太陽能聯合電加熱沼氣控制器的設計與應用

摘要：針對我國北方冬季由于氣溫低而產生的沼氣池產氣率低，甚至出現沼氣池池體凍裂等問題，提出采用太陽能和電相結合為沼氣池供暖。首先建立三維溫度控制模型，為保持沼液溫度處于適合區間并在±３ ℃內波動，將沼氣池和周圍土壤看成有機整體進行控制。其次對控制系統進行了詳細的軟、硬件設計。最后以哈爾濱地區年出欄２ ０００頭的集約化養豬場為例進行了試驗，結果表明，在天氣最冷的４個月系統需要同時聯合電加熱，其他月份采用太陽能單獨供熱即可；系統溫度控制精確度達到±２ ℃。

關鍵詞：太陽能；沼氣；溫度控制

中圖分類號：ＴＰ２７３ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）19－4051-04

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｊｏｉｎｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｂｉｏｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ＬＩ Ｌｉ－ｌｉ，ＳＨＩ Ｗｅｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｆｕｘｉｎ １２３０００， Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ the problems of ｔｈｅ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ， ｌｏｗ ｇａｓ ｄｉｇｅｓｔｅｒｓ， ｔｈｅ ｂｉｏｇａｓ ｃｅｌｌ ｂｏｄｙ ｆｒｏｓｔ ｃｒａｃｋ ａｎｄ so on， ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓｏｌａｒ jointing ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｇｅｓｔｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ was proposed． Ａｔ ｆｉｒｓｔ， ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ±３ ℃， ｔｈｅ ｄｉｇｅｓｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ａｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｗｈｏｌｅ， ａ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ， ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｐｉｇ ｆａｒｍ ｏｆ ２ ０００ ｓｌａｕｇｈｔｅｒ ｐｉｇｓ ｐｅｒ ｙｅａｒ ｉｎ Ｈａｒｂｉｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｎｅｅｄed ｔｏ ｊｏｉｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｌｄｅｓｔ ｆｏｕｒ ｍｏｎｔｈｓ ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｐｏｗｅｒｅｄ ｂｙ ｓｏｌａｒ ｈｅａｔｉｎｇ ａｌｏｎｅ ｉｎ ｏｔｈｅｒ ｍｏｎｔｈｓ， ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ waｓ ｗｉｔｈｉｎ ±２ ℃．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ； ｂｉｏｇａｓ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

近年來，隨著農業產業化建設的提速，東北規模養殖進入一個快速發展時期，與此同時，未經處理的糞便污水對環境的污染也越發嚴重，不僅造成了對水源和大氣的污染，其中所含的病原體對人體健康也造成了極大威脅。畜禽場糞便污水屬高濃度有機廢水，非常適合于利用沼氣技術進行生化處理［１，２］。若將糞便厭氧發酵則不僅能解決農村環境衛生問題，而且能解決農村能源問題，是合理持續地開發和利用自然資源的有效途徑［３］。由于我國東北四季溫差大，對沼氣的產量及沼氣池的影響很大，影響了沼氣技術在東北的推廣。基于此設計太陽能聯合電加熱沼氣控制系統，針對不同的天氣狀況為沼氣池加熱，并自動控制發酵溫度，提高沼氣生產率，以期解決北方冬季沼氣池無法正常使用的問題。

１太陽能聯合電加熱沼氣池系統設計方案

１．１系統總體設計及運行方案

太陽能聯合電加熱沼氣系統由太陽能集熱器、蓄電池、外接動力電、沼氣池、單片機控制系統等組成（圖1）。采用太陽能聯合外接電源加熱沼氣池，以維持池體在最佳發酵溫度。系統中太陽能集熱模塊與外接電源加熱系統并聯連接。當太陽能蓄電池電量大于最小剩余電量時，開啟太陽能加熱支路；若集熱器熱量無法滿足沼氣池散熱量時，同時開啟外接電源加熱，采用雙熱源對池體加熱；若太陽能蓄電池電量小于最小剩余電量時，只開啟外接電源加熱支路。因溫度的突然變化對產氣量有很大影響，沼氣池內液料的溫度變化情況又和周圍土壤溫度緊密相關，只有采集并控制沼氣池周圍半徑１０ ｍ以內土壤的溫度穩定，才能保持發酵液溫度在±３ ℃內波動。

１．２溫度控制模型

１．２．１物理模型沼氣池物理模型如圖２所示。模型中Ａ面為土壤上表面，Ｂ面為土壤周邊，Ｃ面為土壤下表面，Ｄ面為沼氣池上表面。太陽能沼氣池自動控制系統是由太陽能聯合外接電源加熱系統和沼氣產生系統兩個系統組成，對整個系統建立準確的數理模型比較困難，為了便于計算作出以下假設［３－５］：①載熱流體的熱物性不隨溫度變化，假定為常值；②忽略太陽能集熱器采光面上的灰塵和污物對集熱器集熱性能的影響；③忽略沼氣池內發酵料液發酵時產生的反應熱，發酵料液的溫度取平均溫度；④假定沼氣池內全部為發酵料液，忽略空余空間；⑤將沼氣池底部的換熱器看成面熱源，只考慮其向上和向下兩個方向的傳熱，忽略其他方向的傳熱；⑥忽略接觸熱阻，忽略土壤中因水分遷移而引起的導熱系數的變化。認為土壤與沼氣池之間的傳熱方式為純導熱，且土壤按深度分層，每層土壤的導熱系數為常數，土壤與沼氣池接觸良好。

