摘要：目前在我国和世界上，分散式禽畜养殖等有机废物的“变废为宝”工程已引起世界有识之士的共同关注，同时国内沼气发酵功能的技术也普遍推广。但是我国农村进行沼气发酵时普遍采用常温发酵，由于发酵温度随四季温度的变化而变化，所以冬春季节沼气池产气率不足的问题，是目前农村普及沼气技术尚待解决的问题之一。

随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，太阳能利用技术被广泛应用，研究利用太阳能增温技术，高效利用太阳能以实现沼气发酵料液增温，从节能、环保、节支等角度为解决沼气池在北方地区发酵温度低的问题开创一个新思路。为此本文详细阐述了沼气池太阳能热管保温技术的原理、发展现状以及其特点，为沼气池技术的研究提供了参考依据。

一、        引言

刚刚过去的20世纪是人类历史发展速度最快的100年，世界人口增加了4倍，全球GDP

增加了18倍，而资源消耗量却增加了100倍。这种以资源过度消耗为代价的经济发展模式，虽然带来了短期的快速增长，但对人类可持续发展却带来了灾难性的隐患。因此，人类不得不改变自己的发展方式，尽然寻求一种新的发展思路，来确保人类社会持续发展。

现在，借助禽畜粪便、沼气发酵发电的技术正处在研究阶段；农村利用沼气发酵供能的实例也数不胜数，在这些项目的研究过程中，沼气增温技术是沼气科学领域的一个研究热点。也是一个难点。沼气科技工作者在利用生物质、煤炭等热源为沼气池加热增温方面进行了大量的工作，取得了明显的增温效果。 但因这些方法都需使用不可再生能源， 而且容易产生污染， 将被逐渐淘汰。因此，研究者都把目光投向取之不尽、用之不竭的清洁能源——太阳能作为沼气增温热源，太阳能增温技术必将成为沼气工程领域的一个研究重点。

二、        各种增温技术的特点

中国沼气工程中各项技术水平已进入国际先进行列，但是在寒冷地区沼气工程太阳能热利用方面，深入系统的研究还不多见。相关的增温节能技术也有一定的发展，当前主要运用的增温手段有以下几种;

(1)塑料暖棚增温技术。其结合了蔬菜大棚的保温特点，利用太阳能为系统增加温度。在晋南地区，采用此种技术后，暖圈内温度可比室外温度高6~15℃，最高时达20℃以上，基本满足该地区冬季沼气的正常发酵，但在北纬40度以北的地区，要想实现全年高效产气就需要对该模式做进一步完善。

（2）燃池增温技术。现在躲在我国东北地区推广，该技术是一种节能增温效果较为显著的技术，但该技术需要消耗大量秸秆，而且污染严重。

(3)“猪-沼-坑”增温技术。该技术是将过去北方的连灶炕与沼气建设相结合，把灶炕里的高温烟气通过烟道强送到沼气装置周围为其加温，此技术也提高了对炕灶火的热利用率，有效地提高了沼气池的环境温度，但对大中型工程来讲操作起来比较困难。

（4）隔热材料保温法。该方法多用在坝上，就是在地底、池四周加保温、隔热材料，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。

（5）沼气表面覆盖柴草保温方法。盖料有秸秆、草类、池面堆肥或者加厚土层等，覆盖面要大于池面以利保温，该方法具有一定的保温效果，只是用于户用沼气池。

（6）挖环形沟保温法。在沼气池周围挖好环形沟，沟内堆沤粪草，利用发酵酿热来实现保温和增温，该方法是堆沤发酵热的有效利用，但在一定程度上也污染了沼气装置的周围环境。

 (7)秸秆废弃物的燃烧方法。这是一种使用较早的增温方法，它在一定程度上也能对沼气设备的环境温度的提高有所帮助，但热利用率不高，对环境也造成一定程度的二次污染。

 (8)塑料薄膜覆盖法。该方法是将塑料薄膜盖在沼气装置的上面，再结合方法四，在薄膜周围堆放一些柴草的办法来进行保温，该方法效果不明显。

 （9）热水锅炉加热法。该方法通过燃烧煤炭加热水产生蒸汽通入沼气池内，已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。

