（电力电子与电力传动专业论文）基于labview的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究.pdf

独创性声明 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1i iuiii y 18 9 4 5 9 7 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者签名索，秆 少1 1 年易月z ，日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密函。 学位论文作者签名：童定j 虱彳 指导教师签名： ， i l 年易月j 日 日 力，、 月 一n 矿 年 勺 3 2 江苏大学高教硕士学位论文 摘要 沼气和太阳能都是清洁能源，太阳能沼气发电工程很好的将这两种 清洁能源结合在了一起，在当今及未来能源短缺的形势下成为今后新能 源研究的一个新的方向。大力发展太阳能沼气工程对于可持续发展有重 要意义。无线监测技术已经是比较成熟的一种信息采集手段，已经广泛 应用在了工业、农业、国防等相关行业和部门。一般沼气池的产气效率 由发酵菌的活跃程度决定，而发酵菌活跃程度又受沼液温度、大气温湿 度、沼气池压力等因素影响。可见，如何准确的实时的测量沼液温度、 大气温湿度、，沼气池压力对太阳能沼气发电工程意义重大。 本文搭建了太阳能沼气发电工程无线监测系统的硬件系统，基于 l a b v i e w 开发了上位机数据采集、分析与处理程序。采用k 型热电偶测 量沼液温度、瑞士s e n s i r i o n 公司的s h t l 0 温湿一体数字传感器测量大气 温湿度、压力传感器m c s 5 5 4 0 测量沼液压力，通过单片机对传感器信号 进行放大、滤波、编码后传输给无线传输发送模块，无线传输接收模块 收到数据经单片机处理后通过r s 2 3 2 串口传输给上位机。采用价格低廉 的单片机替代了昂贵的数据采集卡，降低了系统成本。并且无线数据采 集避免了现场布线，可以很方便实现多点组网同时测量。上位机软件采 集到沼液温度，大气温湿度，沼气池压力数据后，实现对数据进行实时 显示、保存、超界限报警等功能。 关键词：沼气发电，单片机，无线监测，数据采集，l a b v i e w m o d u l er e c e i v i n gd a t ap r o c e s s e db yt h em i c r o c o n t r o l l e r t h e nt h eh o s t c o m p u t e rg e tt h ed a t af r o mm i c r o c o n t r o l l e rt h r o u g hr s 2 3 2 s e r i a lp o r t p c s o f 如a r ec o l l e c tt h em a r s hg a st e m p e r a t u r e ， a t m o s p h e r et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y ，m a r s hg a sp r e s s u r ed a t a ，t h e nc o m p l e t e r e a l _ t i m ed a t ad i s p l a y ， s t o r a g e ，s u p e r - l i m i t sa l a r m f u n c t i o n s k e yw o r d s ：m a r s hg a sp o w e rg e n e r a t i o n ，m i c r o c o n t r o l l e r ，w i r e l e s s m o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，l a b v i e w 江苏大学高教硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 太阳能沼气发电工程研究现状l 1 1 1 太阳能沼气发电工程概述2 1 1 2 太阳能沼气发电工程特点3 1 2 太阳能沼气发电工程现状3 1 3 研究目的和意义4 1 4 主要研究内容4 1 5 技术路线方法5 第二章太阳能沼气发电技术7 2 1 太阳能沼气发电原理与主要设备7 2 2 沼气产生系统8 2 2 1 沼气发酵的基本原理8 2 2 2 沼气发酵工艺条件8 2 2 3 沼气产生系统9 2 3 太阳能温室保温系统1o 2 3 1 太阳能集热器的选型1 2 2 4 沼气发电系统一l3 2 4 1 沼气发电动力装置1 4 2 4 2 沼气发动机的类型1 4 2 4 3 沼气发动机的可靠性1 5 第三章无线监测系统硬件设计1 7 3 1 系统构成及工作原理1 7 3 2 单片机及最小系统。