本發(fā)明涉及沼氣裝置領(lǐng)域，特指一種提高太陽能利用的相變蓄熱沼氣裝置。

背景技術(shù)：

沼氣是有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下，通過微生物發(fā)酵作用，產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w。沼氣可以作為生活燃料，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，沼氣技術(shù)的利用也在不斷的普及和發(fā)展，越來越多的人開始使用沼氣池或者沼氣罐。將糞便等物料放入沼氣池或者沼氣罐內(nèi)，進行發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣，通過管道運輸供人們使用，但是沼氣池或者沼氣罐易受外界溫度影響，特別是在冬季，溫度低其內(nèi)部發(fā)酵不充分，尤其是在北方，沼氣池或者沼氣罐的表面經(jīng)常都會結(jié)冰，沼氣的產(chǎn)量大大減少，將影響人們的使用。

因此，本發(fā)明人對此做進一步研究，研發(fā)出一種提高太陽能利用的相變蓄熱沼氣裝置，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種提高太陽能利用的相變蓄熱沼氣裝置，不但可以為沼氣池內(nèi)的微生物發(fā)酵提供適合的溫度環(huán)境，提高產(chǎn)氣連續(xù)性，增大產(chǎn)氣量，而且工藝簡單，易操作。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種提高太陽能利用的相變蓄熱沼氣裝置，包括沼氣池、相變材料、染料、增透膜和保溫被；在沼氣池外壁覆蓋相變材料，染料混合在相變材料中，在相變材料的外側(cè)均勻包裹增透膜，當(dāng)相變材料吸收熱量完畢后需要放出熱量時，在增透膜的外側(cè)覆蓋保溫被。

進一步，染料為偶氮染料。

進一步，染料為黑色。

進一步，相變材料為十二水合磷酸氫二鈉、六水合硝酸鋅或者六水合氯化鈣中一種或多種混合。

進一步，保溫被包括毛氈層、防火布層、鋁箔層和聚乙烯泡沫層；在毛氈層的上下兩面分別粘合了防火布層，在毛氈層和防火布層之間粘合了聚乙烯泡沫層，鋁箔層粘合在防火布層的外側(cè)。

進一步，染料為兩種或者兩種以上不同顏色染料混合。

進一步，染料與相變材料的重量配比為：染料2-8%，相變材料92-98%。

采用上述方案后，由于本發(fā)明相變材料可以充分吸收包括紫外光在內(nèi)所有波長的太陽光，同時，向相變材料中加入染料來增強相變材料的吸光性能。增透膜可以透射包括紫外光在內(nèi)所有波長的太陽光。保溫被提供優(yōu)良隔熱，具有很好的保溫效果。使得本發(fā)明具有以下效果：

一、相變材料充分吸收太陽光，加入染料能夠充分地利用太陽能，大大提高了相變材料的吸光效率，另外具有全譜吸收能力的染料具有一定的粘稠度，能夠在一定程度上緩解相分離的情況從而提高結(jié)晶效果，繼而來增強相變材料的吸光性能；

二、通過保溫被的優(yōu)良隔熱、保溫效果防止夜晚相變材料對沼氣池外部放熱，確保沼氣池內(nèi)溫度變化緩慢，始終提供適合微生物發(fā)酵的溫度環(huán)境，提高產(chǎn)氣連續(xù)性，增大產(chǎn)氣量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明保溫被的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明驗證相變材料保溫效果裝置圖；

圖4是本發(fā)明驗證加入與不加入染料的相變材料分組在太陽光照射后對比；

圖5是本發(fā)明驗證相變材料和染料的紫外可見吸收光譜圖；

圖6是本發(fā)明驗證添加染料的十二水合磷酸氫二鈉在日曬后的步冷曲線；

圖7是本發(fā)明驗證加入染料的十二水合磷酸氫二鈉測量后的結(jié)晶狀況；

圖8是本發(fā)明驗證添加染料的六水合硝酸鋅在日曬后的步冷曲線；

圖9是本發(fā)明驗證加入染料的六水合硝酸鋅測量后的結(jié)晶狀況；

圖10是本發(fā)明驗證添加染料的六水合氯化鈣與5%水在日曬后的步冷曲線；

圖11是本發(fā)明驗證加入染料的六水合氯化鈣與5%水測量后的結(jié)晶狀況；

圖12是本發(fā)明驗證內(nèi)部水的溫度變化曲線圖；

圖13是本發(fā)明驗證相變材料結(jié)晶程度圖。

沼氣池1 相變材料2 增透膜3 保溫被4

毛氈層41 防火布層42 鋁箔層43 聚乙烯泡沫層44

溫度計51 冰水混合物52 水53。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述。如圖1所示，為本發(fā)明的較佳實施例，一種提高太陽能利用的相變蓄熱沼氣裝置，包括沼氣池1、相變材料2、染料（圖中未畫出）、增透膜3和保溫被4；在沼氣池1外壁覆蓋相變材料2，在相變材料2的外側(cè)均勻包裹增透膜3，在增透膜3的外側(cè)覆蓋保溫被4，具有全譜吸收能力的染料混合在相變材料2中。當(dāng)白天或者溫度高，相變材料2吸收熱量（太陽光）時，保溫被4不用覆蓋在增投膜3的外側(cè)，當(dāng)夜間或者溫度低，相變材料2放出熱量時，在增透膜3的外側(cè)覆蓋保溫被4。

