器时, 要根据太阳能集热器的安全性、功能性、采光角、安装方便性以及美观性等方面综合考虑进行合理安置。
4结论
利用太阳能通过增温装置进行加热, 并选定适宜的加热参数, 同时辅以跟踪控制装置对系统进行实时温度控制, 即可维持反应器内液料处在一个较好的发酵温度, 同时可以尽量减小系统运行过程中温度的变化幅度, 进而实现系统恒温发酵。可见, 对于北方寒冷地区, 利用太阳能加热提高沼气生产效率是能够实现的。因为利用太阳能加热具有安全、方便、经济效益高、节能和环保等优点, 所以利用太阳能加热促进沼气生产, 对于我国北方寒冷地区沼气的推广及应用具有十分重要的现实意义。
参考文献
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[4]王补宣.工程传热传质学[M].北京:科学出版社, 1982.
太阳能沼气池 篇6
我国北方城镇郊区有大量养奶牛户村,发展应用沼气,既可有效利用农作物,节省煤炭等资源,又能减少环境污染,是一举双赢的可再生能源[1,2]。但由于沼气池内温度需高于15℃,沼气才能较好发酵,致使我国北方城镇在严寒季节大量沼气池产气率低,不产气,甚至出现池体冻裂等现象[3,4]。
通过建立太阳能沼气锅炉联合增温系统,试验研究了太阳能与沼气锅炉联合运行的匹配方式,研究结果表明:利用太阳能给沼气池加热,能提高沼气池发酵温度,在连续阴雪天气,利用沼气锅炉也能维持沼气池在10℃以上发酵温度,保证沼气池全年连续高效产气,可解决北方寒区冬季沼气无法正常使用的瓶颈问题[5,6]。
1 太阳能和沼气锅炉联合增温系统
太阳能沼气锅炉联合增温系统试验台,搭建在具有北方高寒地区气候特征的哈尔滨近郊,冬季最低温度达零下20~30℃左右,试验基地如图1所示。
太阳能沼气锅炉联合增温系统示意图如图2所示。该系统由沼气池1;太阳能集热器2;太阳能系统循环水泵3;分水器4;集水器5;换热盘管6;膨胀水箱7;沼气锅炉8;补水箱9;沼气锅炉系统循环水泵10;沼气旋塞阀11;闸阀12;自动排气阀13;放气阀14;测温点15;微机多路数据采集仪16等部件组成。系统平板集热器5块串接为一组,每块2 m2,共用平板集热器20 m2。通过管路上的阀门,可以控制每组集热器启闭,以此来控制太阳能集热器使用面积。太阳能集热器集热系统与沼气锅炉加热系统采用并联连接,联合向沼气池供热,为保证该系统冬季正常运行,太阳能系统中采用防冻液乙二醇作为热媒进行流动换热,乙二醇把太阳能集热器收集的热量通过沼气池内的PE-X换热盘管送入沼气池内;锅炉系统设置在建筑物内部,采用水作为换热热媒。
2 系统设计步骤
针对居民用8 m3沼气池,太阳能和沼气锅炉联合增温系统的设计,需计算太阳能集热板面积和沼气锅炉出力大小[7,8,9]。设计计算步骤如下:
(1) 沼气池热负荷Q0
沼气池热负荷由投料负荷Q1和池体散热负荷Q2两部分组成[10],即
Q0=Q1+Q2 (1)
其中
Q1=Cm(t2-t1) (2)
Q2=A·q1 (3)
(2)沼气池产气量G
沼气池产气量采用经验公式计算[11]
G=rV·V (4)
试验时将夜间产的沼气全部用于加热沼气池,不计算富裕沼气量[12]。
(3)沼气锅炉出力Q3
夜间使用沼气锅炉给沼气池加热,能提供的热量为
Q3=Rs·q·η (5)
(4)太阳能集热板面积A
沼气池热负荷由太阳能集热器和沼气锅炉联合提供,太阳能集热器负担的负荷占总负荷的百分比即负荷保证率为[13]
