專利名稱：太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物質能源技術領域，尤其涉及一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法。
背景技術：
沼氣是一種來源廣泛、可再生的生物質能源，具有無污染、制取技術簡單、成本低廉的特點，在我國農村有著良好的推廣、應用前景。近年來，農村大力發(fā)展、建造沼氣發(fā)酵池，沼氣已成為今后農村所應用的主導新能源之一。青藏高原地區(qū)的太陽能資源豐富，但溫度較低，普通磚瓦結構沼氣池的池溫可降低到零下幾度，致使池內溫度低于最佳發(fā)酵溫度， 或使得發(fā)酵物凍結，嚴重影響了沼氣產量，降低了沼氣池的利用效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法，其可以實現太陽輻射強、晝夜溫差大的高原地區(qū)的沼氣發(fā)酵，且增加沼氣產量。本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置，其特征在于，所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置包括溫度傳感器、進水管、集熱器循環(huán)泵、蓄熱水箱、加熱電圈、開關、真空管太陽能集熱器、角度調節(jié)器、太陽能蓄電池、出水管、螺旋散熱管、第一導線、第二導線、電池連接板，蓄熱水箱與真空管太陽能集熱器連接，加熱電圈設于蓄熱水箱的內部，加熱電圈通過第一導線、開關與太陽能蓄電池連接，真空管太陽能集熱器產生能量并經電池連接板傳輸給太陽能蓄電池，角度調節(jié)器位于電池連接板的下端，集熱器循環(huán)泵安裝在進水管上，進水管的一端與蓄熱水箱連接，進水管的另一端通過螺旋散熱管與出水管連接，集熱器循環(huán)泵經第二導線與溫度傳感器相連接。優(yōu)選地，所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置還包括第一報警燈、第二報警燈、可編程邏輯控制器、氣壓傳感器、物料位傳感器，溫度傳感器、第一報警燈、第二報警燈、氣壓傳感器、 物料位傳感器均與可編程邏輯控制器相連接。優(yōu)選地，所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置還包括備用電源，備用電源與蓄熱水箱、家庭用電連接。本發(fā)明還提供一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵方法，其特征在于，該方法采用上述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置，該方法包括以下步驟步驟一判斷太陽能的情況，如果當太陽能充足時，蓄熱水箱中的貯水按照太陽熱水器作業(yè)原理，通過真空管太陽能集熱器將蓄熱水箱的貯水進行加熱；如果當太陽能缺少時，則閉合與第一導線相連接的開關，使太陽能蓄電池對加熱電圈提供電量，加熱電圈通電對蓄熱水箱的貯水進行加熱；步驟二待溫度傳感器檢測到的沼液溫度小于或等于沼氣的最佳發(fā)酵溫度時，溫度傳感器通過第二導線向集熱器循環(huán)泵發(fā)出信號，集熱器循環(huán)泵開始作業(yè)；步驟三熱水通過進水管進入沼氣池，通過螺旋散熱管對沼氣池中發(fā)酵物進行加熱，如果沼氣池中的沼液溫度高于最佳發(fā)酵溫度時，集熱器循環(huán)泵停止作業(yè)。優(yōu)選地，所述步驟一中的太陽能蓄電池的電量耗盡時，將備用電源與家庭用電接
ο優(yōu)選地，所述步驟三中的集熱器循環(huán)泵停止作業(yè)時，如果是太陽能充足時，則真空管太陽能集熱器將吸收的熱能轉換成電能貯存在太陽能蓄電池中。本發(fā)明的積極進步效果在于(1)本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法節(jié)約能源，不需要用其他燃料來發(fā)酵增溫，可降低沼氣發(fā)酵成本，保證沼氣池內發(fā)酵溫度恒定。(2)本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法可預防我國北方普通磚瓦結構的沼氣池在冬季時的嚴重凍結，借助真空管太陽能集熱器、螺旋散熱管等，無論冬夏均可做到高溫發(fā)酵，有效增加沼氣產量。(3)本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法實現了對池中發(fā)酵物加熱、蓄電池充電的自動化程序控制。