由于在實際應(yīng)用中需要相變材料2吸收太陽光并且將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能儲存，而單純的相變材料2在吸收光能的能力較差，效率較低，因此考慮向相變材料2中加入染料來增強相變材料2的吸光性能。

進一步，染料采用的是含有偶氮基 （-N=N-）的偶氮染料。這類偶氮染料具有合成工藝簡單、成本低廉、染色性能突出等優(yōu)點，是具有龐大數(shù)量和種類的工業(yè)染料。需要注意的是這些染料符合GB19601-2004標(biāo)準(zhǔn)，各種有害物質(zhì)的含量都低于限值，檢測結(jié)果合格，也就是說不存在毒性、腐蝕性等問題。

進一步，染料為黑色。選用黑色的染料是考慮到黑色的吸光效果較好，能夠吸收全波段的光。

進一步，染料也可以為兩種或者兩種以上不同顏色染料的混合染料。因為不同顏色的光其波長是不同的，所以其顏色改變了，吸收光的波長也隨之改變了。因此，當(dāng)多種不同顏色染料混合后，其吸收光的波段就更加廣泛，吸收效率高。

進一步，染料與相變材料的重量配比為：染料2-8%，相變材料92-98%。此配比范圍染料的加入不影響相變材料的成核結(jié)晶。

本實施例中，相變材料2具體為十二水合磷酸氫二鈉、六水合硝酸鋅或者六水合氯化鈣中一種或多種混合。

如圖2所示，保溫被4包括毛氈層41、防火布層42、鋁箔層43和聚乙烯泡沫層44；在毛氈層41的上下兩面分別粘合了防火布層42，在毛氈層41和防火布層42之間粘合了聚乙烯泡沫層44，鋁箔層43粘合在防火布層42的外側(cè)。這種保溫被優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的防水防火保溫性、抗拉性、可機械化傳動操作、省工省力、使用周期長。

需要考慮到添加了染料之后是否會影響相變材料的成核結(jié)晶以及相變放熱效果。因此將實驗中測量的十二水合磷酸氫二鈉、六水合硝酸鋅以及六水合氯化鈣三種相變材料分別稱量10g放置于不同試管內(nèi)，并且分別向試管中添加0.2g選用的染料。將這三個裝有相變材料和染料混合試樣的試管放置于太陽光下曝曬4h，之后測量其溫度，15s記錄一次溫度并且繪制步冷曲線。

實施例一：相變材料為十二水合磷酸氫二鈉，如圖4所示，加入染料以及未加入染料的相變材料在經(jīng)過一天的太陽光照射后的對比，兩個試管內(nèi)均裝有十二水合磷酸氫二鈉，右側(cè)試管內(nèi)加入了染料（濃度為0.001g/mL）?？梢钥闯鲎髠?cè)試管內(nèi)的材料幾乎沒有熔化，即吸收的光能過少沒有足夠的熱量；而右側(cè)試管內(nèi)的材料幾乎完全熔化，可以看出加入染料能夠充分地利用太陽能，大大提高了材料的吸光效率，另外染料具有一定的粘稠度，能夠在一定程度上緩解相分離的情況從而提高結(jié)晶效果。

另外使用紫外可見分光光度計分別測定相變材料、染料、染料和相變材料的紫外可見吸收光譜。如圖5為這三種材料的吸收光譜圖，其中最底下的曲線為十二水合磷酸氫二鈉，其在各個波長范圍內(nèi)的吸光度較低，可見吸光效率較差；中間的曲線為本次實驗中使用的染料濃度為0.001g/mL，其吸光度較大；最上面的曲線則是加入濃度為0.001g/mL的染料的十二水合磷酸氫二鈉，其吸光度比單純的染料還略大，可見加入染料之后的相變材料性能有了很大的提升。可以認(rèn)為是相變材料具有的儲熱性能與染料的吸光性能結(jié)合起來使其吸光度相比于純?nèi)玖嫌兴嵘?/p>