17 3 3 数据采集与处理系统18 3 3 1 沼液温度采集模块。1 8 3 3 2 大气温湿度采集模块2 1 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 3 3 3 沼气池压力采集模块2 2 3 4 无线传输模块2 3 3 4 1 无线通信方式的比较2 3 3 4 2n r f 9 0 5 收发模块。2 5 3 5 液晶显示模块2 7 第四章无线监测系统下位机软件设计2 9 4 1 数据采集系统2 9 4 1 1 沼液温度。3 0 4 1 2 大气温湿度3 0 4 1 3 沼气池压力3 1 4 2 无线传输3 3 4 2 1 无线模块配置3 3 4 2 2 发送子程序3 4 4 2 3 接收子程序3 5 4 3 单片机串行通信3 7 4 3 1 串口中断程序3 7 4 3 2 其它串口处理函数3 7 4 3 3 串口通信协议3 9 4 4 液晶显示模块4 0 第五章上位机系统软件设计4 l 5 1l a b v i e w 简介4 1 5 2 上位机软件设计4 2 5 2 1 数据采集与显示模块4 3 5 2 2 数据处理与报警模块4 4 5 2 3 数据存储模块。4 4 5 2 4 报表生成模块4 5 5 3 上位机数据库开发4 5 第六章无线监测系统测试4 7 6 1 产气量变化4 7 6 2 温度测试结果4 9 i v 江苏大学高教硕士学位论文 r - r 一二_ 二_ _ 二二二一 第七章结论5 2 参考文献5 3 致 谢5 5 在学期间发表的学术论文及其他科研成果5 8 附录l 。5 9 v 江苏大学高教硕士学位论文 第一章绪论 1 1 太阳能沼气发电工程研究现状 激增的世界人口，现代化工厂，都在耗费着大量的能源，能源短缺是世界面临 的一大问题，各个国家特别是工业发达国家，都在集中人力、物力进行各种新能源 的探索、研究与开发，如：太阳能、沼气能、风能、海洋能、地热能、氢能、核能 等。近年来，世界经济正朝着可持续、循环型和可再生能源的方向发展，由于沼气 技术具有可将城市和农村有机废物、废水转化成沼气、肥料，实现资源循环利用的 可贵特征，并有利于温室气体减排，其在能源、环境、生态、卫生及农村经济发展 中的作用日益受到各国政府的重视，沼气及其综合利用广泛受到人们的关注，沼气 池的经济效益也越来越显著。近几年推广力度不断加大，各国政府也在不断地出台 相应的法律政策来促进沼气技术的发展，沼气的研究取得了大成效。进入新世纪之 后，沼气技术在理论与实践上又有了很大的进步，诸多因素将使沼气技术有更快发 展，具有广阔的发展前景。沼气在促进生物质良性循环、建立生态农业、维护生态 平衡、建立大农业系统工程等方面都将发挥重要作用。中国拥有丰富的生物质资源( 农 业废弃物、禽畜粪便和城市生活垃圾等) ，如果这些资源没有得到有效利用和处置， 将会成为危害环境的主要来源，因此如何开发和利用生物质垃圾资源，使垃圾减量 化和无害化，更重要的是资源化，将成为中国未来资源开发的主要方向之一。 在沼泽地、池沼中所冒出的气泡，就是自然界天然发生的沼气。沼气，是各种 有机质，在适宜的温度、湿度条件下，在隔绝空气的环境中，经过微生物的发酵作 用产生的一种环境清洁和便宜的可燃烧气体。沼气是多种气体组成的混合气体，主 要成分为甲烷和二氧化碳，甲烷约占6 0 - - 7 0 ，二氧化碳约占3 0 - 4 0 。沼气中 还含有少量的硫化氢、氧气、氢气等气体，约占总含量的5 1 1 。沼气中的主要可燃 成分为甲烷，甲烷在空气中遇明火就能燃烧，产生二氧化碳和水。含有有机物的废 弃物都是较好的制备沼气的原料，目前主要包括农业废弃资源、人畜排泄物、工业 有机废料和下料、城镇生活污水、以及城镇生活垃圾等。沼气发酵后产生三种生成 物：一是沼气，以甲烷为主，是一种清洁能源；二是沼液，含可溶性氮、磷和钾， 是优质肥料；三是沼渣，主要成分是菌体、难分解有机沼渣和无机物，是一种优良 有机肥，可肥田、灭菌和改良土壤【l4 j 。 1 7 7 6 年意大利物理学家a 沃尔塔在沼泽地中发现了沼气，并分析了沼气成分。 1 8 6 0 年法科学家l 穆拉将简易沉淀池改进发明了世界上第一个人工沼气发生器，拉 开了人类研究和用沼气的序幕【5 】。1 8 8 1 年，法国的摩热斯发明自动清净器，建立了 世界上第一个处理废水消化器。1 8 9 6 年，英国一座小城市建立了处理生活污水、污 1 图1 1 太阳能沼气发电工程流程图 2 江苏大学高教硕士学位论文 1 1 2 太阳能沼气发电工程特点 太阳能沼气发电工程整个生产流程无污染物排放，清洁环保高效，具有广阔的 应用前景。但是太阳能沼气发电工程涉及到多学科多领域，是集微生物学、电子信 息科学、计算机、热能与动力等多学科于一体的系统工程。