f=(Q0-Q3)/Q0 (6)
对热负荷一定的沼气锅炉,太阳能系统负荷保证率与集热板面积间回归公式
f=0.0072A-0.0000188A2+0.000000016A3 (7)
根据式(7)可确定太阳能集热板面积。试验台采用平板集热器,经计算试验基地共需平板集热器面积为20 m2。
3 系统试验运行方案
联合增温系统中太阳能集热器和沼气锅炉并联运行,循环水泵3、10分别承担两个支路的循环介质流量,对每一支路均采用定流量运行,试验分为以下三个运行工况:
(1)白天太阳辐射较强时,太阳能集热器支路提供的热量足以维持相对较小的加热沼气池热负荷,启动循环水泵3,关闭循环水泵10,太阳能系统单独对池体加热升温,当池体内部温度高于设定上限时,关闭循环水泵3。
(2)夜间或太阳辐射较弱时,太阳能集热器不工作关闭循环水泵3,当池体内部温度降到设定温度之下时启动循环水泵10运行沼气锅炉加热支路,加热沼气池。
(3)当气候条件介于二者之间时,同时启动循环水泵3、10两支路并联运行,同时为沼气池加热,保证池体内部温度在设定范围内。
系统内共布置了51个测温点,包括池温、地温、室内外气温、太阳能系统热水多个测点温度,用超声波流量计在太阳能系统管路处测流量,用沼气池压力表测沼气压力[14]。
4 试验结果及分析
工况1:分别对太阳能沼气锅炉联合增温系统与普通沼气池系统进行了试验测试,测试时间选取12月21日10∶00点至下午4∶00点,测试各小时沼气池发酵层平均温度变化。
测试结果见图3,可见上午10∶00点沼气池发酵层平均温度为11.5℃,启动太阳能系统后,初始时温度变化几乎与普通沼气池系统相同,到11∶00后,太阳能沼气系统温度开始逐渐升高,14∶00左右达到全天最高温度22.4℃,之后随着太阳辐射强度降低,沼气池发酵层平均温度逐渐降低,16∶00点试验结束时,温度维持在14℃左右。太阳能集热器系统开启和未开启工况下,沼气池发酵层平均温度变化曲线如图3所示。
从图3可中可以看出,白天10∶00点至16∶00点期间,普通沼气池系统温度在11℃左右,只能勉强维持沼气池能产气,但效率不高;开启太阳能系统后,沼气池发酵层平均温度大部分时间处于最佳发酵温度15℃以上,有利于沼气池高效运行。
工况2:分别对沼气锅炉给沼气池加热与普通沼气池系统进行了试验测试,测试时间选取12月21日16∶00点至第二天上午10∶00点,测试各小时沼气池发酵层平均温度变化。
测试结果见图4,可见下午16∶00点沼气池发酵层平均温度为14℃,启动沼气锅炉加热,到18∶00点温度达到16℃后维持稳定;未采用沼气锅炉加热时,沼气池发酵层平均温度逐渐降低,第二天03∶00点左右达到最低约6℃左右,之后温度开始升高,到10∶00点时,回到11℃左右。沼气锅炉系统开启和未开启工况下,沼气池发酵层平均温度变化曲线如图4所示。
从图4可中可以看出,16∶00点至第二天10∶00点期间,普通沼气池系统温度在先逐渐降低至6℃左右,之后再升温,沼气池基本达不到发酵温度,产气效率极低;开启沼气锅炉系统后,沼气池发酵层平均温度大部分时间处于最佳发酵温度15℃以上,可维持沼气池高效运行。
工况3:试验期间,采用的加热方案是:沼气锅炉加热→太阳能加热→停止加热→太阳能加热,从12月22日至12月30日,用沼气锅炉加热沼气池,12月31日至次年1月5日用太阳能给沼气池加热,1月5日后至1月16日停止给沼气池加热,从1月17日又开始用太阳能给沼气池加热。沼气池发酵层平均温度如图5所示。
