一种太阳能沼气池

摘要

本发明公开了一种太阳能沼气池，包括沼气池池体，在沼气池池体内悬设集热循环构件，所述的集热循环构件包括集热单元和搅拌循环单元，集热单元将太阳能转化为热能，搅拌循环单元将沼气池内的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到热沼液，热沼液再由集热单元流入沼气池池体，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热。本发明的太阳能沼气池以清液层的沼液作为热媒，无需引入其他的物质，保证了沼液本身纯净的同时实现利用太阳能对沼液进行加热，加热效果好，节省成本。

权利要求

1.一种太阳能沼气池，包括沼气池池体(1)，其特征在于，在沼气池池体(1)内悬设集热循环构件(6)，所述的集热循环构件(6)包括集热单元和搅拌循环单元，集热单元将太阳能转化为热能，搅拌循环单元将沼气池内的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到热沼液，热沼液再由集热单元流入沼气池内，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热；

所述的搅拌循环单元将清液层的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到清液层的热沼液，清液层的热沼液再由集热单元流入沼气池内对物料层沼液进行加热，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热；

所述的集热单元包括沿沼气池池体(1)轴向依次设置的透明罩(64)和集热部件(65)，集热部件(65)表层涂设吸热材料层，太阳光穿过透明罩(64)到达集热部件(65)的吸热材料层实现太阳能转化为热能；

搅拌循环单元连通沼液或清液层的沼液和透明罩(64)与集热部件(65)形成的容纳空间，集热部件(65)的底部伸入沼液或物料层沼液内；

所述的集热部件(65)为漏斗状的集热体，集热部件(65)上设置多个透气孔(652)，集热部件(65)的中央设置排液口(653)，排液口(653)下连通延伸管(66)，延伸管(66)伸入沼液内或活性层的沼液内；

所述的搅拌循环单元包括污水泵(61)和循环管路(62)，循环管路(62)的一端伸入沼液或清液层的沼液内，循环管路(62)的另一端伸入透明罩(64)与集热部件(65)形成的容纳空间内。

2.如权利要求1所述的太阳能沼气池，其特征在于，在延伸管(66)的下端部连通四向喷嘴(67)。

3.如权利要求1所述的太阳能沼气池，其特征在于，在所述的透明罩(64)外覆盖保温盖(63)，所述的保温盖(63)包括外部的防水层(632)和中间的保温材料层(633)。

4.如权利要求3所述的太阳能沼气池，其特征在于，所述的保温盖(63)上设置多个保温盖开关构件(634)，保温盖开关构件(634)包括冷桥隔断(6343)和拉链(6341)。

5.如权利要求1所述的太阳能沼气池，其特征在于，在与沼气池池体(1)相邻的位置挖设进料口(2)和水压间(3)，在池体侧壁装设导气管(7)。

说明书

一种太阳能沼气池

技术领域

[0001] 本发明涉及沼气发酵及太阳能热利用领域，特别涉及一种太阳能沼气池，主要用于解决寒冷环境下传统沼气池无法正常产气的问题

背景技术

[0002] 沼气发酵需要在一定的温度范围内才能进行，而冬季北方农村气温低，难以满足沼气发酵的条件，导致大量沼气池闲置。

[0003] 目前，将太阳能转化为热能用于沼气池增温成为该领域的研究热点。经检索发现：“太阳能沼气池”(公开号：CN200610044223.3)公开了一种太阳能沼气池，提出在沼气池外部设置太阳能热水器，利用热水器收集太阳能间接来为沼气池增温，并没有利用沼气池本体收集太阳能。“闷晒式太阳能沼气池”(公开号：CN200610069837.7)公开了一种闷晒式太阳能沼气池，提出在传统沼气池的拱顶上设置透明密闭结构，太阳辐射透过透明结构对沼气池拱顶进行加热，进而提高沼液的温度，该发明虽提出利用沼气池本体来收集太阳能，但并没有直接对沼液进行加热，加热效果有待商榷。“寒地太阳能增温沼气池”(公开号：
CN200510010502.3)公开了一种太阳能沼气池，提出用采光透明体做沼气池池顶，太阳辐射直接作用于表层沼液，但沼气池自然发酵过程中，沼液自上而下分成沼壳层、清液层、物料层、沼渣层，而发酵的主要部位为中下部的物料层，因此该发明在提高沼气池产气率方面并不可观，而且收集的热量易从透明结构处逃逸。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种高效、针对性强的直接收益式太阳能沼气池，以解决冬季沼气池产气难的问题。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

