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摘要：目前，太阳能虽然被广泛运用在热水器等中，但一些基础科学装置尚未很好地利用太阳能。在传统发酵装置的外部装上太阳能电池板，更有利于较好地利用这种清洁可再生能源，满足发酵工程所适宜的温度。文章介绍了一种基于太阳能辅助加热和智能恒温控制的新型室外发酵装置。
关键词：太阳能发电；辅助加热；智能恒温控制；沼气发酵；室外发酵装置 文献标识码：A
中图分类号：TK514 文章编号：1009-2374（2015）18-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.012
1 研制背景及意义
目前，中国沼气池的推广应用规模居世界首位。虽然沼气的发展对缓解我国农村能源利用问题起到了巨大的推动作用，但是仍具有自身的局限性，只应用于家庭自产自用的方面，并没有发展成为一种产品，也受到了地域季节和气候的多方面影响，难以进行大范围的推广普及。与国外的一些先进沼气制备技术相比，我们在对有机物进行厌氧处理方面的研究还有很大欠缺。
基于上述背景，我们将新能源技术——太阳能利用技术应用到沼气生产技术中，利用便于得到且储量巨大环保无污染的太阳热能来生产沼气能。这样可以有效解决冬季寒冷地区沼气池不产气或产气低的问题，保证了冬季寒冷地区农村的正常用气，满足农户全年对沼气的需要。
本装置能够充分利用太阳能和生物质能产生沼气，沼气属于绿色能源，具有高燃烧效率且无污染的特点。
2 设计方案
本装置由太阳能发电系统、恒温控制系统、喷灌系统和发酵系统四大系统组成。其中太阳能发电系统由位于装置表层的太阳能电池板、位于装置侧面的稳压设备和蓄电池组成；恒温控制系统由位于罐体内部的温度传感器、单片机和电热板组成；喷灌系统由位于装置内部的水回收设备、位于装置顶部的储水罐和喷灌设备组成；发酵系统的主体是改良成半圆型的通用发酵罐。下面将具体介绍各个系统的工作过程：
2.1 发酵系统
由于本装置的发酵系统的工作原理与通用的发酵原理相同，不是本装置重点创新部分，因此在此不加以详细说明。
2.2 太阳能发电系统
本装置的发酵罐体设计成半圆形，在传统的发酵罐体外加装太阳能电池板表层，太阳能电池板采用可弯曲薄膜式，覆盖整个装置表面，全方位、多角度充分吸收太阳能，将丰富的太阳能转化为电能，以供应整个系统的使用。太阳能经表层的太阳能电池转化成的电能电压较不稳定，为了达到供给整个装置使用的条件，这部分电能将先通过电路输送给设置在发酵罐体侧面的稳压设备，转化为适合电器使用的稳定持续电流，再输出给装置供电。同时多余的电能被输送给设置在稳压设备旁边的蓄电池储存起来，当遇到光照不足或夜晚时，太阳能电池即时转化的电能不足以供给整个系统用电，蓄电池可以起到辅助供电的作用。
2.3 恒温控制系统
发酵过程对温度控制有着严格的要求，将发酵温度控制在适宜的范围内有利于提高发酵效率，保证充分发酵。受到环境温度的影响，传统的发酵装置不能很好地控制温度，因此我们设计了恒温控制系统。在发酵罐内部，我们改变了传统的结构，进行了分层设计，使发酵物得到充分利用。发酵物分层放置在分隔板上，在分隔板中安装有电热板，电能经处理后供给电热板用电，电热板给位于其上的发酵物加热。为了防止加热温度过高，我们特别设置了闭环控制的温度控制装置，在罐体侧壁安装的温度传感器可以实时检测罐内发酵的环境温度，并将相关数据信息发送给单片机（微处理器），单片机中的温度控制程序根据传感器发来的数据信息决定电热板采取恒温或是加热模式，并向电热板发出控制信息，电热板执行指令后，对发酵环境产生的影响又由温度传感器实时反馈给单片机。