(4)本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置具有備用電源、太陽能蓄電池等，可使得本發(fā)明在沼氣發(fā)酵過程中不受外界氣溫及陰雨天氣變化的影響，提高了本發(fā)明的作業(yè)適用范圍。(5)本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法可實現加熱、沼氣氣壓、發(fā)酵物貯存容量的自動控制與監(jiān)測，無需人工作業(yè)，省時省力。(6)本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置的結構簡單、緊湊，可直接在已有的普通沼氣池上加以改裝利用，符合目前我國現代農村新型能源裝置推廣要求。


圖1為本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置的結構示意圖。圖2是本發(fā)明真空管太陽能集熱器將蓄熱水箱內部貯水加熱原理圖。圖3是本發(fā)明溫度傳感器與集熱器循環(huán)泵工作時的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。如圖1和圖2所示，本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置包括太陽能集熱蓄電系統(tǒng)、沼液加熱貯水循環(huán)系統(tǒng)、發(fā)酵物貯存量及沼氣氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置具體包括溫度傳感器1、進水管2、集熱器循環(huán)泵3、備用電源4、蓄熱水箱5、加熱電圈6、 開關7、真空管太陽能集熱器8、角度調節(jié)器9、太陽能蓄電池10、出水管11、螺旋散熱管12、 第一導線131、第二導線132、電池連接板14、第一報警燈151、第二報警燈152、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC) 16、氣壓傳感器17、物料位傳感器18。其中，太陽能集熱蓄電系統(tǒng)包括蓄熱水箱5、加熱電圈6、開關7與真空管太陽能集熱器8、角度調節(jié)器9、太陽能蓄電池10、第一導線131、電池連接板14，沼液加熱貯水循環(huán)系統(tǒng)包括進水管2、集熱器循環(huán)泵3、出水管11與螺旋散熱管12，蓄熱水箱5與真空管太陽能集熱器8 連接，真空管太陽能集熱器8至少由一根真空管構成，加熱電圈6設于蓄熱水箱5的內部， 加熱電圈6通過第一導線131、開關7與太陽能蓄電池10連接。真空管太陽能集熱器8產生能量并經電池連接板14傳輸給太陽能蓄電池10。角度調節(jié)器9位于電池連接板14的下端，可實現真空管太陽能集熱器8進行30 90°的調節(jié)。集熱器循環(huán)泵3安裝在進水管2上。進水管2的一端與蓄熱水箱5連接，進水管2的另一端通過螺旋散熱管12與出水管11連接。集熱器循環(huán)泵3經第二導線132與溫度傳感器1、可編程邏輯控制器16連接。 備用電源4與蓄熱水箱5、家庭用電連接，當無電量或產生電量不足以帶動加熱電圈6時， 將備用電源4與家庭用電接通，備用電源4給蓄熱水箱5和加熱電圈6提供電能，這樣沼氣池可以繼續(xù)工作。發(fā)酵物貯存量及沼氣氣壓監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度傳感器1、第一報警燈151、 第二報警燈152、可編程邏輯控制器16、氣壓傳感器17、物料位傳感器18 ；其中溫度傳感器 1、第一報警燈151、第二報警燈152、氣壓傳感器17、物料位傳感器18均與可編程邏輯控制器16相連接，以此控制相應元件工作；當物料位傳感器18發(fā)出信號時，第二報警燈152閃爍，具體是將物料位傳感器18安裝在沼氣池發(fā)酵物容量的最大容量限度處，當沼氣池內的發(fā)酵物量增加至物料位傳感器處時，物料位傳感器18發(fā)出電子信號，通過可編程邏輯控制器16對該電子信號的處理，第二報警燈152閃爍，提醒用戶應及時排放沼氣池內的發(fā)酵物原料。氣壓傳感器17安裝在沼氣池入口處，當氣壓傳感器17發(fā)出信號時，第一報警燈151 閃爍，具體是為氣壓傳感器17設定一個標準氣壓值(標準氣壓值為沼氣池承受最大限度的氣壓值)，當沼氣池內產生的沼氣氣壓超過該標準氣壓值時，氣壓傳感器17發(fā)出電子信號； 通過可編程邏輯控制器16對該電子信號的處理，第一報警燈151閃爍，提醒用戶應及時處理、應用所產生的大量沼氣。