專利名稱：利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種能源技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說是關(guān)于太陽能植物轉(zhuǎn)化和利用 植物生產(chǎn)甲烷燃料和電的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的太陽能利用方法，如光伏電池，太陽能集熱器等，其主要設(shè)施均是 按照收集太陽輻射最大能量來設(shè)計制造的，設(shè)備復(fù)雜，而利用率很低，使太陽 能的利用成本很大。植物能夠?qū)⑻柲芡ㄟ^光合作用轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)，不需要復(fù) 雜裝置，是自古以來人們就使用的能源。生物質(zhì)能雖然成本低，但資源分散， 品質(zhì)低，隨著化石燃料的出現(xiàn)和工業(yè)化的發(fā)展，在發(fā)達(dá)地區(qū)，逐漸停止了使 用。近年來，由于石油危機(jī)和溫室效應(yīng)的預(yù)測，人們重新重視生物質(zhì)資源的開 發(fā)和轉(zhuǎn)化利用。
太陽能轉(zhuǎn)化利用率與生物質(zhì)的產(chǎn)量成正比。因此，提高植物產(chǎn)量是提高太 陽能利用率的關(guān)鍵因素之一。通常植物生長需要消耗大量營養(yǎng)鹽。現(xiàn)有的太陽 能植物轉(zhuǎn)化和利用系統(tǒng)中，為了使種植的植物獲得高產(chǎn)量，需要供應(yīng)大量肥 料，以滿足植物對營養(yǎng)鹽的需要。生產(chǎn)這些肥料需要復(fù)雜的設(shè)施，并消耗很多 能量。在植物轉(zhuǎn)化利用過程中，產(chǎn)生了大量廢棄物，需要復(fù)雜的設(shè)施，處理過 程中還消耗大量能量，使太陽能植物轉(zhuǎn)換和植物利用系統(tǒng)非常復(fù)雜。此外，植 物的收集和運(yùn)輸，也需要復(fù)雜的裝置和設(shè)備，如收割機(jī)、汽車等，在使用過程 中消耗很多能量。因此，目前的植物能源利用，主要使用生物質(zhì)廢料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有方案的缺點(diǎn)，提出一種通過植物光合作用利用太陽能生產(chǎn) 生物質(zhì)，然后通過厭氧消化轉(zhuǎn)化為沼氣分離生產(chǎn)甲垸或燃燒發(fā)電的方法，這種方法將植物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的廢液和廢渣用作植物生長的肥料提高太陽能利用 率，簡化太陽能轉(zhuǎn)化和植物轉(zhuǎn)化利用過程。 本發(fā)明技術(shù)方案如下
利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于在封閉的太陽能溫室內(nèi)，種 植快速生長的植物，收割植物，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生含有甲垸和二氧化碳的沼 氣，將沼氣燃燒發(fā)電，同時產(chǎn)生二氧化碳；或分離沼氣生產(chǎn)甲烷和二氧化碳； 植物厭氧消化殘渣和消化液作為溫室內(nèi)植物生長肥料。
利用太陽能生產(chǎn)甲垸和電的方法，其特征在于在水池中養(yǎng)殖水生植物， 收集植物，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生含有甲烷和二氧化碳的沼氣，將沼氣燃燒發(fā) 電，同時產(chǎn)生二氧化碳；或分離沼氣生產(chǎn)甲垸和二氧化碳；植物厭氧消化殘渣 和消化液進(jìn)入水池用作植物生長肥料。
所產(chǎn)生的二氧化碳通入溫室，用于促進(jìn)植物生長。
所產(chǎn)生的二氧化碳通入水池，用于促進(jìn)植物生長。
所述太陽能溫室內(nèi)設(shè)有水池，快速生長的植物是生長在水池中的水生植物。
所述的水生植物為水葫蘆，水花生，水浮蓮。
向所述水池內(nèi)通入污水，利用水池內(nèi)水生植物系統(tǒng)凈化污水。
所述水池成環(huán)形溝道，溝道內(nèi)設(shè)推流器，水生植物收集裝置，開動推流
器，推動溝內(nèi)水流流動，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表面的水生植物移
動到收集裝置上，由收集裝置收集。
所述收集裝置由輸送機(jī)，破碎機(jī)和泵組成，水生植物由輸送機(jī)輸送到破碎
機(jī)，破碎機(jī)將收集的水生植物破碎后，由泵通過管道輸送，進(jìn)行厭氧消化處理。