把当今先进的信息技术、 计算机技术应用于太阳能沼气发电工程必将极大提高自动化水平，推动太阳能沼气 发电工程的发展。 1 2 太阳能沼气发电工程现状 沼气和太阳能都是清洁能源，太阳能沼气发电工程很好的把这两种清洁能源结 合在了一起，在当今及未来能源短缺的时代是新能源研究的一个新的方向。沼气作 为一种新型可再生能源燃料，具有较高的热值，与其它燃气相比，其抗爆性能较好， 是一种性能优良的清洁燃料，传统上大多利用沼气进行取暖、炊事和照明。近十几 年来，用于处理畜禽粪便及各种生产、生活污水的大中型沼气工程纷纷上马，至1 9 9 8 年底，我国已建成大中型沼气工程7 4 8 处，城市污水净化沼气池累计4 9 3 0 0 处，年 产沼气量约为1 2 亿立方米。在城市垃圾处理过程中，也可回收能源沼气，目前，全 世界共建成4 8 1 7 座垃圾填埋场，每年可回收沼气约5 1 4 亿立方米。随着沼气产量的 不断提高，如何更高效地利用沼气，成为摆在我们面前的一项课题。沼气发电以其 低排放、低污染、节约能源、废物资源再利用等优点而倍受各国政府的关注，开发 沼气发电成为建设绿色环保工程的一项重要措施。 沼气是禽畜粪便、农业废弃物、工业有机废弃物、生活污水和城市生活垃圾等 在厌氧环境下通过微生物作用产生的一种清洁和便宜的可燃性气体，主要成分为甲 烷和二氧化碳。沼气的主要获取途径有2 种：一种是厌氧消化工程制取沼气；另一 种是收集城市生活垃圾填埋产生的填埋气( 1 a n d f i l lg a s ) 。 中国是一个农业生产大国，农业生物质资源丰富，主要包括农作物秸秆和农产 品加工废物。畜禽养殖主要是牛、猪和鸡，全国大中型奶牛、猪、鸡养殖场有6 0 0 0 多家，禽畜粪便约2 1 亿吨【l 。另外，还有工业有机垃圾、生活污水净化污泥以及城 市生活垃圾均是在的生物质能。中国沼气主要生产方式有两种：一种是基于农业废 弃物和禽畜粪便的厌氧化工程制取沼气；另一种是基于工业和城市生活固体垃圾的 填埋方式制取沼气【l 列。 2 0 0 5 年底，中国的沼气年用量达到约8 0 亿m 3 【1 3 】。2 0 0 6 年底，全国农村沼气用 户总数已达到2 2 0 0 万户，已有8 个省区用沼气保有量超过1 0 0 万户。2 0 0 9 年中央一 号文件再度锁定“三农”。其中明确表明将加快农村的沼气建设，增加农村沼气工程 建设投资，扩大秸秆固化、气化试点示范。过去每年沼气中央财政要投入2 0 亿元， 2 0 0 9 年在这个水平上要进一步提高，以使每年能解决4 0 0 万到6 0 0 农民家庭使用沼 气【1 4 】。根据“十一五计划的目标，2 0 1 0 年的沼气产量将达到1 9 0 亿m 3 【1 3 】 3 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 沼气发电技术是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术。沼 发电将垃圾处理中产生的沼气转变为电能，降低了污染物处理的成本，并产生了 效清洁的能，集环保和节能于一体，同时也带来巨大的经济效益，是有效利用沼 的一种重要方式。 沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。欧洲用于沼气发电的内燃机， 大的装机容量在4 0 0 , - - 2 0 0 0 k w ，填埋沼气的发电效率约为1 6 8 2k w h m1 【1 7 】。2 0 0 6 期间，欧盟国家填埋沼气的发电量达3 6 0 0 0 g w h 之多，而美国2 0 0 5 年期间填埋沼 气的发电量就已超过2 0 0 0 0 g w h 1 8 】。美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程， 处于世界领先水平。现有6 个填埋场使用内燃机发电，加上使用汽轮机发电的装机， 总容量已达3 4 万k w 1 7 】。中国开展沼气发电领域的研究始于8 0 年代初，中国在沼 气发电方面的研究工作主要集中在内燃机发电系列上。目前，在中国深圳已建成南 山沼气发电厂和下坪沼气发电厂，南京、上海、北京等大中城市也正在或准备修建 垃圾沼气发电厂。据测算，只要该类电站规模在1 0 0 0k w 以上，其平均电价约为o 4 元k w h 时，其经济性就基本能与煤电相抗衡w 。 1 3 研究目的和意义 太阳能沼气发电工程结合了太阳能和生物能两种清洁环保的可再生能源，利用 太阳能的热量通过建温室给沼气池中发酵微生物提供一个适宜的环境。如何准确实 时地了解沼液温度、沼气池压力、大气温湿度等信息，对于保证产气量显得尤为重 要。 无线监测技术通过无线通讯模块把下位机通过传感器采得的数据传送给上位 机。无线监测技术可以避免现场繁杂的布线，维护性好，可扩展性好【2 0 】。利用该技 术实时监测沼液温度、沼气池压力、大气温湿度的数值，使工作人员能及时准确的 了解沼气池当前状况，对于分析产气效率和稳定性提供依据。 