浅谈高寒地区太阳能集成沼气系统设计

李银轮+袁娇+蔡咏兵

摘 要：沼气是一种利用生物质发酵产生的清洁能源，沼气发电已广泛地应用于中国的农村。本文以高寒地区冬季环境条件为依据，设计了一套适用于该地区冬季气温条件下的太阳能集成沼气系统。

关键词：高寒地区；沼气系统；太阳能；系统设计

温度是影响生物质厌氧消化过程的重要因素，一般在高寒地区很难获得合适的温度条件，使用电、石油给沼气池加热，使其保持在理想的温度是非常不经济的。高寒地区有充足的太阳能资源，我们可以利用太阳能热水器将太阳的辐射热量收集起来，加热热水，并以热水为媒介将热量传递给沼气池，这样，沼气池可获得一种合适的稳定温度来生产沼气。为此本项目设计了一种新型沼气及太阳能综合利用系统；将光热技术与沼气技术综合利用，通过廉价单片机和传感器组成自动控制系统对沼气的发酵参数进行控制，使沼液始终保持在稳定的参数，光热技术组成的热水循环系统为沼气池增温、保温，提高沼气的产气率和可再生能源利用率；能很好的解决北方冬季产气问题。

1 太阳能加热恒温系统的组成

本系统设计首先确定沼气池的容积并对池体结构进行优化设计，为减少冬季罐体热损失需要在发酵罐外部附加保温层保温，最后合理配置太阳能集热系统，并实现系统的自动控制。

太阳能加热恒温系统的结构示意图如图l所示。本系统主要由太阳能热水器、热水缓冲器、螺旋式换热器、自动控制系统（温度传感器、交流触电器、温控仪和电磁阀等）、循环泵和其它辅助部件组成。其功能是为中温发酵的沼气反应罐进行加热。

当反应罐内的温度小于设定温度时，由温度传感器反馈到温控箱，从而开启循环泵，促使热水缓冲器中的热水流经反应罐中的螺旋管式换热器进行循环，对液料进行加热，提升反应罐内的温度；当反应罐内的温度达到设定温度时，再由温度传感器反馈到温控箱，从而关闭循环泵，循环终止。热水缓冲器的主要功能是防止温度过高，将进入螺旋管中的温度控制在60℃±2℃。

2 厌氧发酵罐尺寸的设计

发酵料液处理量：40t/d，且料液为牲畜粪发酵料液

发酵料液浓度：8%

发酵周期：20d

发酵温度：25℃～35℃

查资料可知，牲畜粪便中干物质含量与密度有显著关系，粪便中干物质（DM（f））和密度（SG）的回归方程为

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

式中：DM（f）—粪中干物质含量，%

SG—粪便密度，g/cm3

已知DM（f）=8%，带入上式得

8%=1066.152SG-1064.541，

计算得

g/cm3= kg/m3

查资料知：发酵罐有效容积=每天原料量÷发酵浓度÷发酵料液密度×原料适当的发酵时间

发酵罐容积单位为L或m3，原料量的单位为kg/d；浓度为%；料液密度单位为kg/m3或g/L；时间为d。

已知料液的进料量为40t/d，其浓度为8%，密度：ρ=998.6 kg/cm3，适当发酵时间为20d，所以，

发酵罐有效容积 m3

因为料液按罐体内部容积的80%填加，所以，发酵罐的容积

m3

在罐体容积一定，罐体材料传热系数一定的情况下，将圆柱体体积公式代入圆柱体面积公式，然后对面积公式求导，即可求得面积公式的极值点，此点即为体积一定时表面积最小的点。采用此方法设计发酵罐罐体尺寸，可以使发酵罐罐体表面积最小，从而达到减少热损，减少罐体成本以及减少太阳能集热器投资的目的。

式中：V—发酵罐容积，m3：

S—发酵罐内表面积.m2；

R—圓柱体半径，m；

h—圆柱体的高，m。

面积对半径求导得： S=2πh+4πR

根据上述的优化方法得，h=2R，所以，V=πR2×2R，

Di=2R=10.8m

H=2R=10.8m

3 罐体保温层设计

本装置在冬季条件下运行，必须降低罐体散热损失，应该给发酵罐加上保温层。保温结构由绝热层和保护层两部分构成：绝热层主要由导热系数小于O.2W/（m·℃）的绝热材料组成，用于增大热阻，降低热损；保护层主要由一些法向反射率低的薄层金属构成，用于保护绝热材料，同时防火、防水、防潮和起到美观作用。保护层一般紧贴绝热层安装。

本装置采用100mm（δ2）厚的挤塑聚苯乙烯泡沫板进行外保温处理。挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）是以聚苯乙烯树脂为原料，经由特殊工艺连续挤出发泡成型的硬质板材，其内部为独立的密闭式气泡结构，是一种具有高抗压、不吸水、防潮、不透气、轻质、耐腐蚀、使用寿命长、导热系数低等优异性能的环保型保温材料。挤塑板具有连续均匀的表层及闭孔式蜂窝结构，这些蜂窝结构的互联壁有一致的厚度，泡孔间没有任何空隙。这种结构使挤塑板在吸水率、蒸汽渗透系数以及导热系数等方面均低于其它的板状保温材料，同时抗压强度却很高，因此具有优越的保温隔热性能，良好的抗水性能和高抗压性能。材料导热系数较低，导热系数为λ2=O.028 W/（m·℃）。保温层外部采用1.00mm厚的薄铁板进行固定。

结语

农村太阳能、生物质能非常丰富，本研究充分利用农村现有资源，有效的解决了农村能源问题，环境问题，促进农村经济的和谐发展。设计的系统将太阳能、沼气供热系统联合运用，提高了热能利用效率、促进能源产业和循环经济的发展，而且太阳能、沼气供热系统产生废物废水有极大的农用价值，既环保节能又降低了生态环境污染而且加大了能源利用率。

参考文献：

[1]齐福龙. 寒冷地区户用沼气池太阳能增温系统工艺设计[D].吉林农业大学，2013.

项目资助：青海省西宁市科学技术局，项目编号2014-T-19