  相比上述方法而言，太阳能热管增温技术有以下特点：

 （1）大大提高了沼气的产气率；

 （2）太阳能热管增温技术传热效率高，且无污染，环保，同时由于太阳能取之不尽，用之不竭，因此不用担心能源消耗问题；

 （3）采用先进的热管技术，不结水垢，不走水，避免因冷热冲击而使集热器炸裂；

 （4）一次性投资，运行费用低，维修简单，即使有几根管破裂也不会影响整体的使用；

 （5）本工程与其它工程相比使用寿命长达15年，具有一次投资，长期受益的效果，具有良好的经济效益。

三、        太阳能热管增温系统设计

2.1.系统原理

     太阳能热管加热系统由太阳能集热器系统、沼气池循环加热系统和控制系统组成。其工作原理为：由太阳能集热系统完成热能的采集并通过换热器对沼气池内料液进行加热，换热器用热管技术已达到较高的热传递效率。

2.2.太阳能集热器的选择

目前，我国的太阳能集热器主要有平板型，全玻璃真空管型和真空热管型三种，平板型集热器具有集热快，价格低，承压高，耐热冲击性能好等优点，但该集热器具有工作温度低，不耐冰冻等缺点；全玻璃真空管集热器的热效率高，其成本低，而抗冰冻，夜间保温性能介于热管集热器和平板集热器之间，但是全玻璃真空管集热器的承压能力较低，耐热冲击能力较差，空晒系统注入冷水后有可能炸裂真空管，整个系统可靠性较差，一根管子破裂，整个系统需停用检修，玻璃管内易结垢，难清理。真空热管集热器的热效率最高，三者之中价格也最高，但其承压能力大，耐热冲击性能好，因真空管内不走水，即使空晒时上水也不会使玻璃管炸裂；耐冰冻，玻璃管内不会结垢，系统工作可靠性强，即使有玻璃管破损，系统仍可继续工作，具有“热二极管效应”，由于连接管内无水，夜晚水箱中热水不存在热能泄露的问题。对于北方寒冷地区的增温，最好采用分离式真空热管集热器。

2.3.太阳能集热系统型式

系统方案的确定由于采用不同太阳能集热系统方案会产生不同的系统工作原理，而系统工作原理又在很大程度上决定这系统的工作效率、供热能力及系统附属配件的复杂程度、操作的难易，因此对系统方案的确定必须考虑到每一种不同的型式，然后比较其不同的优劣，再结合润镇中学的实际情况，最终选择最佳方案。

太阳能集热系统型式主要有间接式和直接式两种,直接式太阳能集热系统又可分为自然循环和强制循环式，而强制循环式太阳能集热系统又有连续式和间歇式两种。他们的优缺点如下：

（1）间接式太阳能集热系统室外部分所用工质为防冻液，因此具有可靠的防冻能力，寒冷地区的设备及管路亦无冻裂之忧，但由于需换热器加热循环水，故初次投资较大。

（2）自然循环式集热系统不用水泵(不耗电)，无须专人看护，一次投资省，但水箱需高架(受安装环境限制)，且抗冻性能差，一般适于非冰冻地区使用，且系统不能过大，集热面积通常在30m2以下。

（3）连续式强制循环系统的特点是:水箱可置于室内，水泵连续运行,系统工况稳定，初次投资较省。由于水泵运行与日照、集热器水温无关，常常在日照较弱的情况下运行水泵，造成无效运行，浪费电能，使系统运行效率降低。