這樣，通過溫度傳感器1、第一報警燈151、第二報警燈152、可編程邏輯控制器16、氣壓傳感器17、物料位傳感器18實現加熱、沼氣氣壓、發(fā)酵物貯存容量的自動控制與監(jiān)測。 溫度傳感器1主要用于檢測當沼氣池中沼液溫度小于沼氣的最佳發(fā)酵溫度時，通過第二導線132向集熱器循環(huán)泵3發(fā)出信號；進水管2主要用于將蓄熱水箱5中的熱水輸入至螺旋散熱管12及整個加熱裝置中；集熱器循環(huán)泵3主要用于將蓄熱水箱5的內部熱水加以循環(huán)動力，保證裝置內部熱水的循環(huán)流動；備用電源4主要用于當加熱裝置內部無電量或產生電量不足以帶動加熱電圈作業(yè)時，可將其與家庭用電接通，滿足裝置作業(yè)需求；蓄熱水箱5主要用于裝置內部加熱用水的貯存；加熱電圈6主要用于當逢遇陰雨天或夜間，太陽能加熱功能失效時，可通過加熱電圈通電作業(yè)，保證裝置內沼氣發(fā)酵時的熱水溫度，能夠持續(xù)產氣；開關7主要用于控制加熱電圈與蓄電池之間的接通或斷開狀況；真空管太陽能集熱器8主要用于借助太陽能熱量，將蓄熱水箱中的溫度較低的自來水加熱至裝置需要溫度；角度調節(jié)器9主要用于通過人工調節(jié)，保證裝置中真空管太陽能集熱器與太陽的輻射角度最大，保證最佳吸熱效果；太陽能蓄電池10主要用于當真空管太陽能集熱器停止向蓄熱水箱提供能量時，將此時吸收的熱量轉化為電能貯存；出水管11主要用于將整個加熱裝置中的低溫水輸出至蓄熱水箱進行加熱；螺旋散熱管12主要通過其不同深度的螺旋分布， 借助于其內部流過的熱水熱量，將沼氣池內部的發(fā)酵物加熱；第一導線131主要用于加熱電圈、開關及太陽能蓄電池的連接導電；第二導線132主要用于溫度傳感器與集熱器循環(huán)泵的連接，方便溫度信號傳遞；電池連接板14主要用于將真空管太陽能集熱器產生的能量傳輸給太陽能蓄電池。第一報警燈151主要用于當氣壓傳感器發(fā)出信號時，閃爍提醒用戶應及時處理、應用所產生的大量沼氣。第二報警燈152主要用于當物料位傳感器發(fā)出信號時，閃爍提醒用戶應及時排放沼氣池內的發(fā)酵物原料?？删幊踢壿嬁刂破?6主要用于對溫度傳感器、氣壓傳感器、位傳感器、第一報警燈、第二報警燈發(fā)出信號指令進行控制。氣壓傳感器17主要用于檢測沼氣池內產生的沼氣氣壓是否超過該沼氣池設定的承受限度。物料位傳感器18主要用于檢測沼氣發(fā)酵物容量是否達到沼氣池最大容量限度。本發(fā)明還提供一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵方法，其包括如下步驟步驟一判斷太陽能的情況，根據不同的情況進行處理。如果當太陽能充足(比如晴天天氣、日照充足)時，則蓄熱水箱5中的貯水按照太陽熱水器作業(yè)原理，通過真空管太陽能集熱器8將蓄熱水箱5的貯水進行加熱。如果當太陽能缺少(比如陰雨天氣、日照不充足、晚間)時，則依靠真空管太陽能集熱器8對蓄熱水箱5的貯水加熱已不可能時，閉合與第一導線131相連接的開關7，太陽能蓄電池10處于放電狀態(tài)，使太陽能蓄電池10對加熱電圈6提供電量，加熱電圈6通電對蓄熱水箱5的貯水進行加熱。如果太陽能蓄電池10 的電量耗盡時，將備用電源4與家庭用電接通。步驟二 如圖3所示，待溫度傳感器1檢測到的沼液溫度小于或等于沼氣的最佳發(fā)酵溫度(最佳發(fā)酵溫度是集熱器循環(huán)泵3的設定工作值)時，溫度傳感器1由可編程邏輯控制器16控制并通過第二導線132向集熱器循環(huán)泵3發(fā)出信號，集熱器循環(huán)泵3開始作業(yè)。步驟三如圖3所示，熱水通過進水管2進入沼氣池，通過螺旋散熱管12對沼氣池中發(fā)酵物進行加熱，如果沼氣池中的沼液溫度高于最佳發(fā)酵溫度時，集熱器循環(huán)泵3停止作業(yè)。集熱器循環(huán)泵3停止作業(yè)時，如果是太陽能充足時，則真空管太陽能集熱器8將吸收的熱能轉換成電能貯存在太陽能蓄電池10中(即太陽能蓄電池10處于充電狀態(tài))。本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置在太陽能將貯水加熱至66 90°C的情況下，在集熱器循環(huán)泵的作用下，每小時發(fā)酵池內發(fā)酵物料升溫2 ;TC。當處在夏季室外溫度21°C 左右時，此時沼氣池溫度約為14 16°C，通過本發(fā)明太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置進行13 16小時的作業(yè)，便可達到沼氣池內發(fā)酵物溫度為48°C以上。對該裝置觀測檢溫，通過實驗發(fā)現，在25天的觀測中發(fā)現，該裝置可自動調節(jié)，沼氣池發(fā)酵溫度幾乎不受外界自然溫度影響，一個星期內沼氣池內的變化均衡在2 3°C之間。應用該裝置進行32天的試驗，試驗結果如下不同發(fā)酵物發(fā)酵期限與溫度產沼氣速度的關系表(Im3發(fā)酵池容積)