1 4 主要研究内容 本课题的主要研究内容是开发一套沼气发电工程无线监测系统，由信号终端( 热 电偶，温湿度传感器，压力传感器) ，单片机，无线通讯模块，p c 机组成。热电偶， 温湿度传感器，压力传感器可以采集相应的信号，经单片机处理后，经由无线通信 模块发送给远程计算机，远程计算机对接收到的数据进行处理、显示、存储、过警 戒线报警、报表生成。实现对沼气池内状态的无线远程监测，和对采集数据相应的 处理。主要完成以下几方面工作： 1 总体方案设计 查阅大量国内外相关文献后，参照现有的类似系统同时避免其缺点，采用模块 化的设计思想进行设计，无论是硬件还是软件都做成一个个功能模块，通用性、可 4 江苏大学高教硕士学位论文 移植性、扩展性都较好。 2 硬件设计 本系统硬件设计主要包括：信号采集与处理模块、单片机模块、无线通讯模块、 上位机接收模块等。综合考虑各方面因素，采用a t 8 9 s 5 2 作为系统的控制器。分析 比较目前市场上流行的无线信号传输系统c d m a 、z i g b e e 、蓝牙、i r d a 、h o m e r f 、 g p r s 和普通射频等。考虑到实际应用环境，采用稳定性好、成本低的n r f 9 0 5 无线 数据收发芯片。沼液温度的采集选用k 型热电偶作为沼液温度传感器，为了获得更 准确的测量结果需要用到热电偶放大器a d 5 9 5 、运算放大器l m 3 2 4 、数字转换芯片 a d c 0 8 0 9 等芯片对信号进行处理后送入单片机。大气温湿度的采集选用瑞士 s e n s i r i o n 公司的温湿一体数字传感器s h t l 0 。压力传感器采用m s 5 5 4 0 ，测量范围为 1 0 11 0 k p a 。 3 软件设计 本系统软件设计包含上位机软件设计和下位机软件设计。 上位机软件通过串口从无线通讯模块获取沼液温度、沼气池压力、大气温湿度 数据，进行实时显示，数据存储，在此基础上实现超范围报警，提示工作人员采取 相应措施。必要的时候可以对检测结果生成报表。上位机软件开发时可以先编写各 个功能模块，然后编写主程序，这样可以在编写主程序时方便地调用各个子功能模 块。 下位机软件设计主要完成沼气温度数据采集，沼气池压力数据采集，大气温湿 度数据采集，与无线传输模块n r f 9 0 5 串口通讯，与上位机串口通讯等功能。 4 程序调试与优化 由于本系统采用模块化设计，调试时可以先对每个模块单独调试，一旦有问题 能极大缩小查找问题的范围，便于及时发现并解决问题。然后对系统进行软硬件联 调，这阶段如果出现问题，只需定位到该问题出现在哪个模块即可。模块化设计可 以极大地方便程序调试和今后的系统维护和功能扩展。测试过程注意发现记录问题， 提出进一步优化方案。 1 5 技术路线方法 传感器数据 采集模块 t 8 9 s 5 2 单片 机小系统 了9 0 无线 射模块 图1 2 系统总体结构图 5 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 根据课题内容，设计的无线采集系统的总体结构图如图1 2 ，传感器数据采集模 块采集沼气池压力、沼液温度及大气温湿度数据经简单处理后，通过n r f 9 0 无线传 输模块传输给上位机软件，上位机软件对接收到的数据进行显示、处理、保存，根 据需要还可以进行报表生成。 6 江苏大学高教硕士学位论文 第二章太阳能沼气发电技术 太阳能和沼气都是清洁能源，通过合理设计温室最大限度地利用太阳能来给发 酵细菌提供一个合适的温度环境。而沼气发电则把沼气作为发动机的燃料，使沼气 发动机运转，把生物能转化为机械能，再通过沼气发动机带动发电机工作，这样机 械能又转换为电能。 2 1 太阳能沼气发电原理与主要设备 太阳能沼气发电是随着沼气综合利用技术的不断发展而出现的一项沼气利用技 术，它利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物( 如酒糟液、禽畜粪便、城市 污水等) 经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动发电机组发电，并充分利用发电机组的余 热，使综合热效率达7 5 左右，从而达到环保和节能的目的。系统由沼气池子系统、 太阳能集热器子系统、沼气净化子系统、分布式冷热水供能子系统等组成，结构如 图2 1 所示。 图2 1 太阳能沼气发电系统示意图 l 水泵；2 太阳能集热器；3 热水箱；4 沼气池；5 换热器；6 1 吏滤器；7 汽水分离器；8 腹厩塔；9 温 度传感器；1 0 储存器；l l 微型燃气轮机；1 2 发电机；1 3 余热锅炉；1 4 溴化锂吸收式制冷机；1 5 蒸汽热交换器；1 6 烟气热交换器；1 7 阀门；1 8 阀门 7 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 2 2 沼气产生系统 2 2 1 沼气发酵的基本原理 沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种 微生物( 统称沼气细菌) 的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫 沼气发酵。