从图5中可以看出,在开始加热时,沼气池温升较慢,主要原因是开始时沼气池周围土壤温度低,需要大量的热量给沼气池及土壤升温。沼气锅炉出口介质温度40℃左右,太阳能集热器出口温度约22℃。用沼气锅炉给沼气池加热一天后,沼气池开始出现明显温升,然后达到约13.5℃的稳定温度状况,而用太阳能加热沼气池时,三天后沼气池开始出现明显温升,之后温度上升稍缓,一直达到12.5℃左右为止。停止给沼气池加热11天内,沼气池温度降低至约4℃,已低于沼气池正常发酵最低温度10℃。
5 结论
通过试验测定所建立的太阳能沼气锅炉联合增温系统池内温度变化,确定太阳能集热器面积与沼气锅炉联合运行的匹配方式。结果表明联合增温系统使沼气池体温度处于较好的发酵温度,保证冬季连续高效产气,证明太阳能沼气锅炉联合加热系统在北方严寒地区是可行的,可以保证沼气池高产、高效运行,有效处理养殖粪污,改善养殖区居住环境,具有较好的节能性和环保性。
太阳能沼气池 篇7
农村中小学生态校园沼气系统不仅可以利用厌氧消化技术,对学校公厕的粪污进行资源化利用和无害化处理,彻底改变农村学校公厕脏、乱、差的局面,还可以为学校食堂提供优质、清洁能源,还农村广大师生一个卫生、健康、舒适的生活学习环境。但是冬季过低的温度制约了沼气系统效率的正常发挥,影响了沼液循环自动冲厕功能的正常运行,因此必须采取各种增温、保温措施对其进行热量补充。西北地区气候具有光照时间长、日光充足等特点,适合开发利用太阳能。为此,在综合了工程的实际情况和当地的气候条件后,设计了以太阳能作为热源的太阳能热管加热系统,从而保障了沼气系统在冬季正常运行,在春秋季大幅度提高其沼气产量。
1 生态校园沼气系统构建
生态校园沼气系统由人畜粪污收集与清杂系统、沼气发酵与进出料系统、太阳能热管加热系统、沼液冲厕与回流搅拌系统、沼气输配贮存与利用系统、沼肥贮存与利用系统等几个部分组成,系统组成及工艺流程如图1所示。公厕粪污在重力下,经粪污收集器自动排入格栅沉沙池,截留了沉淀及漂浮物后,进入酸化池,料液经初步酸化后进入旋动式沼气发酵装置;太阳能热管加热系统对旋动式沼气发酵装置内的料液进行增温,料液得到充分发酵。厌氧发酵后的部分沼液进入沼液溢流池,用于冲厕水源循环利用;多余沼液和沼渣进入贮肥池,用于学校菜地灌溉施肥;所产沼气用于学校餐厅。该系统是一套从废物的收集、现场处理到资源化的零排放型沼气系统。
在此,以100m3沼气系统为例进行设计。该沼气池的容积为100m3,内表面积约110m2,沼气池建在温室内,在冬季最冷的月份(12月),沼气池内料液温度需控制在15℃以上。
2 太阳能热管加热系统设计
2.1 系统原理
太阳能热管加热系统由太阳能集热器系统、沼气池循环加热系统和控制系统组成。其工作原理为: 由太阳能集热系统完成热能的采集和传输;系统采用定温控制,由太阳能热水通过螺旋换热管对料液进行加热(如图2所示)。
2.2 太阳能集热器的选择及连接方式
目前,国内的太阳能集热器主要有平板型、全玻璃真空管型、真空热管型等。平板型集热器具有集热快、价格低、承压高、耐热冲击性能好等特点,但集热器工作温度低、不耐冰冻。全玻璃真空管集热器的热效率高,其成本、耐冰冻、夜间保温性能介于热管集热器和平板集热器之间,承压能力较低,耐热冲击能力较差,空晒系统注入冷水后有可能炸裂真空管,系统可靠性较差(一根管子破裂,整个系统需停用检修),玻璃管内易结垢,难清理。