在太陽能溫室內(nèi)，通過植物，如紫花苜蓿等進(jìn)行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)換 為生物質(zhì)，每天收集部分生物質(zhì)，通過厭氧消化生產(chǎn)沼氣，沼氣燃燒發(fā)電同時 產(chǎn)生二氧化碳或分離沼氣中二氧化碳生產(chǎn)甲烷，產(chǎn)生的沼渣和沼液作為溫室內(nèi) 植物生長的肥料，促進(jìn)植物生長，提高太陽能轉(zhuǎn)化率。本發(fā)明的第二種技術(shù)方案是在水池中，養(yǎng)殖生長速度很快的水生植物，如 水葫蘆，用作厭氧消化的原料，每天收集部分水葫蘆，同時保留水池中水葫蘆 一定數(shù)量，以利于保持水葫蘆每天的增長量。收集的水葫蘆通過厭氧消化生產(chǎn) 沼氣，沼氣燃燒發(fā)電同時產(chǎn)生二氧化碳或分離沼氣中二氧化碳生產(chǎn)甲烷，產(chǎn)生 的沼渣和沼液作為溫室內(nèi)植物生長的肥料，促進(jìn)植物生長，提高太陽能轉(zhuǎn)化 率。
在上述兩種方案中，還可將厭氧消化產(chǎn)生的二氧化碳，以及甲烷燃燒發(fā)電 產(chǎn)生的二氧化碳，通入溫室或水池內(nèi)回用，以促進(jìn)植物生長和太陽能轉(zhuǎn)化。
選擇生長速度快，產(chǎn)量高的植物，單位面積土地能夠轉(zhuǎn)化較多的太陽能， 生產(chǎn)較多的電能和甲烷，是較好的方案。選擇的植物應(yīng)在不同季節(jié)生長均勻， 能夠比較均勻地提供生物質(zhì)，作為厭氧消化原料，從而避免儲存生物質(zhì)帶來的 生物質(zhì)損失和能量消耗。應(yīng)選擇多年生植物，不需要每年播種，減少了種子收 集和播種等工序。應(yīng)選擇含木質(zhì)素少，可消化組分多的植物，有利于生物質(zhì)厭 氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷燃料，是本方案中較好的植物。滿足這些要求，比較好的植 物包括紫花苜蓿，高羊毛，水葫蘆，水花生，水浮蓮等，其中最好的植物是水 生植物風(fēng)眼蓮。
在以上所述方案的太陽能溫室內(nèi)設(shè)置水池，所述植物是水生植物，如水葫 戸，水浮蓮等。水生植物生長速度快。其中水葫蘆是已知生長最快的多年生植 物之一。采用生長快速的水生植物，如水葫蘆可提高太陽能轉(zhuǎn)化率。
在以上方案中，向所述太陽能溫室或水池內(nèi)輸入污水，利用污水中氮磷鉀 等營養(yǎng)鹽作為植物植物生長肥料，污水中的有機(jī)物被溫室內(nèi)微生物氧化為二氧 化碳，提供了植物生長所需。污水同時得到凈化。
在以上方案中，將水池設(shè)計成環(huán)形溝道，溝道內(nèi)設(shè)推流器，水生植物收集 裝置，開動推流器，推動溝內(nèi)水流流動，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表 面的水生植物在溝內(nèi)移動，收集裝置在溝內(nèi)固定位置收集不斷移動的生物質(zhì)。
在以上方案中，所述收集裝置由輸送機(jī)，破碎機(jī)和泵組成，水生植物有輸 送機(jī)輸送到破碎機(jī)，破碎機(jī)將收集的水生植物破碎后，由于水生植物含水率高 達(dá)95%左右，可由泵通過管道輸送到厭氧消化池進(jìn)行厭氧消化。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明厭氧消化產(chǎn)生的沼渣和沼液作為植物生長的肥料；厭氧消化產(chǎn)生的 二氧化碳，返回到溫室內(nèi)，促進(jìn)植物光合作用，提高了植物產(chǎn)量。本方案實(shí)現(xiàn) 了封閉的物質(zhì)循環(huán)，不對外界排放任何污染物，其中植物轉(zhuǎn)化將部分二氧化碳 固定為木質(zhì)素，不能被厭氧消化轉(zhuǎn)化，該過程減少了溫室氣體排放。向溫室內(nèi) 補(bǔ)充二氧化碳，可以提高植物生長速度，和太陽能轉(zhuǎn)化效率。植物厭氧消化殘 渣和消化液很好地保留了氮磷鉀等養(yǎng)分，這些養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，幾乎沒有 損失，因而節(jié)約了植物生長需要的肥料。系統(tǒng)不需要輸入任何其他物質(zhì)，如肥 料等，簡化了太陽能轉(zhuǎn)化利用過程。該方法同時能夠處理污水，分解吸收污水 中有機(jī)物和營養(yǎng)鹽，從而不需要修建復(fù)雜的污水處理裝置。
本發(fā)明采用水生植物如風(fēng)眼蓮， 一方面水生植物，生長快，產(chǎn)量高，在溫