这是沼气产生的基本原理，即厌氧发酵机理。厌氧生物处理的实质是一 系列复杂的生物化学反应。其中的底物、各类中间产物一级各种群微生物间的相互 作用，形成一个复杂的微生物生态系统。许多学者研究表明，在沼气发酵过程中起 主导作用的发酵细菌绝大多数都是厌氧菌。 以前的研究将沼气的厌氧发酵认为是分两阶段进行的。即首先通过不产甲烷菌的 作用将有机废物转化为简单的有机酸、醇以及二氧化碳等，其中有机酸占8 0 ，因 此，将此阶段称为酸化阶段。然后，这些有机酸、醇等物质又被产甲烷细菌利用。 产甲烷细菌分解乙酸、醇等形成甲烷和c 0 2 ，或通过氢还原c 0 2 的作用，形成甲烷。 这种以甲烷和c 0 2 为主的混合物气体就是沼气。 直到1 9 7 9 年，布赖恩特根据多年来研究的成果，提出了将沼气发酵的基本过程 分成由三大代谢类群微生物引起的三个作用阶段的学说【6 】。 第一阶段一液化阶段：有机物质( 碳水化合物、蛋白质、脂肪等) 由发酵细菌，如 纤维素分解细菌、蛋白质分解细菌、脂肪分解细菌的作用，将多糖水解成单糖，蛋 白质水解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸，并进一步降解生成各种低级有 机酸，如乙酸、丙酸、乙醇等。同时，还生成氢气和二氧化碳。 第二阶段产酸阶段：产氢细菌、乙酸细菌将丙酸、乙酸、乙醇等分解，形成氢 气和乙酸，间或有二氧化碳产生。 第三阶段一产甲烷阶段：产甲烷细菌分解乙酸形成甲烷和二氧化碳，或利用氢还 原二氧化碳形成甲烷，或转化甲酸形成甲烷。在形成的甲烷中，大约3 0 来自氢还 原二氧化碳，7 0 来自乙酸的分解。 沼气发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。在沼气发酵初 期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用。在沼气发酵后期，则是三 个阶段的作用同时进行，一段时间后，保持一定的动态平衡持续正常的产气。 2 2 2 沼气发酵工艺条件 影响厌氧发酵的因素有很多，包括进料种类和浓度、温度、p h 值、进料浓度、 接种物等【2 2 】。沼气发酵微生物要求适宜的生活条件，因此在工艺上满足微生物的这 些工艺条件的要求，可以达到发酵旺盛、产气量高的目的。实践证明，厌氧发酵过 程往往由于一条没有控制好而引起整个系统运行失败，因此，控制好沼气发酵工艺 条件是维持正常发酵产气的关键。 8 江苏大学高教硕士学位论文 沼气发酵可在较为广泛的温度范围内进行，在1 0 6 5 c 范围内都能产气。沼气 发酵与温度有密切关系，一般来讲，池内发酵液温度在i o c 左右，只要其他条件达 到要求( 如酸碱度适宜，沼气发酵菌较多) 就可以发酵，产生沼气。在一定范围以内， 产气速度随着温度的增高而增高，但并不是线性关系。产气在3 7 左右和5 2 左右 出现峰值，分别称为中温发酵和高温发酵。在这两个最适宜的发酵温度，分别是不 同的微生物群参加作用的。中温发酵和高温发酵相比，后者比前者在一定容积的发 酵容器中的有机物负荷以及产气量高2 2 5 倍f 7 1 。 一个高效稳定的沼气生产系统，除了提高发酵温度到其产气高峰点外，还必须保 持反应器内温度恒定。研究发现在恒温厌氧发酵进行时，- - d , 时内温度上下波动不 宜超过2 c - 3 c ，短时间内温度升降5 ，沼气产量明显下降，波动幅度过大时，甚 至会停止产气【7 j ，这种影响对中温和高温恒温发酵尤为明显。 2 2 3 沼气产生系统 本文沼气产生系统是利用南通市海安县“一池三改”沼气工程基础上经过改造 后实现。沼气产生系统由日光温室、太阳能加热系统、酸化池、厌氧消化池和沼液 过滤系统等几部分组成。沼气料液在重力下，经粪污收集器自动入格栅沉砂池，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流布料沼气池。太阳 能热系统对沼气池内的料液进行循环增温，料液得到充分发酵。厌氧发酵后的部分 沼液进入沼液过滤池，经过两级过滤后进入沼液池作为灌溉水源；多余沼液和沼渣 进入贮肥池，用于农田施肥；所产沼气用于发电，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。 在冬季，沼气系统是否能正常运作，完全实现其功能，在很大程度上决定于太 阳能加热系统的供热能力。 