１．２．２數學模型土壤自然溫度隨深度及時間的不同而呈周期性變化，在忽略土壤濕度遷移時，可視為周期性變化邊界條件下的無內熱源的三維非穩態導熱問題［６］。研究將沼氣池內的溫度場和周圍土壤的溫度場看成一個整體，因此加熱盤管加的熱量就屬于內部傳熱，不屬于內熱源。沼氣池為圓柱體，故選用柱坐標系，建立三維非穩態導熱問題的控制方程為：

■λ■+■λ■+■λ■ （１）

式中：ｔ－土壤某點某時刻的瞬間溫度，Ｋ；ｚ－底層深度，ｍ；λ－土壤的導熱系數，Ｗ／（ｍ·℃）；ｒ－土壤中某點距軸心的距離，ｍ；τ－時間，ｓ。

該公式中土壤的導熱系數難以測量，為了得到該參數，首先根據土壤中埋置的溫度測量點讀取的溫度數據采用公式（１）進行參數反算得到土壤導熱系數。以后再采用公式（１）進行正向運算，計算在當前設置沼液溫度下各土壤監測點應該保持的溫度范圍，與實際測量的溫度對比后將溫度差反饋給微處理器進行控制。

１．３太陽能集熱板面積計算［７，８］

系統中對沼氣池加熱的所有負荷由太陽能板和附加動力電兩方面共同提供。

Ｑ１＝Ｑ０－Ｑ２（２）

其中Ｑ０－沼氣池加熱總熱量，kＪ；Ｑ１－太陽能板提供熱量；Ｑ２－動力電提供熱量。

定義太陽能系統的保證率ｆ為系統總負荷中太陽能所擔負的百分比，即：

ｆ＝■×100% （３）

太陽能系統的保證率與太陽能集熱板面積間存在以下關系：

ｆ＝０．００７ ３Ａ－０．０００ ０１８ ８Ａ２＋０．０００ ０００ ０１６Ａ３（４）

式中Ａ為沼氣池側面積，ｍ２；根據公式（４）即可計算得出系統中太陽能集熱板的面積。

２單片機控制系統設計

２．１單片機控制系統總體結構

單片機控制系統是設計的核心，由溫度采集模塊、太陽能集熱模塊、外接電源加熱模塊、ＰＩＤ溫度控制模塊、輸入／輸出模塊、報警模塊組成（圖３）。

２．２下位機設計

２．２．１ＭＣＵＡＴ８９Ｃ５２是ＡＴＭＥＬ公司生產的一種低電壓、高性能的ＣＭＯＳ ８位單片機，片內含８ kＢ的可反復擦寫的Ｆｌａｓｈ只讀程序存儲器和２５６字節的隨機存取數據存儲器（ＲＡＭ），采用ＡＴＭＥＬ公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準ＭＣＳ－５１指令系統，片內置通用８位中央處理器和Ｆｌａｓｈ存儲單元，功能強大的ＡＴ８９Ｃ５２單片機可以提供許多較復雜系統控制應用場合。

２．２．２溫度采集模塊溫度采集模塊由溫度傳感器、放大電路、濾波電路、Ａ／Ｄ轉換器組成四路模擬量輸入通道。這個部分每隔２ ｍｉｎ監測一次沼氣池內部沼液溫度以及沼氣池周圍底部和側邊土壤溫度，將這些溫度信號經過放大、濾波、模數轉換為數字信號后送入到ＭＣＵ中，為系統的ＰＩＤ溫度控制提供原始依據。模入通道設計的好壞直接影響系統的性能指標及其工作的穩定性。系統的被測對象為沼氣池發酵液以及周圍土壤溫度，設定測量范圍為－３０～８０ ℃，精確度為０．５ ℃。因為沼氣池周圍的特殊環境，選用抗腐蝕性強、工作壽命長的ＰＴ１００作為溫度傳感器，采用８位Ａ／Ｄ轉換器即可。

２．２．３ＰＩＤ溫度控制模塊根據系統用戶預先設定的溫度值，對沼氣池內部的溫度進行實時控制，并根據土壤導熱模型計算出的溫度范圍控制沼氣池附近土壤的溫度，從而保證發酵液溫度的長時間穩定。模塊硬件部分由過零檢測電路和ＰＩＤ控制電路兩部分組成，具體電路如圖４。Ｄ１－Ｄ４四個二極管組成過零檢測電路，當交流電通過零點時，觸發外部中斷０，提供加熱的同步處理信號。ＰＩＤ控制電路由加熱電阻、雙向可控硅等組成的阻容浪涌電壓吸收電路組成。作用是控制執行主機送來的控制信號，通過ＰＩＤ算法改變系統加熱的速度。