室條件下，多年生植物風(fēng)眼蓮能夠1年365天連續(xù)生長和利用，同時，提高溫室 內(nèi)二氧化碳濃度，風(fēng)眼蓮年產(chǎn)量達(dá)到干重200噸以上/ha (年太陽輻射5000MJ/m2 地區(qū))。太陽能轉(zhuǎn)化率超過7%。水葫蘆是原產(chǎn)熱帶的多年生草本植物，木質(zhì)素 含量低于5%，可消化能量成分高達(dá)90%以上，采用厭氧消化技術(shù)，轉(zhuǎn)化率可 達(dá)80%以上，轉(zhuǎn)化溫度僅為35。C左右，能量損失小，產(chǎn)品甲垸分離純化能耗 低，還可不分離直接輸入到燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合高效發(fā)電(發(fā)電能量轉(zhuǎn)化 率可達(dá)46%)。每畝年產(chǎn)甲烷達(dá)到6000方(75%消化轉(zhuǎn)化率)，發(fā)電24000kwh。
由于采用封閉循環(huán)，肥料不會流失，避免了通常植物種植帶來的水土流失 導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化問題。
將水池設(shè)計成環(huán)形溝道，溝道內(nèi)設(shè)推流器，水生植物收集裝置，開動推流 器，推動溝內(nèi)水流流動，流速控制在0.001-0.lm/s，使漂浮在表面的水生植物移 動到收集裝置上，由收集裝置收集。收集時僅僅收集其中部分的水生植物，其 余的部分仍然放養(yǎng)，以便生長。理想狀態(tài)是處于一邊收集一邊保持池中一定的 水生植物養(yǎng)殖規(guī)?！，F(xiàn)有水生植物的收集方法，需要移動收集設(shè)備，去收集植 物，本發(fā)明方法簡化了收集設(shè)備的復(fù)雜性，保持收集裝置不動，通過水生植物 流動來進(jìn)行收集，減小了收集能耗和費(fèi)用。
6收集裝置由輸送機(jī)，破碎機(jī)和泵組成，破碎機(jī)將收集的水生植物破碎后， 由于水生植物含水率高達(dá)95%左右，可由泵通過管道輸送到遠(yuǎn)處。不需要使用 輪船汽車等運(yùn)輸設(shè)備，降低了運(yùn)輸費(fèi)用。
溫室可以在寒冷季節(jié)為多年生植物提供生長環(huán)境，保證了寒冷季節(jié)厭氧消 化使用的植物原料的供應(yīng)。同時，使系統(tǒng)常年保證了植物量，無需生產(chǎn)種子， 以及相關(guān)的種子收集和播種等操作。在熱帶地區(qū)，植物如果能夠常年生長，可 以省略溫室。
還可在溫室中央建高煙囪，導(dǎo)入溫室內(nèi)被加熱的空氣，在煙囪內(nèi)部安裝風(fēng) 力發(fā)電機(jī)可以發(fā)電。


附圖l是根據(jù)本發(fā)明的太陽能植物利用生產(chǎn)甲烷流程示意圖。 附圖2是根據(jù)本發(fā)明的太陽能植物利用生產(chǎn)電能流程示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
在面積為300畝溫室內(nèi)種植高羊茅，每天收集高羊茅莖葉折合千草0.5-1.5 噸，在150mS厭氧消化反應(yīng)器2內(nèi)發(fā)酵生成沼氣300—900m3，沼渣和沼液人工撒 入溫室l，用于做高羊茅生長的肥料，在分離器3中將沼氣中甲烷和二氧化碳分 離，二氧化碳通入溫室，提高溫室二氧化碳濃度，促進(jìn)植物光合作用和產(chǎn)量， 甲烷經(jīng)脫硫干燥后成為產(chǎn)品輸出，每天產(chǎn)甲烷180—540mS左右。
實(shí)施例2
在面積為1500畝土地上種植紫花苜蓿，每天收集紫花苜蓿莖葉折合干草2.5-7.5噸，在700mS厭氧消化反應(yīng)器2內(nèi)發(fā)酵生成沼氣1500—4000m3,沼渣和沼液用 于做植物生長的肥料，沼氣直接與溫室內(nèi)空氣在燃?xì)廨啓C(jī)4內(nèi)燃燒發(fā)電約3000— 8000kwh。
實(shí)施例3
在面積約為150畝溫室內(nèi)，設(shè)置lm水深水池內(nèi)種植風(fēng)眼蓮，水池是由三個 直徑分別為350米、120米和10米圓形墻之間構(gòu)成的二個封閉環(huán)形溝道，溝道內(nèi)局部區(qū)域深度為3米，設(shè)有直徑1.8米低速推流器，推動水體流動，流動速度為 0.01-0.05m/s。流量為10000噸/天的污水經(jīng)格柵除去較大固體，經(jīng)沉砂池除去比 重較大的固體，流入由10米圓形墻構(gòu)成的沉淀池，沉淀的污泥和格柵除去的固 體送入?yún)捬跸磻?yīng)器，出水進(jìn)入環(huán)形水池。環(huán)形水池溝道上設(shè)有風(fēng)眼蓮收集 設(shè)備，收集設(shè)備有皮帶輸送機(jī)，破碎裝置和泵組成，每天收集風(fēng)眼蓮莖葉折合 干重3-6噸，夏季較多，冬季較少，保持池內(nèi)水葫蘆覆蓋度50_80%，收集的水 葫蘆直接破碎后，由泵輸送到厭氧反應(yīng)器，在500r^厭氧消化反應(yīng)器2內(nèi)發(fā)酵生 成沼氣1600—3000m3，沼渣和沼液回流入水池，用于做風(fēng)眼蓮生長的肥料，沼 氣直接與溫室內(nèi)空氣在燃?xì)廨啓C(jī)4內(nèi)燃燒發(fā)電約3000—6000kwh，產(chǎn)生的廢氣通 過水洗降溫進(jìn)入水池，提高水池上方二氧化碳濃度，促進(jìn)植物光合作用和產(chǎn)
