太陽(yáng)能光合生物連續(xù)產(chǎn)氫自控系統(tǒng)與裝置研究.pdf

1、能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前在面臨能源緊張和環(huán)境污染兩大危機(jī)下，開(kāi)發(fā)綠色清潔型能源，建立新的可再生能源開(kāi)發(fā)利用體系，為人類創(chuàng)造一個(gè)良好的生存環(huán)境是社會(huì)進(jìn)步的必然選擇。氫能作為一種環(huán)境友好型的清潔能源，受到世界各個(gè)國(guó)家的高度關(guān)注。而生物制氫既可以利用有機(jī)廢棄物作為原料減少環(huán)境污染，又能獲取潔凈的氫能，已成為制取氫氣的重要途徑之一。尤其是高效利用太陽(yáng)能的光合生物制氫技術(shù)能實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的清潔化能量高效轉(zhuǎn)換，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2、但太陽(yáng)能光合生物制氫對(duì)溫度、酸堿度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因素要求較高，研究設(shè)計(jì)環(huán)境因素可控的自控系統(tǒng)與裝置實(shí)現(xiàn)光合產(chǎn)氫過(guò)程的穩(wěn)定、連續(xù)、高效進(jìn)行，對(duì)于光合生物制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；哂兄匾囊饬x。
　　本文結(jié)合光合生物制氫工藝過(guò)程的影響因素分析，將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用到太陽(yáng)能光合生物連續(xù)制氫系統(tǒng)中，依據(jù)工藝技術(shù)流程要求建立反應(yīng)裝置的可控參數(shù)體系，實(shí)現(xiàn)光合生物產(chǎn)氫過(guò)程的自動(dòng)連續(xù)化檢測(cè)與調(diào)控，保證光合微生物在最佳的生長(zhǎng)環(huán)境條件下穩(wěn)定高效產(chǎn)氫，

3、為太陽(yáng)能光合生物連續(xù)制氫技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　主要研究結(jié)果:
　　1.針對(duì)光合生物制氫的環(huán)境因素分析及產(chǎn)氫反應(yīng)器的特點(diǎn)，結(jié)合過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)，建立一個(gè)自動(dòng)化的太陽(yáng)能光合生物連續(xù)產(chǎn)氫試驗(yàn)平臺(tái)，為深入研究其運(yùn)行規(guī)律提供設(shè)備條件。系統(tǒng)采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)，成本低，可實(shí)時(shí)顯示，方便在線實(shí)時(shí)測(cè)試。一方面可以通過(guò)單片機(jī)鍵盤或者軟件設(shè)定變量的預(yù)想值，經(jīng)控制器判斷進(jìn)行調(diào)控，滿足不同的測(cè)試條件，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性;另

4、一方面能夠?qū)蝹€(gè)控制參數(shù)提前進(jìn)行在線調(diào)試，確定其可行性，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重復(fù)性和復(fù)雜性。控制設(shè)備具有人工和自動(dòng)兩種工作模式，而且具備自動(dòng)操縱、自動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)保護(hù)功能，保障產(chǎn)氫過(guò)程的可靠性和連續(xù)性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)及冗余優(yōu)化處理，不僅保證每個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，一個(gè)系統(tǒng)癱瘓不會(huì)影響其它系統(tǒng)的運(yùn)行，而且預(yù)留接口方便進(jìn)行功能擴(kuò)充和數(shù)據(jù)移植。
　　2.運(yùn)用太陽(yáng)能熱交換溫度補(bǔ)償?shù)姆绞?，制定基于?shù)學(xué)模型的在線自適應(yīng)控制算法，采用PT1

5、00鉑電阻三線制橋接方法檢測(cè)反應(yīng)器的溫度參數(shù)，由單片機(jī)PID控制方式實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)溫度自動(dòng)化的調(diào)控。溫度補(bǔ)償采用的是太陽(yáng)能熱水直接加熱和光伏電輔助加熱相結(jié)合的模式，不需外部能源，連續(xù)運(yùn)行成本較低。
　　3.PH控制系統(tǒng)中合理設(shè)計(jì)了自攪拌功能的堿液分配器，建立了自控模型，利用雙回路PID模糊控制規(guī)則對(duì)PH調(diào)控的非線性進(jìn)行了優(yōu)化，使PH值保持在適宜范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)的流量控制系統(tǒng)可在并聯(lián)“短路徑”模式下使流量保持在0.072m3/h，在串聯(lián)

6、“長(zhǎng)路徑”模式下使流量保持在0.144m3/h左右，兩種模式均能滿足最佳滯留時(shí)間的運(yùn)行要求。
　　4.針對(duì)室外聚光器內(nèi)冷卻光導(dǎo)纖維的直角導(dǎo)管設(shè)計(jì)了液位開(kāi)關(guān)，當(dāng)水分自然蒸發(fā)后，自動(dòng)進(jìn)行換水，既減少了溫度過(guò)熱對(duì)光纖的燒灼，又避免了導(dǎo)管的混蝕影響透光性。同時(shí)針對(duì)反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后供光管表面出現(xiàn)的附著物遮光現(xiàn)象，設(shè)置光敏電阻起到自動(dòng)預(yù)警作用，提示需要人工拆卸清洗。
　　5.通過(guò)太陽(yáng)能光合生物連續(xù)產(chǎn)氫自控裝置的運(yùn)行試驗(yàn)表明:各個(gè)系統(tǒng)功

7、能齊備，調(diào)控良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)和穩(wěn)定運(yùn)行要求。從產(chǎn)氫情況分析，溫度因素的提升率最大，達(dá)到了10-15％;PH因素的提升率次之，在8-10％之間;而流量因素的提升率較小，只有3-5％。這說(shuō)明在太陽(yáng)能光合連續(xù)產(chǎn)氫過(guò)程中，保持適宜的溫度是提高產(chǎn)氫量的重要條件。而流量不是主要的考慮因素，只要能保持最佳的水力滯留時(shí)間即可。太陽(yáng)能光合生物連續(xù)產(chǎn)氫自控裝置在經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控的30±2℃溫度、7±1PH、36h水力滯留時(shí)間的環(huán)境下，連續(xù)運(yùn)行40天，工作狀態(tài)