[0006] 一种太阳能沼气池，包括沼气池池体，在沼气池池体内悬设集热循环构件，所述的集热循环构件包括集热单元和搅拌循环单元，集热单元将太阳能转化为热能，搅拌循环单元将沼气池内的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到热沼液，热沼液再由集热单元流入沼气池池体，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热。

[0007] 或者，所述的搅拌循环单元将清液层的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到清液层的热沼液，清液层的热沼液再由集热单元流入活性层的冷沼液内对活性层沼液进行加热，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热。

[0008] 具体的，所述的集热单元包括沿沼气池池体轴向依次设置的透明罩和集热部件，集热部件表层涂设吸热材料，太阳辐射穿过透明罩到达集热部件的吸热面，吸收太阳辐射后提高自身温度，将太阳能转化为热能；

[0009] 搅拌循环单元连通沼液或清液层的沼液和透明罩与集热部件形成的容纳空间，此外，集热部件的底部伸入沼液或物料层沼液内，形成集热单元与搅拌单元的整体连通。

[0010] 优选的，所述的集热部件为漏斗状的集热体，集热部件上设置多个透气孔，集热部件的中央设置排液口，排液口下连通延伸管，延伸管伸入沼液内或活性层的沼液内。

[0011] 进一步的，在延伸管的下端部设置四向喷嘴。

[0012] 还有，在所述的透明罩外覆盖保温盖，所述的保温盖包括外部的防水层和中间的保温材料层。

[0013] 另外，所述的保温盖上设置多个保温盖开关构件，保温盖开关构件包括冷桥隔断和拉链。

[0014] 具体的，所述的搅拌循环单元包括污水泵和循环管路，循环管路的一端伸入沼液或清液层的沼液内，循环管路的另一端伸入透明罩与集热部件形成的容纳空间内。

[0015] 更具体的，在与沼气池池体相邻的位置挖设进料口和水压间，在池体侧壁装设导气管。

[0016] 本发明有益效果是：

[0017] (1)本发明的太阳能沼气池，主要通过集热构件将太阳能转化为热能，再将沼液输送到集热构件上进行热能的吸收，吸热后的沼液在重力作用下流入沼气池中对冷沼液进行加热，实现沼液的循环加热，且是通过以清液层的沼液作为热媒，无需引入其他的物质，保证了沼液本身纯净的同时实现利用太阳能对沼液进行加热，加热效果好，节省成本；

[0018] (2)优选的，本发明的太阳能沼气池利用清液层的沼液吸收集热构件上的热量，再将清液层的沼液输送到活性层内，在实现了对沼液加热的同时，还能对沼气池内沼液进行循环搅拌，加快发酵产生沼气，提高了沼气池的产气效率；

[0019] (3)具体的集热构件为沼气池内安装的太阳能集热漏斗，收集的热量直接补充于沼气发酵的核心部位(物料层)，首先加热此处的沼液。集热漏斗表面刷有吸热性能良好的油漆，其对太阳能的吸收效率远远大于沼液本身。

[0020] (4)透明玻璃钢罩一方面可以透过太阳光，一方面能够阻挡沼气池内的长波辐射。但玻璃钢罩的导热系数大，直接暴露于冷空气中，易成为失热构件。在玻璃钢罩外设置活动保温盖，在不影响得热的条件下，减少了玻璃钢罩的失热量，提升沼气池整体保温性能。