沼气系统基本都建在地下，大都采用常温发酵o o c 6 0 c ) ，随着一年四季气温 的变化，池温变化较大，产气率的变化也较大。低温发酵、中温发酵、高温发酵的 产气率与温度有密切的关系。 o ) i 程主要装置 a 沉砂池：沉砂池的作用是将污物中物理、化学及生物性质不同的无机颗粒和有 机颗粒进行分离，以便后处理单元的正常运行。沉沙池采用平流沉沙池，污物从池 一端流入，呈水平方向流动，从池另一端流出，构造简单，处理效果好，设计参数 为：粪污最大流速小于0 3 r i f f s ，停留时间5 0 s ，池底坡度2 。 b 格栅：清除大型杂物。格栅的设计应符合以下要求：格栅数量不少于二道， 一道粗格栅栅条间隙为2 5 一- 4 0 m m ，去除大型杂物，一道细格栅，栅条间隙为1 5 m m ， 去除中小型杂物。格栅应便于清除杂物和清洗。污水过栅流速一般为0 5 - 0 8n g s 。 c 酸化池：沼气系统主要利用人粪尿作为发酵原料，但是人粪尿c n = 6 1 0 ：1 ， 不适宜微生物发酵。为了使沼气工程正常产气和较好的粪污去除效果，在厌氧发酵 9 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 器前增设预处理酸化间，将秸秆等富碳原料在敞口预处理酸化间里水解产酸，酸化 液通过单向阀进入发酵间，剩余的以木质素为主体的残渣在酸化间内彻底分解后直 接取出，即解决了发酵原料c n 配比问题，又避免了纤维性原料发酵出料难的问题。 1 0 0 m 3 规模的沼气工程酸化池体积为2 m x 2 5 m x l m ( 图2 2 ) ，池体采用钢筋混凝土结 构，壁厚约2 4 c m 。 1 m4 1 、- 蛄ll1 6 0 4ls sl 一 - m ，1r 、 血 1 i i 1 1 r 营 一一面= 冒 拦 里匿6 一c 、 ：、甄。i 彳疆 暑 形乡1 l lt 念 窑 懿蕊 鞫嚣隧黼品 r 。 客 曹噶 帏p e ? e ，n t 芦锅 彳1 1| | |， - l li j| l ， 蝌拶”| | ”i ： i b ，l l： 。 瞥 减 ： i 量 f ii |i i 嚣 |： i z 0 * - i f| |l i 尉 j | li |： 薯 l l 曼 hl ii ii ， 品 产心、； l i l i d7202。7ll 2 2 3 太阳能温室保温系统 图2 2 沼气池设计尺寸示意图 当前主要运用的沼气池保温增温手段有以下几种： ( 1 ) 添加保温层保温 隔热材料保温法。在地底、池四周加保温、隔用沼气发酵装置的设计与实验研究 热材料，中断沼气池与大地的热传导通道。该技术只能延缓料液降温的速度，在冬 季不能保证沼气工程运行。 ( 2 ) 采用燃料燃烧加热增温 燃池增温技术。该技术对原有沼气池外围增建个环形或半环形燃烧池，具体以 锯末或农作物秸秆，再加上一定配比的水为原料，是一种节能增温效果较为明显的 新型技术，但是该技术需要消耗大量秸秆，而且污染严重。 热水锅炉加热法。该方法通过燃烧煤炭加热水产生蒸气通入沼气池内，以达到沼 气池升温的目的，但是由于需要大量煤炭，从能源利用角度上来讲不经济。 ( 3 ) 热水锅炉加热法 热水锅炉加热法。该方法通过燃烧煤炭加热水产生蒸气通入沼气池内，以达到沼 气池升温的目的，但是由于需要大量煤炭，从能源利用角度上来讲不经济。 综上所述，现在所使用的沼气池增温方法多集中在采用电加热、化石燃料加热或 江苏大学高教硕士学位论文 者生产出的沼气对反应器进行加热，这些热源产生的能量品位较高，用于加热恒温 厌氧发酵系统，能源利用率很低，不符合能量利用中的“温度对口，梯级利用”原 则，在经济上也不合理。本题将太阳能温室保温系统应用到沼气生产技术中，利用 低品位的太阳热能来生产高品位的沼气能。解决冬季沼气池不产气的问题，保证了 寒冷的冬季的正常用气。 太阳能温室保温系统主要设施包括：太阳能日光温室、集热室、循环管等。如 图2 3 所示。太阳能温室由钢材骨架和中空阳光板构成的太阳能一级保温系统，l o o m 3 沼气系统的集热面积一般为1 1 5 i n 2 ，集热室由酸化池和中空阳光板构成的太阳能二级 保温系统，集热面积为l o r e 2 。当太阳能保温系统工作时，太阳短波进入太阳能温室 内，经地面辐射变为长波被中空阳光板阻隔在大棚内，于是温室内的温度不断升高。 一方面温室内的热量通过辐射给罐壁加温；另一方面，酸化调节池吸收的太阳能对 料液自动加温，通过料液循环系统加热后的料液进入发酵池内，从而达到沼气系统 保温效果。 太阳能加热设备是指由集热器、换热器、循环水泵、供热管道、微控制器等组 成的太阳能加热系统，经供热管道联结后构成一个相对独立的沼气池热水循环加热 系统( 如图2 4 ) 。太阳能采暖炉加热系统的工作原理是通过集热器吸收太阳能加热贮 热水箱的水，依靠循环水泵把热水源由供热管道送入沼气池内的热置换器，释放热 量后回到贮热水箱再由太阳能加热，由此形成加热增温循环系统，提高发酵温度， 保证了发酵工艺的高效运行。 