２．２．４輸入／輸出模塊輸入部分由４×４鍵盤組成，設置１０個數字鍵和６個功能鍵。按下不同功能鍵系統分別進入溫度設定狀態或時間設定狀態，按數字鍵進行溫度和時間的設定；未按下功能鍵時，系統對所按的鍵不做響應。采用ＬＣＤ１６０２點陣字符液晶顯示器作為顯示部分。顯示屏第一行顯示系統時間和供電狀態；第二行分時顯示４個溫度測量點的實時溫度以及沼氣池內發酵液的設定溫度。鍵盤和顯示部分都采用８２５５可編程并行輸入／輸出芯片作為接口。

２．２．５報警模塊控制系統的報警部分采用聲光報警，當沼氣池內的溫度低于系統的預先設定值時，一邊揚聲器發出嘀嘀的聲音，同時還會有ＬＥＤ燈閃爍。聲光報警電路由５５５定時器、揚聲器和普通發光二極管組成。

２．３上位機設計

控制系統上位機程序采用Ｋｅｉｌ Ｃ編制，由主程序和子程序組成。主程序主要實現系統硬件的初始化及預定的功能，維持沼氣池的正常運行。子程序主要實現各個功能，包括溫度范圍和時間設定子程序、ＬＣＤ顯示子程序、時鐘子程序、溫度采集子程序、ＰＩＤ控制子程序、鍵盤子程序、報警子程序。系統所用的是數字ＰＩＤ中的增量式ＰＩＤ控制算法，執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量。增量式ＰＩＤ控制算法公式：

ΔＵｉ＝ｋei-ei-1+■ei+■（ei-2ei-1+ei-2） （５）

其中，ｅｉ為本次差值，ｅｉ＝設定值－實際值；ｅｉ－１為上次差值，ｅｉ－２為上上次差值；ｋ為比例系數，Ｔ為采樣周期，Ｔｉ為積分時間，Ｔｄ為微分時間，■為積分系數，■為微分系數，ΔＵｉ為調節量。程序流程圖如圖５所示。

３系統模擬設計實例

以哈爾濱地區年出欄２ ０００頭的集約化養豬場為例進行了實際的系統設計，利用養殖場的豬糞為原料，設計沼氣發酵系統，修建沼氣站，為自身及周邊農戶供氣，室外溫度取哈爾濱地區一年中最冷的１月和最熱的７月代表冬天和夏天，系統輸入參數見表１。將設置參數代入公式（４），得出在夏季和冬季當太陽能集熱器供熱比率為１００％情況下，分別需要太陽能集熱器面積為９５ ｍ２和２３０ ｍ２，考慮到系統經濟性和防風等問題，采用２５ ｍ２一塊的太陽能板。一次性建設１０塊這樣的太陽能集熱器投資過高，占用面積也過大，建議初次投資采取４～５塊這樣的太陽能板，這樣可以保證太陽能集熱器在除１、２、１１、１２月以外的其他月份獨立滿足沼氣池加熱作用，在最冷的這４個月需要采用動力電源輔助。

仿真系統穩定工作1 d沼氣池內沼液溫度及沼氣池底部和側壁土壤溫度變化情況如圖６。從圖6可以看出，土壤溫度隨室外溫度變化而變化，但相比室外溫度、土壤的溫度變化較小且變化速度慢。在換熱器加熱的過程中，箱底的土壤溫度比側壁的土壤溫度升高得快，當換熱器停止加熱后，料液的溫度仍然比土壤的溫度高，所以土壤的溫度還要升高，只是增加得比較緩慢。在系統的控制下沼氣池周圍土壤的溫度保持相對穩定，冬季土壤日最高溫差３．７ ℃，沼液日最高溫度差１．３ ℃；夏季土壤日最高溫差２.0 ℃，沼液日最高溫度差１．２ ℃。仿真結果表明將沼氣池和周邊土壤看成一個整體進行溫度控制是必要的，利用周邊土壤的保溫功能使系統控制精度遠高于將沼液溫度控制在設定值±３ ℃以內的系統設計要求。

４小結

控制器設計以經濟性和穩定性為首要原則，電子原件盡量采用低成本且抗干擾性強的器件，適應沼氣池野外工作環境。根據東北冬、夏季室外溫度及太陽光照強度的不同特點，采用不同的運行方案：當太陽能蓄電池電量大于最小剩余電量時，采用太陽能加熱支路；若集熱器熱量無法滿足沼氣散熱量時，同時開啟外接電源加熱采用雙熱源對池體加熱；若太陽能蓄電池電量小于最小剩余電量時，只開啟動外接電源加熱支路，系統可控性較好。為防止發酵液溫度的劇烈變化達到溫度控制精度在

±３℃之內，要將沼氣池和半徑１０ m以內土壤看成一整體進行控制，充分利用土壤的保溫特性。在東北地區將太陽能聯合電加熱沼氣控制器應用于畜牧業生產是可行的。系統充分利用太陽能為池體加熱，可以保證沼氣池安全、高效運行，有效處理養殖糞污，改善養殖區居住環境，具有良好節能環保性。

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