[0021] (5)简便易安装，不占额外场地：集热构件与沼气池一体式建造，无需额外场地安装太阳能集热器。该装置制作简便，安全可靠，该装置管路较少，易于安装。

附图说明

[0022] 图1是本发明的太阳能沼气池结构示意图；

[0023] 图2是保温盖、透明盖、垫圈及集热构件的安装关系结构示意图；

[0024] 图3是保温盖俯视图及局部放大图；

[0025] 图4是集热构件与循环管道结构关系图；

[0026] 图5是沼气池池体结构俯视图；

[0027] 图6是集热构件上沼液的温度分布云图；

[0028] 图7是经增温后沼气池池体内沼液的温度分布云图；

[0029] 图中的标号为：1-沼气池池体、2-进料口、3-水压间、4-砌筑层、5-保温层、6-集热循环构件、61-污水泵、62-循环管路、63-保温盖、631-保温盖安装孔、632-防水层、633-保温材料层、634-保温盖开关构件、6341-拉链、6342-纽扣、6343-冷桥隔断、64-透明罩、641-透明罩安装孔、65-集热部件、651-集热部件安装孔、652-透气孔、653-排液口、66-延伸管、67-四向喷嘴、68-密封圈、681-密封圈安装孔、7-导气管；

[0030] 以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

[0031] 依据户用沼气池发酵以及气温、太阳辐射的日变化规律，本发明提出一种太阳能沼气池，包括沼气池池体1，在沼气池池体1内悬设集热循环构件6，集热循环构件6包括集热单元和搅拌循环单元，集热单元将太阳能转化为热能，搅拌循环单元将沼气池内的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到热沼液，热沼液再由集热单元流入沼气池池体，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热。

[0032] 或者，搅拌循环单元将清液层的冷沼液输送给集热单元吸收集热单元上的热量得到清液层的热沼液，清液层的热沼液再由集热单元流入活性层的冷沼液内对活性层沼液进行加热，如此往复循环实现利用太阳能对沼液的加热。

[0033] 下面结合附图对本发明进行详细说明。

[0034] 参见图1-5，本发明的太阳能沼气池包括沼气池池体1、进料口2、水压间3、砌筑层4、保温层5、集热循环构件6和导气管7，其中：

[0035] 沼气池池体1由混凝土浇筑形成砌筑层4，外部贴有保温层5。沼气池池体1安装于地下，可减少其热损失；在与沼气池池体相邻的左右位置分别挖设进料口2和水压间3，与沼气池连通设置导气管7，用于将沼气池池体1中的沼气导出池体外进行使用；

[0036] 集热循环构件6包括污水泵61、循环管路62、保温盖63、透明罩64、集热部件65、延伸管66、四向喷嘴67，其中：沿沼气池池体1轴向由沼气池池体1顶部依次设置保温盖63、透明罩64、密封圈68及集热部件65，保温盖63和透明罩64安装于地表以上，方便接受更多的太阳辐射，透明罩64与集热部件65形成容纳空间，集热部件65底端依次连通延伸管66和四向喷嘴67，循环管路62的一端伸入清液层的沼液内，循环管路62的另一端伸入透明罩64与集热部件65形成的密闭空间内，污水泵61为沼液的循环提供动力；

[0037] 参见图2，集热部件65为漏斗状的集热体，呈倒圆锥状，漏斗状的集热体表面刷有吸热性能良好的油漆，集热部件65的边缘设有集热部件安装孔651，集热部件65侧壁上设置通气孔652，集热部件65的最底端设置排液口653。集热部件安装孔651用于将其固定于沼气池池体1上；通气孔652用于连通集热部件65上下的沼气，增大沼气池储气空间；排液口653用于排放加热过的沼液，同时排液口653下依次连通延伸管66和四向喷嘴67，用于将加热后的沼液直接通入物料层(活性层)内。