真空热管集热器的热效率也最高,三者之中价格也最高,但其承压能力大;耐热冲击性能好,因真空管内不走水,即使空晒时上水也不会使玻璃管炸裂;耐冰冻,玻璃管内不会结垢;系统工作可靠性强,即使有玻璃管破损,系统仍可继续工作;具有“热二级管效应”,由于连接管内无水,夜晚水箱中热水不存在热能泄露的问题;集热管“干性连接”易于安装、维修。本系统采用分离式真空热管集热器,连接方式为并联。并联连接可避免串联引起的热效率降低,同时由于集热器只有4个,并联引起的不平衡阻力极小,可以忽略。为了满足全年集热器的使用效率,集热器最佳安装倾角为35°。
2.3 积热面积
为了有效地保障在冬季沼气系统能正常运行,太阳能集热系统的集热能力按陕西宝鸡地区冬季最冷月份(12月)晴天平均太阳辐射量I 设计。在综合考查了太阳能集热器的热效率、热负荷、当地太阳能辐射量和布置集热器的现场实际情况后,决定布置规格为ϕ47mm×1500mm×50支的真空热管集热器4台,总集热面积为18m2。集热器的技术指标如表1所示。
2.4 集热器的日均总集热量
宝鸡地区12月份平均太阳辐射量I (朝南, 35°斜面)约为13.86 MJ / (m2·d) , 则太阳能热管加热系统日均集热量按下式计算[1]即
Q=AIηj (1-ηs ) (1)
式中 A—集热器采光面积(m2),A=18 m2;
I—集热面上日平均辐射强度( MJ /m2 ·d);
ηj—集热器全日集热效率,取0.55;
ηs—管路及储水箱热损失率,取0.1。
计算得Q=123492.6 kJ。
2.5 螺旋换热管
换热管材料选用外径22mm、内径20mm、壁厚1mm的耐腐蚀铝塑管,长度为20m。
2.6 缓冲蓄能水箱
在本系统中设置一个水箱,该水箱主要用来起缓冲和储蓄当天白天多余的太阳能能量的作用并在夏季供教师淋浴,采用纯水循环,因此设计该水箱的有效容积为2 m3。
2.7 自动控制系统
集热器与水箱的换热采用重力自然循环(热管内介质受热沸腾汽化,在冷凝段冷凝释放出热量液化后,由重力作用返回集热器),因此不需要进行控制。
2.7.1 沼气池加热循环
当料液温度<设定温度(正常模式15 ℃,可调)并且水箱与料液的温差>3 ℃时,热交换循环泵打开,通过螺旋加热管对池水进行加热,当池内温度≥设定温度(正常模式17℃,可调)时,热交换循环泵自动关闭。
2.7.2 水箱的补水
水箱补水为恒水位控制。当水箱水位低于设定值时,补水电磁阀自动打开,对水箱进行补水,当水箱水位高于设定值时,电磁阀自动关闭。
3 太阳能热管加热系统热平衡计算
为了衡量验证太阳能热管加热系统是否能满足工作要求,对其热负荷进行了理论计算。
3.1 沼气池的热损失计算
3.1.1 沼气池散热损失的热量
土壤系统的传热问题目前尚无令人满意的解析式,作为一种估算,可将沼气池散热视为恒壁温半无限大导热问题[2]。取土壤的λ=0.5W/(m·K),ρ=1500kg/m3,Cp=1.9kJ/kg,由于沼气池的壁厚远远小于其直径,可将其散热视为大平壁散热问题,利用恒壁温半无限大导热公式[3],即
其中,传热面积F=110m2,传热时间τ=86400s,温差△t0=ts-t土=7℃(冬季土壤的温度可平均取8℃)。
计算得 Q1=30184kJ/d。
3.1.2 沼液冲厕损失的热量沼液冲厕损失的热量计算公式为
Q2=cm1△t1 (3)
式中 c—沼液的比热容(料液浓度比较低,约为8%,可近似取水的比热),c=4.2kJ/(kg·℃);
m1—每天冲厕所需的沼液量(冬季应尽量减少冲厕次数,可每天冲厕3次,每次用沼液3m3),m1=9×103kg;
