智能沼氣池的研發與應用

付 亮，朱甜甜

（沈陽師范大學，遼寧沈陽 110034）

能源作為國家的血脈，與國家的發展有著密不可分的關系。作為新興的能源產業，在沼氣生產過程中，會產生與能源作物生長周期中吸收的二氧化碳，或者會在廢物腐爛中自然釋放二氧化碳。這使得沼氣廠的電力和熱量對氣候特別友好。作為一種氣候友好的可再生熱源，意味著沼氣生產在推動其使用方面具有巨大優勢。將沼氣用于能源生產的最常見方法是以CHP形式把沼氣置換為熱能和電能。為了最有效地利用沼氣，所有新工廠都應采用CHP系統。但是在沼氣池發酵過程中，池內氣壓、溫度、pH都處在一個不斷變化的過程中，需要進行實時監控，使其反應處于最高效率，同時防止爆炸及其他危害人類生命財產問題的出現。智能沼氣池通過傳感器、云平臺與客戶端聯動，及時監控解決這一問題，防止意外的發生。

1 沼氣的主要應用

沼氣的主要應用（或應用沼氣的用途）有發電、在熱電聯產工廠、農業廢物管理、烹飪燃料作為可持續能源、注入天然氣管道、作為運輸車輛的清潔可再生燃料、在沼氣燃料電池中。

1.1 沼氣用作烹飪燃料

將沼氣用于烹飪和烘焙是改善能源供應的有前途的選擇，即數十億人曾依靠低效且不健康的生物質燃燒作為主要能源。與其他使用燃料燃燒的技術相比，如果沼氣經過適當燃燒，則沼氣爐產生的溫室氣體排放量最低，這點極大地區別于生物質或化石燃料。在這種情況下，沼氣爐有助于減少農村地區烹飪方式對氣候變化的影響。它可改善邊緣化人群的生活，消除我國甚至世界上許多貧困家庭廚房中造成的室內污染，處理通常對健康和環境構成威脅的有機廢物，對貧困的惡性循環產生積極影響。

一立方米的沼氣可以代替5.6kg的木柴和1.7kg的木炭。另外，沼氣生產的副產物（消化液）可以直接用作肥料或用于生產腐殖質（例如，在可能的情況下用沼氣烹飪），可以顯著減少森林砍伐并有助于減輕土壤消耗。當然，沼氣應用的這些優勢很大程度上取決于沼氣爐（特別是燃燒器）的質量。所以，在許多情況下，確保長期采用該技術已變得困難。將沼氣的應用整合到用戶的日常實踐中似乎是確保技術的可持續利用和推廣的必不可少的條件，智能沼氣池的研發也就顯得格外的重要。

1.2 發電

在沼氣所有用途里面，發電應用最為普遍。用植物材料制成的沼氣提供了一種可再生的發電方式。

沼氣擁有化學能，因此沼氣發電是將這種化學能轉化為機械能并最終轉化為電能的結果。這是通過使用會把能量以某類樣式轉變為另一類樣式的傳感器（例如發電機和渦輪機）來完成的。由于可以規模化生產，因此可以在家庭和商業上使用。

2 智能沼氣池的研制

通過沼氣的應用分析來看，智能化沼氣池的研發變得不可或缺，是最大化利用其價值的重要依據。借助如今信息化的手段管理解決沼氣運作中間的問題，形成多級管理體系，帶來可觀的社會以及經濟效益。

2.1 智能沼氣池方案概述

結合網絡融合技術研發本文所需的智能沼氣池管理系統，方便廣大農村地區沼氣用戶的維護與應用。智能系統借助物聯網技術遠程操作和監視沼氣池。該系統應提供所需的物質，排出動物糞便產生的過量沼氣，并在整個沼氣池的開發監管中應對突發的諸如火災一類的情形。整個智能方案配備微控制器、水位傳感器、超聲波傳感器、氣體傳感器、溫濕度傳感器和IP攝像機，以及與設備（即智能手機或計算機）的Internet或Intranet連接，能夠經濟高效地實現該智能系統的整體功能。

