智能沼气池的研发与应用

付 亮，朱甜甜

（沈阳师范大学，辽宁沈阳 110034）

能源作为国家的血脉，与国家的发展有着密不可分的关系。作为新兴的能源产业，在沼气生产过程中，会产生与能源作物生长周期中吸收的二氧化碳，或者会在废物腐烂中自然释放二氧化碳。这使得沼气厂的电力和热量对气候特别友好。作为一种气候友好的可再生热源，意味着沼气生产在推动其使用方面具有巨大优势。将沼气用于能源生产的最常见方法是以CHP形式把沼气置换为热能和电能。为了最有效地利用沼气，所有新工厂都应采用CHP系统。但是在沼气池发酵过程中，池内气压、温度、pH都处在一个不断变化的过程中，需要进行实时监控，使其反应处于最高效率，同时防止爆炸及其他危害人类生命财产问题的出现。智能沼气池通过传感器、云平台与客户端联动，及时监控解决这一问题，防止意外的发生。

1 沼气的主要应用

沼气的主要应用（或应用沼气的用途）有发电、在热电联产工厂、农业废物管理、烹饪燃料作为可持续能源、注入天然气管道、作为运输车辆的清洁可再生燃料、在沼气燃料电池中。

1.1 沼气用作烹饪燃料

将沼气用于烹饪和烘焙是改善能源供应的有前途的选择，即数十亿人曾依靠低效且不健康的生物质燃烧作为主要能源。与其他使用燃料燃烧的技术相比，如果沼气经过适当燃烧，则沼气炉产生的温室气体排放量最低，这点极大地区别于生物质或化石燃料。在这种情况下，沼气炉有助于减少农村地区烹饪方式对气候变化的影响。它可改善边缘化人群的生活，消除我国甚至世界上许多贫困家庭厨房中造成的室内污染，处理通常对健康和环境构成威胁的有机废物，对贫困的恶性循环产生积极影响。

一立方米的沼气可以代替5.6kg的木柴和1.7kg的木炭。另外，沼气生产的副产物（消化液）可以直接用作肥料或用于生产腐殖质（例如，在可能的情况下用沼气烹饪），可以显著减少森林砍伐并有助于减轻土壤消耗。当然，沼气应用的这些优势很大程度上取决于沼气炉（特别是燃烧器）的质量。所以，在许多情况下，确保长期采用该技术已变得困难。将沼气的应用整合到用户的日常实践中似乎是确保技术的可持续利用和推广的必不可少的条件，智能沼气池的研发也就显得格外的重要。

1.2 发电

在沼气所有用途里面，发电应用最为普遍。用植物材料制成的沼气提供了一种可再生的发电方式。

沼气拥有化学能，因此沼气发电是将这种化学能转化为机械能并最终转化为电能的结果。这是通过使用会把能量以某类样式转变为另一类样式的传感器（例如发电机和涡轮机）来完成的。由于可以规模化生产，因此可以在家庭和商业上使用。

2 智能沼气池的研制

通过沼气的应用分析来看，智能化沼气池的研发变得不可或缺，是最大化利用其价值的重要依据。借助如今信息化的手段管理解决沼气运作中间的问题，形成多级管理体系，带来可观的社会以及经济效益。

2.1 智能沼气池方案概述

结合网络融合技术研发本文所需的智能沼气池管理系统，方便广大农村地区沼气用户的维护与应用。智能系统借助物联网技术远程操作和监视沼气池。该系统应提供所需的物质，排出动物粪便产生的过量沼气，并在整个沼气池的开发监管中应对突发的诸如火灾一类的情形。整个智能方案配备微控制器、水位传感器、超声波传感器、气体传感器、温湿度传感器和IP摄像机，以及与设备（即智能手机或计算机）的Internet或Intranet连接，能够经济高效地实现该智能系统的整体功能。

整个智能沼气池基本上由两部分模块构成：嵌入式系统模块和以太网通信模块。包含水位传感器、沼气传感器、温湿度传感器、火灾传感器以及微控制器，把它们放置在沼气池系统周围随时观测系统参数。测量结果借助以太网屏蔽并借助WIFI传输。

嵌入式系统模块获取整个沼气池体系内容并维持记录并实时完成相应功能。体系可采取多种管控模式，如自动模式与手动模式。如果系统处于自动模式，则系统将根据已编程的阈值进行操作，并继续通过某些IP上的GUI提供反馈。此外，如果系统处于手动模式，则能够按照GUI内部的开关开启手动调控。这个智能沼气池管控体系还包括生物排气调控系统、饲料调控系统、IP记录仪、火情侦测系统和水域调控系统这类子系统。沼气调控系统将动物的粪便造成沼气排放，可能对动物本身没有益处，为了抑制它，还特地研发排气系统，配备风扇，当应用气体传感器检测到气体数据异常时，风扇会开启。如果系统处于自动模式，它便不需要人工去特意管控，不过特殊情况下也能使用WIFI将控制信号从GUI传输到处理单元来手动打开/关闭它。进料调控系统由饲料出料记录与进料存储构成。存储器包含借助步进电机开启的阀，同时配备用于检测饲料值的超声波传感器。随着进料量的减少，阀可打开，以便进料。

该管理系统可高效提高沼气池的应用效率，减少沼气池废弃的概率，广大农友可以用的踏实放心，有效落地国家能源政策，让农友从中获益。该套系统提供“自助维护教程”、“一键维护”等重要功能，以视频加图文的方式讲解说明，便于文化程度不高的农友快速上手，并普及相关的沼气使用常识，可帮助农友解决小的问题，实现了整体的闭环监控。

2.2 智能沼气池解决的问题

该智能沼气池系统可提供迅捷的宣传和培训方式和渠道。借助网络融合技术，让各层管理部门可以通过电脑、手机等多类终端模式，第一时间宣传各种新的沼气管理和服务信息，最重要的是能直接沟通于用户，完全颠覆了过往逐级开会传达、喇叭喊的形式，在新技术传达培训方向上，效率速度得以提升，达到了较好的效果。

该智能沼气池系统为规范、高效的分层管理给予了有力支持。伴随沼气建设规模逐渐扩增，曾经的沼气管理形式和方法早已远不及需求。该系统最先支持了各种沼气基本要素（如沼气用户、服务点、配置资源、收费形式等）的基层库建设，也提供管理机构实现需求的数据记录和报表形式，规范了分层管理部门的权限。这点可将沼气信息化管理构建变为实际，极大程度增强沼气的管理效果与效能。

3 结束语

沼气池最终方案的选择会在很大程度上影响沼气的处理、存储和沼气转化系统经济性的设计和设备需求。通过沼气池模式转变，借助现有的物联网技术，将引起未来的沼气厂作为集中监控管理去安装和运行。设计、开发用于集中线上管控的基于物联网的湿智能沼气池，以作为未来沼气厂的经典模型。通过本文的智能沼气池的方案设计，可以尽量避免不必要的损失与消耗，通过智能化的处理，解决了沼气处理问题信息闭塞的难题，可以借助现有的新技术改变传统的模式，极大地便利了农民。同时，在社会与国家层面上，为社会主义新农村建设扩宽了新的渠道，为农村沼气池建设与推广提供了新的可能，促进了经济结构的转变，有很积极的社会意义。