2.4 喷灌系统
发酵过程中产生的水分由位于分隔板上的水回收利用装置收集，位于罐体顶部的水泵将收集装置中的水通过相关管道泵入到位于罐体顶部的储水罐，储水罐顶部设置有小型喷灌设备，利用电能驱动将储水罐中的水喷洒出去。
具体设备介绍如下：
2.4.1 温度传感器：我们选用与被测对象有良好接触的接触式温度传感器，它在工作時通过传导或对流达到热平衡，从而温度计指示值可以直接显示被测对象的温度，优点则是测量精度较高，利用此温度传感器测发酵装置内部温度，在非运动体、大目标和热容量很大的情况下工作会有很小的测量误差，利于发酵装置在工作过程中及时监测到温度变化，以便更准确的控制适宜的恒温环境。
2.4.2 小型喷灌设备：在发酵装置的内部，设置有一个利用发酵生成水的设备即连接一个可移动的小型喷灌设备，选用锌合金水鸟地插，可达到0.2～0.55MPa的水压，可以很好地灌溉农田，将发酵废水再次加以利用达到节能减排的目的。
2.4.3 太阳能电池板：选用美国进口UNISOLAR非晶硅柔性电池，薄膜式可弯曲的电池板，单片电池0.5W 2V 400MA，可以做在任何需要弯曲的载体上，可以贴合我们发酵装置表面的半球型设计，功率大、尺寸小、电流足，而且对太阳能的转化率相对很高。
2.4.4 电热板：利用电锅的焦耳效应将电能转变成电能以加热物体，我们选用的电热板是用直接电阻加热的形式，热量直接作用于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高，工作电压及电流由太阳能电池板产生的电压和电流确定，加热制沼气原料，电热板的工作面积根据总体大小可确定。
3 理论设计计算
笔者初探了三维空间的体积利用与分配。在三维空间内，如果无法增加长和宽，就只有考虑它的高了。但其高也不能无限扩大，还需结合实际情况保障其稳定性，注意采光、防漏排水、防雷击、抗压等问题。综上，本文设计了这种新型室外发酵装置。
如果设其底面半径为R，则其表面积为S=1/2S球=1/2×4πR2=2πR2，体积V=1/2V球=2/3πr3，三个支撑板的总面积根据勾股定理和投影面积公式可解得为22/9πR2，相比于无加层时的πR2，它有着绝对的优势。此外，其他的设计也提升了它的实用价值。
4 创新点及应用
4.1 创新点
我们在这种新型装置中外部装有太阳能电池板，更有利于利用太阳能，利用这种清洁可再生能源有利于节约能源、零排放，又能满足发酵工程所适宜的温度，可以产生最好的发酵效果。
我们的半球型设计增加了灵活性，有利于从各个角度吸收光能，也使电热板上发酵物在需要时可受太阳照射（如用正方体则无法做到），在不需要时则完全可以避免光照，同时半球设计也利用了半球特有的几何性质：稳定性，也增强了排水能力，防止上面积水；上凸曲面设计提升了抗压性能；保证了此装置各个方面的性能，在工作同时杜绝一系列被水浸泡，被压坏等隐患。
4.2 应用
我们将新能源技术——太阳能利用技术应用到沼气生产技术中，利用便于得到且储量巨大，环保无污染的太阳热能来生产沼气能。这样可以有效解决冬季寒冷地区沼气池不产气或产气低的问题，保证了冬季寒冷地区农村的正常用气，满足农户全年对沼气的需要。
参考文献
[1] 颜丽，刘膺虎.我国大中型沼气工程现状及发展前景探讨[J].中国沼气，1996，14（1）.
[2] 高云超，邝哲师，潘木水，等.我国农村户用型沼气的发展历程及现状分析[J].广东农业科学，2006，（11）.
[3] 屠云璋.中国沼气发展现状[A].国际农业工程学会.第五届农村能源与生物质能资源会议论文集[C].中国农业大学可再生能源实验室，2004.
