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摘 要：沼气作为一种清洁能源，在农村利用得越来越广泛，但在我国北方地区，冬季温度较低，存在沼气池产气率低，沼气不够用等问题，有时还会冻裂池体，难于推广应用。为了避免气候对沼气生产的限制，提升冬季产气率，经过反复研究实践，开发了一种适合北方寒冷地区的新型太阳能加热恒温沼气发酵系统，利用太阳能集热装置对料液进行加热，同时采用跟踪系统自动控制温度，保证发酵液料温度在较小的范围内波动维持恒温发酵。文中对该系统组成结构以及工作原理进行了详细阐述，同时介绍了系统相关参数的计算方法及合理参数的选取。通过选取合理参数，能够保证系统稳定高效运行，有效提高沼气发酵的产气率，为该系统的设备加工及后续推广应用提供可靠的理论依据。
关键词：太阳能；沼气；恒温发酵；产气率
中图分类号：S216.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150727001
温度对沼气厌氧发酵的影响至关重要。通常来讲沼气细菌在8～60℃的范围均可厌氧发酵[1]。沼气发酵工艺，按照发酵温度不同可以进一步分为常温发酵（10～25℃）、中温发酵（28～40℃）以及高温发酵（48～60℃）3种方式。不同温度条件下厌氧发酵，发酵装置中的微生物菌群有所差异，各需要适宜的温度环境，同时对温度的变化十分敏感。研究表明，沼气厌氧发酵过程中，温度在1h内上下浮动应不大于2～3℃，若温度突然上升或下降5℃，产气量便会显著减少[2]，若超出一定范围，将直接导致产气中断。当前，国内农村沼气发酵通常不采取增温措施，并且将反应器建设于地下，其内部液料温度会随着季节改变而受到影响，变化幅度较大，从而导致产气率也发生改变，严重限制了沼气的稳定生产供应。
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。
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：
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：
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
[1]刘丹.混合畜禽粪便厌氧发酵特性试验研究[D].东北农业大学， 2008.
[2]周梦津，张榕林，蔺金印.沼气实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：34-39.
[3]李恩.太阳能富集地区居住建筑墙体节能分析与构造优化[D].西安建筑科技大学， 2008.
[4]王補宣.工程传热传质学[M].北京：科学出版社，1982.
[5]毋楠.太阳能热水系统与高层建筑一体化的构造研究[D].西安科技大学， 2012.
关键词：太阳能；沼气；恒温发酵；产气率
中图分类号：S216.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150727001
温度对沼气厌氧发酵的影响至关重要。通常来讲沼气细菌在8～60℃的范围均可厌氧发酵[1]。沼气发酵工艺，按照发酵温度不同可以进一步分为常温发酵（10～25℃）、中温发酵（28～40℃）以及高温发酵（48～60℃）3种方式。不同温度条件下厌氧发酵，发酵装置中的微生物菌群有所差异，各需要适宜的温度环境，同时对温度的变化十分敏感。研究表明，沼气厌氧发酵过程中，温度在1h内上下浮动应不大于2～3℃，若温度突然上升或下降5℃，产气量便会显著减少[2]，若超出一定范围，将直接导致产气中断。当前，国内农村沼气发酵通常不采取增温措施，并且将反应器建设于地下，其内部液料温度会随着季节改变而受到影响，变化幅度较大，从而导致产气率也发生改变，严重限制了沼气的稳定生产供应。
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。
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：
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：
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
[1]刘丹.混合畜禽粪便厌氧发酵特性试验研究[D].东北农业大学， 2008.
[2]周梦津，张榕林，蔺金印.沼气实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：34-39.
[3]李恩.太阳能富集地区居住建筑墙体节能分析与构造优化[D].西安建筑科技大学， 2008.
[4]王補宣.工程传热传质学[M].北京：科学出版社，1982.
[5]毋楠.太阳能热水系统与高层建筑一体化的构造研究[D].西安科技大学， 2012.