图2 3 太阳能保温系统简图 1 1 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 徽控制器温度传绣貉 图2 4 太阳能增温系统设计 2 3 1 太阳能集热器的选型 目前国内市场上用的太阳能集热器的类型主要有：平板式、真空管式、热管式、 u 型管式等四种，选择太阳能集热器类型主要应根据安装地点的气候特征以及所需 热水温度、性价比等来选定。 ( 1 ) 平板集热器 平板集热器是当今世界上应用最广泛的太阳能集热产品。其吸热元件为金属吸热 板，吸热板中间为介质流道。一块集热器由几片吸热板和上、下集管焊接组成，金 属外框和北部有保温材料，上面为高透过率的钢化玻璃。下集管连接水箱下部，上 集管连接水箱上部。平板集热器靠冷、热介质( 例如水) 的比重不同所产生的重力差， 通过上、下集管与水箱的连接形成自然循环，最终达到将水箱内的水加热的目的。 平板集热器的性价比是所有集热器中最好的。 ( 2 ) 全玻璃真空管太阳集热器 全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管。全玻璃真空集热管是套 着的双层内外玻璃管，它们的一端相互封接。内层玻璃管的一端用金属卡与外管固 紧，其外壁涂以选择性吸收涂层。内外玻璃管之间的夹层抽真空。像拉长了的热水 瓶胆。它可以直接贮水换热，也可以将各种结构设计的金属换热器从开口端插入管 内换热，组成各种全玻璃真空管太阳热水装置。这就避开了技术要求高的玻璃与金 属封接，从而开辟了高性能太阳热水系统普遍推广应用的美好前景。全玻璃真空管 太阳能集热器采用高真空技术，并应用性能优越的选择性吸收涂层，极大地降低了 玻璃真空集热管的热损失。与普通平板太阳能集热器相比，玻璃真空集热管的热损 失系数大约降低2 个数量级。这样，全玻璃真空管太阳能集热器可以在中、高温下 运行，也能在寒冷地区以及低日照与天气多变地区全年运行，从而大大扩展了太阳 能应用领域和地区范围。工作时不承压，使用时不能缺水空晒，否则易爆裂玻璃管。 真空管集热器的性价比也比热管、u 型管高。 ( 3 ) 热管式真空太阳能集热器 江苏大学高教硕士学位论文 热管式真空太阳能集热器管内不走水，加热系统与循环系统独立分隔，整个系统 全部为金属连接，极其可靠，没有任何隐患。热管式真空管太阳能集热器即使在最 寒冷的地区也不会出现炸管和循环系统管路冻结的问题，加上其它能源的配合，完 全可以全天候的满足客户的需求。国内外大量的工程实例证明，热管式真空管太阳 能集热器最适合应用于有大量水、高温热水或其他介质需求的工程用户。但是造价 太高，并且其热效率也最低。 ( 4 ) u 型管式集热器 u 型管式集热器的核心元件是u 型集热管。u 型集热管是在普通的玻璃真空集 热管内插一根u 型铜管，u 型管的两端分别与联集箱中的两根母管相连，u 型管 与圆筒形铝翼紧闭相接，母管中的水经u 型管流入另一根母管，水由铝翼接受玻璃 管的热能加热。母管一根接冷水，另一根将太阳能热水汇集于贮水箱中。在高寒地 区也可用防冻液，然后再经热交换器加热水。 本系统将设计在农村运行，考虑到防冻的问题，不宣采用平板式太阳能集热器。 考虑到实际应用中的造价问题，不宜采用热管式真空、u 形管太阳集热器。所以本 系统优选真空管太阳能集热器，真空管太阳能集热器不仅可以满足本系统的热性能 需要，而且具有简单、实用和价廉的特点。 2 4 沼气发电系统 沼气是一种混合可燃性气体，其主要成分是甲烷( c h 4 ) ，其余为二氧化碳( c 0 2 ) 、 氧气( 0 2 ) 、氮气( n 2 ) 和硫化氢( h 2s ) ，按容积比来计算，甲烷含量约为5 0 - - 7 0 ， 二氧化碳含量约为2 0 5 0 ，在2 7 3k 、1 0 1 1 3k p a 标准状态下，沼气对空气的 相对密度为0 9 4 左右，甲烷的着火温度较高( 9 0 5 3k ) ，燃烧速度较慢，另外，沼 气中大量存在c 0 2 对燃烧具有强烈的抑制作用，所以沼气的燃烧速度很慢，当沼气 用于发动机时，容易产生后燃等不正常的燃烧现象，一般可通过快速燃烧技术，提 高压缩比，加强混合气的气体扰动，提高点火能量来解决。 热值可以分为高热值和低热值两种，在沼气发动机的实际循环中应取低热值， 沼气的可燃部分某一组成的体积分数与该组成低热值的乘积即为该组成的发热量， 各可燃组成的发热量之和即为沼气的低热值( 一般为2 0 - - - 2 5m j m 3 ) 。 目前，国内外大多采用压缩点火式沼气一柴油发动机，这种发动机把沼气和空 气吸入气缸，并加以压缩，用柴油引火，所需的液体燃料相当于通常燃料消耗量的 8 1 5 ，双燃料发动机在运行中，当沼气缺乏时可自动转换为柴油操作，而使发动机 继续运转。