作者简介：孙悦（1994-），女，山东蓬莱人，山东大学能源与动力工程学院学生，研究方向：交通运输。
（责任编辑：周 琼）
关键词：太阳能发电；辅助加热；智能恒温控制；沼气发酵；室外发酵装置 文献标识码：A
中图分类号：TK514 文章编号：1009-2374（2015）18-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.012
1 研制背景及意义
目前，中国沼气池的推广应用规模居世界首位。虽然沼气的发展对缓解我国农村能源利用问题起到了巨大的推动作用，但是仍具有自身的局限性，只应用于家庭自产自用的方面，并没有发展成为一种产品，也受到了地域季节和气候的多方面影响，难以进行大范围的推广普及。与国外的一些先进沼气制备技术相比，我们在对有机物进行厌氧处理方面的研究还有很大欠缺。
基于上述背景，我们将新能源技术——太阳能利用技术应用到沼气生产技术中，利用便于得到且储量巨大环保无污染的太阳热能来生产沼气能。这样可以有效解决冬季寒冷地区沼气池不产气或产气低的问题，保证了冬季寒冷地区农村的正常用气，满足农户全年对沼气的需要。
本装置能够充分利用太阳能和生物质能产生沼气，沼气属于绿色能源，具有高燃烧效率且无污染的特点。
2 设计方案
本装置由太阳能发电系统、恒温控制系统、喷灌系统和发酵系统四大系统组成。其中太阳能发电系统由位于装置表层的太阳能电池板、位于装置侧面的稳压设备和蓄电池组成；恒温控制系统由位于罐体内部的温度传感器、单片机和电热板组成；喷灌系统由位于装置内部的水回收设备、位于装置顶部的储水罐和喷灌设备组成；发酵系统的主体是改良成半圆型的通用发酵罐。下面将具体介绍各个系统的工作过程：
2.1 发酵系统
由于本装置的发酵系统的工作原理与通用的发酵原理相同，不是本装置重点创新部分，因此在此不加以详细说明。
2.2 太阳能发电系统
本装置的发酵罐体设计成半圆形，在传统的发酵罐体外加装太阳能电池板表层，太阳能电池板采用可弯曲薄膜式，覆盖整个装置表面，全方位、多角度充分吸收太阳能，将丰富的太阳能转化为电能，以供应整个系统的使用。太阳能经表层的太阳能电池转化成的电能电压较不稳定，为了达到供给整个装置使用的条件，这部分电能将先通过电路输送给设置在发酵罐体侧面的稳压设备，转化为适合电器使用的稳定持续电流，再输出给装置供电。同时多余的电能被输送给设置在稳压设备旁边的蓄电池储存起来，当遇到光照不足或夜晚时，太阳能电池即时转化的电能不足以供给整个系统用电，蓄电池可以起到辅助供电的作用。
2.3 恒温控制系统
发酵过程对温度控制有着严格的要求，将发酵温度控制在适宜的范围内有利于提高发酵效率，保证充分发酵。受到环境温度的影响，传统的发酵装置不能很好地控制温度，因此我们设计了恒温控制系统。在发酵罐内部，我们改变了传统的结构，进行了分层设计，使发酵物得到充分利用。发酵物分层放置在分隔板上，在分隔板中安装有电热板，电能经处理后供给电热板用电，电热板给位于其上的发酵物加热。为了防止加热温度过高，我们特别设置了闭环控制的温度控制装置，在罐体侧壁安装的温度传感器可以实时检测罐内发酵的环境温度，并将相关数据信息发送给单片机（微处理器），单片机中的温度控制程序根据传感器发来的数据信息决定电热板采取恒温或是加热模式，并向电热板发出控制信息，电热板执行指令后，对发酵环境产生的影响又由温度传感器实时反馈给单片机。
2.4 喷灌系统
发酵过程中产生的水分由位于分隔板上的水回收利用装置收集，位于罐体顶部的水泵将收集装置中的水通过相关管道泵入到位于罐体顶部的储水罐，储水罐顶部设置有小型喷灌设备，利用电能驱动将储水罐中的水喷洒出去。