（4）间歇式强制循环系统避免了水泵无效运行，节省了电能，提高了系统热效率，但初次投资较大，同时运行管理要求也高。

 综上所述，由于间接式太阳能及热系统抗冻能力较强，传热效率也较高，故对于东北寒冷地区应选择间接式太阳能及热系统。

2.4.太阳能集热器的连接方式

   集热器的连接方式有串联、并联、串并联等。

(1)串联，一集热器的出口与另一集热器的入口相连；

(2)并联，一集热器的出入口分别与另一集热器的出入口相连；

(3)混联，若干集热器间并联，各并联集热器之间再串联或若干集热器间串联，各串联集热间再并联。

串联方式不存在阻力平衡问题，但串联过多集热器会使热效率降低、压力降也会增加；并联方式压降较小，效率较高，但并联集热器过多，阻力不宜平衡；串并联方式如果应用得当，可以吸收前两者之优点，使效果达到最佳。

四、太阳能集热器的发展

   集热器是太阳能热利用领域中最关键的基础部件，它的发展经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式和金属-玻璃真空管式几个阶段。本世纪初美国、英国、澳大利亚、韩国和以色列等国开始平板型集热器的研究，五六十年代进入工业化化推广阶段，由于这种集热器保温性能差，智能应用在低温领域。七十年代出现全玻璃真空管，通过采用真空保温技术改善了集热器性能，但在大面积推广和工业应用方面，它仍有较大的局限性因此八十年代末又开始研制玻璃-金属真空管集热器，九十年代除少数发达国家开始进入工业化推广阶段，其中热管式真空管集热器产量最大，应用最广。热管式真空管综合应用了真空技术、热管技术、玻璃-金属封接技术和磁控溅射涂层技术，不仅使太阳能集热器能够全年运行，而且提高了工作温度、承压能力和系统可靠性，使太阳能热应用进入中高温领域。目前只有英国、法国和中国等少数几个国家能够批量生产该产品，而北京市太阳能研究所生产的热管式真空管，价格不到英、法产品的一半，在国际市场上具有明显的优势，推广应用前景十分广阔。

五、太阳能热管增温技术现状。

   太阳能热管增温技术的关键在于集热器采用的技术。常见的太阳能集热器有平板型和真空管型两种，其中，真空管型又可分为全玻璃真空管型、U型管真空管和热管真空管集热器。热管式真空管是当今比较先进的技术。

从国内来看，由于太阳能采暖系统与建筑结合紧密，因而对集热产品与建筑的结合、故障率、使用寿命等性能要求较高，平板集热器结构简单，抗压，抗外力冲击，适合承压运行，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑相结合。在热性能方面，尽管平板集热器的保温性能不如真空管集热器，但由于其有效采光面大于真空管集热器，因此其热效率高于真空管集热器。早期平板集热器不能防冻过冬的缺点随着技术进步早已得到解决。太阳能供热工程中，非采暖季能源过剩，真空管集热器易发生爆管、真空度降低等问题，而平板集热器则能较容易地解决这一问题，因此，目前北京地区太阳能采暖工程中，很多工程项目采用了平板型集热器，平板集热器在太阳能行业的发展势不可挡。

而国外成熟的集热器都是平板集热器，平板集热器具有寿命长、稳定性高、可回收的优点，但由于较真空管集热器成本稍高，国内生产的很多价格低廉的平板集热器性能确实不好，因此被国内主流太阳能厂家歪曲了平板集热器的性能。但是不是靠一些厂家的误导就可以扼杀的。现在很多设计院的给排水设计师已经意识到了这个问题。

对于沼气的研究，国内外已经取得很多的成果，但对于太阳能热管技术用于沼气池保温，国内研究正处于起步阶段。

五、参考文献

1  孙静.严寒地区利用太阳能加热制沼气的实验研究.2006,6.

2  王晓超，邱凌.太阳能热管加热系统在生态校园沼气工程中的应用.2008,5.

3  苑建伟，邱凌.农村生态校园沼气系统太阳能增温技术研究.2007,5.

4  王晓超，贺光祥，邱凌，刘洋.太阳能热管加热系统在沼气工程中的应用.2008,7.

5  魏兆凯，刘凯，王晓洲.沼气池太阳能增温技术研究，2009,5.

6  汉高三.热管式真空管太阳能集热器研制成功.
 

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