整個智能沼氣池基本上由兩部分模塊構成：嵌入式系統模塊和以太網通信模塊。包含水位傳感器、沼氣傳感器、溫濕度傳感器、火災傳感器以及微控制器，把它們放置在沼氣池系統周圍隨時觀測系統參數。測量結果借助以太網屏蔽并借助WIFI傳輸。

嵌入式系統模塊獲取整個沼氣池體系內容并維持記錄并實時完成相應功能。體系可采取多種管控模式，如自動模式與手動模式。如果系統處于自動模式，則系統將根據已編程的閾值進行操作，并繼續通過某些IP上的GUI提供反饋。此外，如果系統處于手動模式，則能夠按照GUI內部的開關開啟手動調控。這個智能沼氣池管控體系還包括生物排氣調控系統、飼料調控系統、IP記錄儀、火情偵測系統和水域調控系統這類子系統。沼氣調控系統將動物的糞便造成沼氣排放，可能對動物本身沒有益處，為了抑制它，還特地研發排氣系統，配備風扇，當應用氣體傳感器檢測到氣體數據異常時，風扇會開啟。如果系統處于自動模式，它便不需要人工去特意管控，不過特殊情況下也能使用WIFI將控制信號從GUI傳輸到處理單元來手動打開/關閉它。進料調控系統由飼料出料記錄與進料存儲構成。存儲器包含借助步進電機開啟的閥，同時配備用于檢測飼料值的超聲波傳感器。隨著進料量的減少，閥可打開，以便進料。

該管理系統可高效提高沼氣池的應用效率，減少沼氣池廢棄的概率，廣大農友可以用的踏實放心，有效落地國家能源政策，讓農友從中獲益。該套系統提供“自助維護教程”、“一鍵維護”等重要功能，以視頻加圖文的方式講解說明，便于文化程度不高的農友快速上手，并普及相關的沼氣使用常識，可幫助農友解決小的問題，實現了整體的閉環監控。

2.2 智能沼氣池解決的問題

該智能沼氣池系統可提供迅捷的宣傳和培訓方式和渠道。借助網絡融合技術，讓各層管理部門可以通過電腦、手機等多類終端模式，第一時間宣傳各種新的沼氣管理和服務信息，最重要的是能直接溝通于用戶，完全顛覆了過往逐級開會傳達、喇叭喊的形式，在新技術傳達培訓方向上，效率速度得以提升，達到了較好的效果。

該智能沼氣池系統為規范、高效的分層管理給予了有力支持。伴隨沼氣建設規模逐漸擴增，曾經的沼氣管理形式和方法早已遠不及需求。該系統最先支持了各種沼氣基本要素（如沼氣用戶、服務點、配置資源、收費形式等）的基層庫建設，也提供管理機構實現需求的數據記錄和報表形式，規范了分層管理部門的權限。這點可將沼氣信息化管理構建變為實際，極大程度增強沼氣的管理效果與效能。

3 結束語

沼氣池最終方案的選擇會在很大程度上影響沼氣的處理、存儲和沼氣轉化系統經濟性的設計和設備需求。通過沼氣池模式轉變，借助現有的物聯網技術，將引起未來的沼氣廠作為集中監控管理去安裝和運行。設計、開發用于集中線上管控的基于物聯網的濕智能沼氣池，以作為未來沼氣廠的經典模型。通過本文的智能沼氣池的方案設計，可以盡量避免不必要的損失與消耗，通過智能化的處理，解決了沼氣處理問題信息閉塞的難題，可以借助現有的新技術改變傳統的模式，極大地便利了農民。同時，在社會與國家層面上，為社會主義新農村建設擴寬了新的渠道，為農村沼氣池建設與推廣提供了新的可能，促進了經濟結構的轉變，有很積極的社會意義。