添加染料后的十二水合磷酸氫二鈉在日曬4h后充分吸收光能（材料在接受日曬時氣溫大約在29~30℃左右），因此在測量時的初始溫度為32.6℃。根據(jù)圖6的步冷曲線可以看出，在隨后的冷卻過程中，材料的溫度持續(xù)下降至22.3℃才開始出現(xiàn)相變放熱升溫的過程。材料相變結(jié)晶后溫度從22.3℃上升至27℃左右，結(jié)晶情況如圖7所示，在肉眼可以觀察的范圍內(nèi)充分結(jié)晶。

相變材料在升溫放熱過程后溫度在27℃左右，與理論相變溫度之間有不小的差值。可能是由于過冷度太大（過冷度在10℃以上接近15℃），導(dǎo)致相變材料釋放出來的潛熱的一部分用來加熱由于過冷導(dǎo)致溫度過低的相變材料。也就是說染料對于減小十二水合磷酸氫二鈉的過冷度沒有什么幫助；不過相變材料的結(jié)晶狀況不錯，基本上成核結(jié)晶，說明染料確實緩解了相分離的情況，不僅不會阻礙相變材料發(fā)生相變，反而是幫助相變材料更好地結(jié)晶。

實施例二：相變材料為六水合硝酸鋅

加入染料的六水合硝酸鋅在經(jīng)過4h的日曬之后，由于是第二組測量，在測量時相變材料的初始溫度為29.4℃可能會稍微低了一些。從圖8上的步冷曲線可以看出，相變材料在冷卻過程中溫度降低到26.8℃時才出現(xiàn)了升溫過程，溫度從26.8℃上升至30.7℃。六水合硝酸鋅的理論相變溫度按照36.4℃計算，吸光加入染料后整體材料的過冷度為9.6℃，通過與之前的測量的六水合硝酸鋅的步冷曲線圖對比，可以認(rèn)為加入5%的染料能夠略微減小六水合硝酸鋅的過冷度，大約減小3-4℃的過冷度。另外加入染料后的相變溫度符合實際應(yīng)用要求，接近微生物保持活性的反應(yīng)溫度，對生物反應(yīng)器中的微生物活性來說較為適宜。如圖9所示，相變材料在肉眼可以觀察的范圍內(nèi)充分結(jié)晶，也就是說染料的加入不會影響或阻礙六水合硝酸鋅的成核結(jié)晶。

實施例三：相變材料為六水合氯化鈣添加5%水與染料混合

和之前測量六水合氯化鈣和水合物混合的步冷曲線時類似，通過加入5%的水來改良六水合氯化鈣的相變溫度等性能。

加入染料的六水合氯化鈣在日曬4h后充分吸收光能。相變材料在測量時的初始溫度為32.2℃，相變材料完全熔化。從圖10上的步冷曲線可以看出，相變材料在冷卻過程中溫度降低到26.8℃時才出現(xiàn)了升溫過程，相變材料從26.8℃放熱升溫至30.1℃后溫度緩慢下降。圖11是加入染料后的六水合氯化鈣的結(jié)晶狀況，肉眼仔細(xì)觀察后，加入染料的六水合氯化鈣處于充分結(jié)晶的狀態(tài)?？梢哉J(rèn)為染料的加入不影響六水合氯化鈣的結(jié)晶。

由于相變材料2應(yīng)用在沼氣池1（即生物反應(yīng)器）外層保溫，需要了解其對于內(nèi)層材料和物質(zhì)的保溫效果。為此需要進行實驗檢測一下相變材料2的保溫效果如何，采用如圖3中的實驗裝置，在裝有相變材料2的燒杯中放入裝有水的試管，并且在最外層放置裝著冰水混合物的燒杯。通過測量內(nèi)部水的溫度變化然后繪制曲線圖并以此來確定相變材料的保溫效果。實驗過程與測量相變材料2的步冷曲線類似，只不過是把15s記錄一次溫度改為每10s一次記錄內(nèi)部水的溫度。

相變材料選用的是六水合硝酸鋅加上染料，比例為20g六水合硝酸鋅加上0.4g染料與之前的實驗一致。根據(jù)圖12中的曲線變化分析，在進行實驗之前將試管放置一段時間測量內(nèi)部水的溫度為26.5℃，外層的冰水溫度為6℃。之后將試管放入燒杯的瞬間記錄初始溫度為28.3℃。在相變材料被冷卻的同時，內(nèi)部水的溫度也在下降，隨后相變材料結(jié)晶相變時內(nèi)部水的溫度隨之上升至29.1℃，之后內(nèi)部水的溫度緩慢下降，到實驗結(jié)束時溫度仍保持在27.0℃左右，外層燒杯原本裝的冰水溫度變?yōu)?6.8℃。整個實驗測量了15分鐘后結(jié)束。從圖13可以看出相變材料充分結(jié)晶，也就是可以認(rèn)為相變材料充分放熱?？梢哉J(rèn)為相變材料對于內(nèi)層材料還是具有保溫效果的。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故但凡依本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書所做的變化或修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍之內(nèi)。