權利要求
1.一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置，其特征在于，所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置包括溫度傳感器、進水管、集熱器循環(huán)泵、蓄熱水箱、加熱電圈、開關、真空管太陽能集熱器、角度調節(jié)器、太陽能蓄電池、出水管、螺旋散熱管、第一導線、第二導線、電池連接板，蓄熱水箱與真空管太陽能集熱器連接，加熱電圈設于蓄熱水箱的內部，加熱電圈通過第一導線、開關與太陽能蓄電池連接，真空管太陽能集熱器產生能量并經電池連接板傳輸給太陽能蓄電池，角度調節(jié)器位于電池連接板的下端，集熱器循環(huán)泵安裝在進水管上，進水管的一端與蓄熱水箱連接，進水管的另一端通過螺旋散熱管與出水管連接，集熱器循環(huán)泵經第二導線與溫度傳感器相連接。
2.如權利要求1所述的太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置，其特征在于，所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置還包括第一報警燈、第二報警燈、可編程邏輯控制器、氣壓傳感器、物料位傳感器， 溫度傳感器、第一報警燈、第二報警燈、氣壓傳感器、物料位傳感器均與可編程邏輯控制器相連接。
3.如權利要求2所述的太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置，其特征在于，所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置還包括備用電源，備用電源與蓄熱水箱、家庭用電連接。
4.一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵方法，其特征在于，該方法采用如權利要求3所述太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置，該方法包括以下步驟步驟一判斷太陽能的情況，如果當太陽能充足時，蓄熱水箱中的貯水按照太陽熱水器作業(yè)原理，通過真空管太陽能集熱器將蓄熱水箱的貯水進行加熱；如果當太陽能缺少時，則閉合與第一導線相連接的開關，使太陽能蓄電池對加熱電圈提供電量，加熱電圈通電對蓄熱水箱的貯水進行加熱；步驟二 待溫度傳感器檢測到的沼液溫度小于或等于沼氣的最佳發(fā)酵溫度時，溫度傳感器通過第二導線向集熱器循環(huán)泵發(fā)出信號，集熱器循環(huán)泵開始作業(yè)；步驟三熱水通過進水管進入沼氣池，通過螺旋散熱管對沼氣池中發(fā)酵物進行加熱，如果沼氣池中的沼液溫度高于最佳發(fā)酵溫度時，集熱器循環(huán)泵停止作業(yè)。
5.如權利要求4所述的太陽能輔助沼氣發(fā)酵方法，其特征在于，所述步驟一中的太陽能蓄電池的電量耗盡時，將備用電源與家庭用電接通。
6.如權利要求4所述的太陽能輔助沼氣發(fā)酵方法，其特征在于，所述步驟三中的集熱器循環(huán)泵停止作業(yè)時，如果是太陽能充足時，則真空管太陽能集熱器將吸收的熱能轉換成電能貯存在太陽能蓄電池中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置及方法，該太陽能輔助沼氣發(fā)酵裝置包括溫度傳感器、進水管、集熱器循環(huán)泵、蓄熱水箱、加熱電圈、開關、真空管太陽能集熱器、角度調節(jié)器、太陽能蓄電池等元件，蓄熱水箱與真空管太陽能集熱器連接，加熱電圈設于蓄熱水箱的內部，加熱電圈通過第一導線、開關與太陽能蓄電池連接，真空管太陽能集熱器產生能量并經電池連接板傳輸給太陽能蓄電池，角度調節(jié)器位于電池連接板的下端，集熱器循環(huán)泵安裝在進水管上，進水管的一端與蓄熱水箱連接，進水管的另一端通過螺旋散熱管與出水管連接，集熱器循環(huán)泵經第二導線與溫度傳感器相連接。本發(fā)明可以實現太陽輻射強、晝夜溫差大的高原地區(qū)的沼氣發(fā)酵，且增加沼氣產量。
文檔編號C12M1/34GK102199534SQ20111008428
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權日2011年4月2日
發(fā)明者丁瑞霞, 任廣鑫, 馮永忠, 席建超, 戴飛, 楊改河, 趙肖玲 申請人:西北農林科技大學