權(quán)利要求
1、利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于在封閉的太陽能溫室內(nèi)，種植快速生長的植物，收割植物，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生含有甲烷和二氧化碳的沼氣，將沼氣燃燒發(fā)電，同時產(chǎn)生二氧化碳；或分離沼氣生產(chǎn)甲烷和二氧化碳；植物厭氧消化殘渣和消化液作為溫室內(nèi)植物生長肥料。
2、 利用太陽能生產(chǎn)甲垸和電的方法，其特征在于在水池中養(yǎng)殖水生植物，收 集植物，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生含有甲烷和二氧化碳的沼氣，將沼氣燃燒發(fā)電， 同時產(chǎn)生二氧化碳；或分離沼氣生產(chǎn)甲垸和二氧化碳；植物厭氧消化殘渣和消 化液進(jìn)入水池用作植物生長肥料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求書l所述利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于所 產(chǎn)生的二氧化碳通入溫室，用于促進(jìn)植物生長。
4、 根據(jù)權(quán)利要求書2所述利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于所 產(chǎn)生的二氧化碳通入水池，用于促進(jìn)植物生長。
5、 根據(jù)權(quán)利要求書l所述利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于所述 太陽能溫室內(nèi)設(shè)有水池，快速生長的植物是生長在水池中的水生植物。
6、 根據(jù)權(quán)利要求書2和5所述利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于 所述的水生植物為水葫戸，水花生，水浮蓮。
7、 根據(jù)權(quán)利要求書2和5所述利用太陽能生產(chǎn)甲垸和電的方法，其特征在于 向所述水池內(nèi)通入污水，利用水池內(nèi)水生植物系統(tǒng)凈化污水。
8、 根據(jù)權(quán)利要求書2和5所述利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于所述水池成環(huán)形溝道，溝道內(nèi)設(shè)推流器，水生植物收集裝置，開動推流器，推動溝內(nèi)水流流動，流速控制在0.001-0.1m/s，使漂浮在表面的水生植物移動到收 集裝置上，由收集裝置收集。
9、 根據(jù)權(quán)利要求書8所述利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，其特征在于所述收集裝置由輸送機(jī)，破碎機(jī)和泵組成，水生植物由輸送機(jī)輸送到破碎機(jī)，破碎 機(jī)將收集的水生植物破碎后，由泵通過管道輸送，進(jìn)行厭氧消化處理。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用太陽能生產(chǎn)甲烷和電的方法，是在封閉的太陽能溫室內(nèi)，種植快速生長的植物，收割植物，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生含有甲烷和二氧化碳的沼氣，將沼氣燃燒發(fā)電，同時產(chǎn)生二氧化碳；或分離沼氣生產(chǎn)甲烷和二氧化碳；產(chǎn)生的二氧化碳通入溫室，甲烷輸出，植物厭氧消化殘渣和消化液作為溫室內(nèi)植物生長肥料。本發(fā)明自成循環(huán)系統(tǒng)，幾乎沒有能量損失，因而節(jié)約了植物生長需要的肥料。系統(tǒng)不需要輸入任何其他物質(zhì)，如肥料等，簡化了太陽能轉(zhuǎn)化利用過程。每畝太陽能溫室年產(chǎn)甲烷達(dá)到6000方(75％消化轉(zhuǎn)化率)，發(fā)電24000kwh。
文檔編號C10L3/00GK101314780SQ20071002275
公開日2008年12月3日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者夏維東, 黃衛(wèi)東 申請人:黃衛(wèi)東;夏維東