沼气一柴油发动机热效率一般在3 0 3 5 之间，燃料燃烧总热量只有3 2 左右转换为电能，有6 5 7 0 的热量未被利用，其中气缸冷却水和废气所占热量约为 燃料燃烧总热量的5 0 6 0 ，这些废热可以很容易地变为热水和蒸汽而加以回收f 3 。7 。3 9 1 。 只用发动机冷却水出水的余热，不足以加热消化器的料液。利用排出废气的余热加 热冷却水的废气热交换器，可使冷却水的出水温度再提高8 1 0 。沼气发动机排气 基于l a b v i e w 的太阳能沼气发电工程无线监测系统的研究 温度一般为3 8 0 - 4 5 0 。c ，通过热交换器冷却到18 0 2 0 0 。c 这样便可以得到热水去加热 消化器料液。其余的热量为摩擦损失和辐射损失，将发动机的废热进行回收以加热 消化器是最经济有效的能量利用方案。 2 4 1 沼气发电动力装置 从能量利用的角度看，碳氢燃料可被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮机、 锅炉等。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电的特点是中小功率性，对于这种类型 的发电动力设备，国际上普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可 行。因此采用沼气发动机发电机组，是目前利用沼气发电的最经济、高效的途径。 图2 5 是采用发动机( 内燃机) 的结构示意图，沼气发电机在发电的同时。产生出大量 的热量，烟气温度一般在5 5 0 左右，燃料燃烧放出的热量通过动力发电机组和热交 换器进行利用，其综合热效率要高。从图中可见，采用发动机方式的结构简单，成 本低、操作简便等优点。 2 4 2 沼气发动机的类型 排气 图2 5 发动机( 内燃机) 的结构示意图 沼气发动机一般是由柴油机或汽油机改制而成，分为压燃式和点燃式两种，与普 通柴油发动机一样，沼气发动机的工作循环也包括进气、压缩、燃烧膨胀做功、排 气4 个基本过程。压燃式发动机采用柴油沼气双燃料，通过压燃少量的柴油以点燃 沼气进行燃烧做功。这种发动机的特点是可调节柴油沼气燃料比，当沼气不足甚至 停气时，发动机仍能正常工作。缺点在于系统复杂，所以大型沼气发电工程往往不 采用这种发动机，而多采用点燃式沼气发动机。 点燃式沼气发动机也称全烧式沼气发动机，其特点是结构简单，操作方便，而 且无需辅助燃料，适合在城市的大、中型沼气工程条件下工作，所以这种发动机已 成为沼气发电技术实施中的主流机组。 沼气发动机发电机组系统根据沼气发动机的工作特点，在组建沼气发动机发电机 组系统时，要着重考虑以下几个方面： ( 1 ) 沼气脱硫及稳压、防爆装置：沼气中包含有大量水分、灰尘、h 2 s 、硅醇、 n h 3 等有害成分，如果不把这些有害成分清除，容易造成沼气收集管道和发电机等 江苏大学高教硕士学位论文 设备的腐蚀，从而缩短设备的使用寿命。因此供发动机使用的沼气要先经过脱硫装 置。 ( 2 ) 进气系统：沼气内燃机以沼气作为燃料，沼气空气混合气的浓度对其动力性、 经济性有很大影响。混合气太浓，火焰传播速度降低，功率减小，燃烧不完全，燃 料消耗增加。反之，混合气稀则燃料分子间的距离太大，使混合气中火焰不能传播， 内燃机运转不稳，甚至熄火停车。为了使气体燃料在内燃机气缸内完善燃饶，达到 合适的空燃比，故应在进气总管上加装一套沼气空气混合器，以调节空燃比和混合 气进气量，其性能的好坏，直接影响沼气内燃机的动力特性和经济性，是气体内燃 机的关键部件之一。 ( 3 ) 发动机：沼气的燃烧速度很慢，若发动机内的燃烧过程组织不利，会影响发 动机运行寿命，所以对沼气发动机有较高的要求。 ( 4 ) 调速系统：沼气内燃机的运行场合是和发电机一起以用电设备为负荷进行运 转，用电设备的装载、卸载会使沼气内燃机负荷产生波动，为了确保发电机正常发 电，沼气内燃机上的调速系统必不可少。稳定输出电压的目的要求沼气内燃机转速 波动在一定范围内，这就要在发动机转速超过或低于某一数值时，减少或增加可燃 混合气量。 2 4 3 沼气发动机的可靠性 沼气的燃烧速度慢，若不采取有效措施，很容易使发动机出现后燃现象，也就是 发动机的排气温度较高，使发动机热负荷增大，影响使用寿命。 近年来，我国已研制出不同型号的沼气发动机，单机功率逐步上升到l o o k w 以 上，最大的已达到4 0 0 k w 。但由于在基础研究( 如发动机工作过程) 等方面的科研相对 滞后，沼气发动机后燃严重未能根本解决。许多发动机实际排温高达6 5 0 7 0 0 ，排 气阀严重磨损，阀座下陷，气缸盖要经常拆动，发动机可靠性与寿命过不了关。而 且，由于燃烧过程组织不利，沼气消耗率普遍偏高，实际上l i i l 3 沼气发电不到1 6 度， 与国际上l m 3 沼气能发电2 度以上的性能相比，经济性不好。由于上述原因，许多国 产机组不得不降负荷运行。有的在使用中途被国外机组替换，而有的沼气工程处直 接使用国外机组，这对沼气发