t1—冲厕前后沼液的温度,△t1=2℃(数值由试验测定)。
计算得Q2=75600kJ/d。
3.1.3 进出料损失的热量进出料损失的热量计算公式为
Q3=cm2(ts-t2) (4)
式中 c—料液的比热容(新鲜料液浓度比较低,约为8%,可近似取水的比热),c=4.2kJ/(kg· ℃);
m2—每天进入沼气池的新鲜料液量(在校师生1600人的学校,每天排粪的干物质量为100.8 kg,8%的进料浓度),m2=2016kg;
ts—沼气池内料液的温度,ts=15℃;
t2—新鲜料液的温度,t2=8℃。
计算得Q3=59270.4 kJ/d。
每天沼气池总的热量损失为
Q=Q1+Q2+Q3=165054.4kJ/d
3.2 沼气池获取热量计算
3.2.1 太阳能温室增温系统提供的热量
太阳能温室增温系统是每个生态校园沼气创新工程所必备的,它在冬季最冷的月份(12月),平均每天可为沼气池提供的热量:Qh =61474kJ/d(数值由试验测定得来)。
3.2.2厌氧反应产生的生物热
沼气池厌氧消化过程的反应热随处理的物料不同而异。转化人、畜粪便成为甲烷所产生的反应热,可由发酵料液有效能量(16.915kJ/kg)的3%以热量的形式放出而求取[4],发酵时所产生的总热量为
Qv=4059.6kJ/d
沼气池可以获得的热量为
Q0= Qh+ Qv=65533.6 kJ/d
3.3 系统每天总热负荷
系统每天总热负荷Q总=165054.4-65533.6=99520.8 kJ/d。
结合太阳能热管加热系统每天可提供的热量,由Q>Q总,可知加热系统完全可以完成其每天的加热任务,保障沼气系统在冬季的正常运行。
4 系统效益分析和评价
4.1 经济效益
4.1.1 沼气系统提供的热量
由式(1)等可计算出太阳能热管加热系统在冬季日均可为沼气系统提供的热量,料液可获得的温升,计算数据如表2所示。
注:料液每月平均提高的温度是与没有配置太阳能加热系统的沼气系统同比计算所得
4.1.2 夏季提供的热水量
6~9月沼气系统不需要加热,太阳能集热器可以提供热水,供给教师洗浴用,可提供的能量如表3所示。
该系统可以最大效率地利用太阳能,每年可供给的能源为95919.9MJ,相当于6547kg标准煤完全燃烧所释放的能量,节约燃料费用为3274元,并且无运行成本,不需要专人管理。比起锅炉、燃气等方式的加热系统,本套系统的长期经济效益更突出。
4.2 环境效益
本套系统与沼气系统一样都是综合节能系统,符合生态校园的理念:绿色、环保、可持续循环利用。其优先使用了太阳能,符合国家环保政策,利国利民,一次投资,长期受益;无污染、无噪音、无废物废气排放,可以有效地降低粉尘、有害气体、温室气体的排放,减少空气污染,节能环保意义重大。
5 结语
1) 沼气系统将校园公厕粪污进行资源化处理,并利用发酵后的沼液循环冲厕,不但获得了能源,节约了宝贵的水资源,还保持了校园的干净卫生。
2)太阳能热管加热系统能够在冬季对沼气系统进行热量补充,解决了西北地区沼气系统越冬困难的问题。
3)通过热负荷计算可知,太阳能热管加热系统完全可以满足沼气系统对热量的需求,使冬季沼气池内的温度能平均保持在17 ℃以上。
4)太阳能热管加热系统还可以在夏季为教师提供洗浴热水,全年节约燃料费用为3274元,并且无污染。
参考文献
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