[0038] 保温盖63包括外部的防水层632和中间的保温材料层633，保温盖63边缘设置保温盖安装孔631，通过螺栓将其固定于透明罩64外部。保温盖63的开启与关闭通过4个沿保温盖63半径方向设置的保温盖开关构件634实现，保温盖开关构件634由冷桥隔断6343、纽扣6342、拉链6341组成，冷桥隔断6343主要用于减少拉链6341部位的热量损失。

[0039] 透明罩64为透明的玻璃钢罩，呈凸球面，周边设置透明罩安装孔641，为保证沼气池具有良好的气密性，在透明罩64与集热部件65之间设置密封圈68，密封圈68上对应的位置设置密封圈安装孔681，用于与透明罩64和集热部件65安装连接。

[0040] 循环管路62的一端伸入清液层的沼液内，循环管路62的另一端伸入透明罩64与集热部件65形成的密闭空间内，污水泵61设置在循环管路62上，循环管路62在透明罩64与集热部件65形成的容纳空间内有两个出口，两个出口靠近集热部件65侧壁，清液层的沼液由出口切向喷出，在离心力的作用下，沿漏斗状集热部件65的壁面流动，使沼液在流动过程中被加热。为增大沼液对集热部件65的冲刷面积，增强换热效果，将管子出口压成扁平状。

[0041] 工作过程包括：

[0042] 依据气温、太阳辐射的日变化规律，昼间太阳辐射充足时，将保温盖开关构件634打开露出透明罩64，以便太阳光能够透过透明罩64照射到集热部件65上，集热部件吸收太阳辐射后将其转化为热能；污水泵61将清液层的沼液抽取后喷洒于集热部件65表面，被加热后的沼液在重力作用下，从排液口653流入延伸管66，接着从四向喷嘴67喷出，与周围沼液混合，达到定向加热沼液的目的；

[0043] 夜间及阴雨天时，将保温盖开关构件634关闭包住透明罩64，防止沼气池内部的热量向池外环境逃逸。

[0044] 实施例一：

[0045] 假设沼气池池体4呈圆柱状，其直径为2400mm，高为1500mm。集热部件65的上端直径为2400mm，下端直径为50mm，高为400mm。循环管路65的直径为30mm，延伸管66与四向喷嘴67的直径均为50mm。

[0046] 以拉萨地区为例，从《中国建筑热环境分析专用气象数据集》取该地典型年的气象参数进行分析计算。拉萨地区1月1日13时，水平面直射辐射强度为728.4W/m2，水平面散射辐射强度为119W/m2，室外空气干球温度为-0.3℃。

[0047] 为了验证本发明集热部件65的集热效果和对沼气池的增温效果，采用数值模拟软件Fluent来模拟计算循环管内沼液加热前后的温度变化及沼气池内的温度场。

[0048] 为简化模拟计算，以水的物性代替沼液物性，假设循环管路喷出的沼液速度为0.1m/s，温度为10℃。

[0049] 采用k-ε双方程模拟计算，湍动能(k)方程和湍动能耗散率(ε)方程如下：

[0050]

[0051]

[0052] 式中，

[0053] Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；

[0054] Gb为由浮力产生的湍流动能；

[0055] σk和σε为k方程和ε方程的湍流普朗特数；

[0056] C1ε、C2ε为常量；

[0057] Sk和Sε为源项。

[0058] 湍流速度μt由下式确定

[0059]

[0060] 模型常量：

[0061] C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3

[0062] 采用Fluent中的太阳光线追踪(Solar Ray Tracing)模型和太阳能计算器(Solar Calculator)功能，计算投射到集热漏斗上的太阳辐射量。

[0063] 模拟计算时，需输入经度、纬度、网格方向、日期和时间等参数。查得拉萨的经度为91.13，纬度为29.67，时区为+8，日期为1月1日，时间为13点。

[0064] 计算结果如图6、7所示，沼液流经集热部件65加热后，温度由10℃升高到15℃。图7为沼气池内沼液被加热30分钟后的温度场，由图可见，四向喷嘴附近(发酵层)的沼液温度达到14～15℃，上部的沼液相比于初始温度(10℃)变化较小，维持在10～12℃。