具体设备介绍如下：
2.4.1 温度传感器：我们选用与被测对象有良好接触的接触式温度传感器，它在工作時通过传导或对流达到热平衡，从而温度计指示值可以直接显示被测对象的温度，优点则是测量精度较高，利用此温度传感器测发酵装置内部温度，在非运动体、大目标和热容量很大的情况下工作会有很小的测量误差，利于发酵装置在工作过程中及时监测到温度变化，以便更准确的控制适宜的恒温环境。
2.4.2 小型喷灌设备：在发酵装置的内部，设置有一个利用发酵生成水的设备即连接一个可移动的小型喷灌设备，选用锌合金水鸟地插，可达到0.2～0.55MPa的水压，可以很好地灌溉农田，将发酵废水再次加以利用达到节能减排的目的。
2.4.3 太阳能电池板：选用美国进口UNISOLAR非晶硅柔性电池，薄膜式可弯曲的电池板，单片电池0.5W 2V 400MA，可以做在任何需要弯曲的载体上，可以贴合我们发酵装置表面的半球型设计，功率大、尺寸小、电流足，而且对太阳能的转化率相对很高。
2.4.4 电热板：利用电锅的焦耳效应将电能转变成电能以加热物体，我们选用的电热板是用直接电阻加热的形式，热量直接作用于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高，工作电压及电流由太阳能电池板产生的电压和电流确定，加热制沼气原料，电热板的工作面积根据总体大小可确定。
3 理论设计计算
笔者初探了三维空间的体积利用与分配。在三维空间内，如果无法增加长和宽，就只有考虑它的高了。但其高也不能无限扩大，还需结合实际情况保障其稳定性，注意采光、防漏排水、防雷击、抗压等问题。综上，本文设计了这种新型室外发酵装置。
如果设其底面半径为R，则其表面积为S=1/2S球=1/2×4πR2=2πR2，体积V=1/2V球=2/3πr3，三个支撑板的总面积根据勾股定理和投影面积公式可解得为22/9πR2，相比于无加层时的πR2，它有着绝对的优势。此外，其他的设计也提升了它的实用价值。
4 创新点及应用
4.1 创新点
我们在这种新型装置中外部装有太阳能电池板，更有利于利用太阳能，利用这种清洁可再生能源有利于节约能源、零排放，又能满足发酵工程所适宜的温度，可以产生最好的发酵效果。
我们的半球型设计增加了灵活性，有利于从各个角度吸收光能，也使电热板上发酵物在需要时可受太阳照射（如用正方体则无法做到），在不需要时则完全可以避免光照，同时半球设计也利用了半球特有的几何性质：稳定性，也增强了排水能力，防止上面积水；上凸曲面设计提升了抗压性能；保证了此装置各个方面的性能，在工作同时杜绝一系列被水浸泡，被压坏等隐患。
4.2 应用
我们将新能源技术——太阳能利用技术应用到沼气生产技术中，利用便于得到且储量巨大，环保无污染的太阳热能来生产沼气能。这样可以有效解决冬季寒冷地区沼气池不产气或产气低的问题，保证了冬季寒冷地区农村的正常用气，满足农户全年对沼气的需要。
参考文献
[1] 颜丽，刘膺虎.我国大中型沼气工程现状及发展前景探讨[J].中国沼气，1996，14（1）.
[2] 高云超，邝哲师，潘木水，等.我国农村户用型沼气的发展历程及现状分析[J].广东农业科学，2006，（11）.
[3] 屠云璋.中国沼气发展现状[A].国际农业工程学会.第五届农村能源与生物质能资源会议论文集[C].中国农业大学可再生能源实验室，2004.
作者简介：孙悦（1994-），女，山东蓬莱人，山东大学能源与动力工程学院学生，研究方向：交通运输。
（责任编辑：周 琼）