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太阳能光合生物连续产氢自控系统与装置研究

作　者: 杜金宇
导　师: 张全国
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 太阳能光合生物 连续产氢 自控系统 在线自适应控制
分类号: S216
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本论文是在国家自然科学基金项目“超微化秸秆类生物质光合连续产氢过程及代谢热研究”（项目编号：50976029）和国家“863”计划项目“生物制氢关键技术研究及示范”（项目编号：2012AA051502）的资助下完成的。能源是社会经济持续发展的重要物质基础。当前在面临能源紧张和环境污染两大危机下，开发绿色清洁型能源，建立新的可再生能源开发利用体系，为人类创造一个良好的生存环境是社会进步的必然选择。氢能作为一种环境友好型的清洁能源，受到世界各个国家的高度关注。而生物制氢既可以利用有机废弃物作为原料减少环境污染，又能获取洁净的氢能，已成为制取氢气的重要途径之一。尤其是高效利用太阳能的光合生物制氢技术能实现有机废弃物的清洁化能量高效转换，具有广阔的发展潜力。但太阳能光合生物制氢对温度、酸碱度、光照强度等环境因素要求较高，研究设计环境因素可控的自控系统与装置实现光合产氢过程的稳定、连续、高效进行，对于光合生物制氢技术的产业化、规模化具有重要的意义。本文结合光合生物制氢工艺过程的影响因素分析，将自动控制技术应用到太阳能光合生物连续制氢系统中，依据工艺技术流程要求建立反应装置的可控参数体系，实现光合生物产氢过程的自动连续化检测与调控，保证光合微生物在最佳的生长环境条件下稳定高效产氢，为太阳能光合生物连续制氢技术的研究与开发提供可靠的基础数据和实验平台。主要研究结果：1．针对光合生物制氢的环境因素分析及产氢反应器的特点，结合过程自动控制技术，建立一个自动化的太阳能光合生物连续产氢试验平台，为深入研究其运行规律提供设备条件。系统采用单片机开发技术，成本低，可实时显示，方便在线实时测试。一方面可以通过单片机键盘或者软件设定变量的预想值，经控制器判断进行调控，满足不同的测试条件，增强系统的实用性；另一方面能够对单个控制参数提前进行在线调试，确定其可行性，大大减少了系统设计的重复性和复杂性。控制设备具有人工和自动两种工作模式，而且具备自动操纵、自动调整和自动保护功能，保障产氢过程的可靠性和连续性。系统结构上采用模块化设计及冗余优化处理，不仅保证每个子系统相对独立，一个系统瘫痪不会影响其它系统的运行，而且预留接口方便进行功能扩充和数据移植。2．运用太阳能热交换温度补偿的方式，制定基于数学模型的在线自适应控制算法，采用PT100铂电阻三线制桥接方法检测反应器的温度参数，由单片机PID控制方式实现了整体系统温度自动化的调控。温度补偿采用的是太阳能热水直接加热和光伏电辅助加热相结合的模式，不需外部能源，连续运行成本较低。3．PH控制系统中合理设计了自搅拌功能的碱液分配器，建立了自控模型，利用双回路PID模糊控制规则对PH调控的非线性进行了优化，使PH值保持在适宜范围内。设计的流量控制系统可在并联“短路径”模式下使流量保持在0.072m3/h,在串联“长路径”模式下使流量保持在0.144m3/h左右，两种模式均能满足最佳滞留时间的运行要求。4．针对室外聚光器内冷却光导纤维的直角导管设计了液位开关，当水分自然蒸发后，自动进行换水，既减少了温度过热对光纤的烧灼，又避免了导管的混蚀影响透光性。同时针对反应器长时间运行后供光管表面出现的附着物遮光现象，设置光敏电阻起到自动预警作用，提示需要人工拆卸清洗。5．通过太阳能光合生物连续产氢自控装置的运行试验表明：各个系统功能齐备，调控良好，达到了设计目标和稳定运行要求。从产氢情况分析，温度因素的提升率最大，达到了10-15%；PH因素的提升率次之，在8-10%之间；而流量因素的提升率较小，只有3-5%。这说明在太阳能光合连续产氢过程中，保持适宜的温度是提高产氢量的重要条件。而流量不是主要的考虑因素，只要能保持最佳的水力滞留时间即可。太阳能光合生物连续产氢自控装置在经系统调控的30±2℃温度、7±1PH、36h水力滞留时间的环境下，连续运行40天，工作状态稳定，且对太阳能光合生物连续产氢量的提升率达到了20-30%，产氢效率的提升率达到20%，起到了明显的促进作用，为太阳能光合生物连续制氢技术的进一步研究与开发提供了科学参考。

全文目录


致谢  4-11
摘要  11-13
第1章 概述  13-45
  1.1 生物质与氢能  13-14
  1.2 制氢方法及现状  14-18
    1.2.1 化学法制氢  14-15
    1.2.2 生物法制氢  15-18
  1.3 太阳能光合细菌生物制氢技术  18-24
    1.3.1 光合细菌制氢的产氢机理  18-21
    1.3.2 光合细菌产氢原料  21-22
    1.3.3 光合细菌产氢影响因素  22-24
  1.4 生物制氢装置类型及其研究进展  24-40
    1.4.1 概述  24-25
    1.4.2 厌氧生物制氢反应装置发展现状  25-30
    1.4.3 光合生物制氢反应装置发展现状  30-40
  1.5 自控技术与生物制氢  40-41
    1.5.1 自控技术的工作原理  40-41
    1.5.2 自控技术在制氢领域的应用  41
  1.6 本课题的提出及研究内容  41-42
    1.6.1 研究太阳能光合连续产氢自控系统的工作原理及运行特性  42
    1.6.2 太阳能光合连续产氢自控装置的设计  42
    1.6.3 太阳能光合连续产氢自控装置的运行试验  42
    1.6.4 太阳能光合生物连续产氢自控系统对连续产氢的促进作用分析  42
  1.7 小结  42-45
第2章 太阳能光合生物连续产氢自控系统工作原理及其特性  45-49
  2.1 太阳能光合生物连续产氢自控系统组成及其工作原理  45-47
    2.1.1 太阳能光合生物连续产氢自控系统组成  45-46
    2.1.2 太阳能光合生物连续产氢自控系统工作原理  46-47
  2.2 太阳能光合生物连续产氢过程自动控制系统的特性  47-48
  2.3 小结  48-49
第3章 太阳能光合生物连续产氢自控系统设计研究  49-89
  3.1 设计要求及其指导思想  49-50
    3.1.1 设计要求  49-50
    3.1.2 指导思想  50
  3.2 温度控制系统的研究  50-59
    3.2.1 温度控制方法的选择  50
    3.2.2 温度控制系统数学模型  50-52
      3.2.2.1 数学模型的确立  50-51
      3.2.2.2 数学模型的参数确定  51-52
      3.2.2.3 单片机 PID 控制算法的实现原理与仿真  52
    3.2.3 温度检测和控制系统的工作原理及设计方案  52-54
      3.2.3.1 工作原理  52-53
      3.2.3.2 设计方案  53-54
    3.2.4 主要技术指标与控制要求  54
    3.2.5 温度控制系统的硬件设计  54-57
      3.2.5.1 铂电阻温度计的选择  54-55
      3.2.5.2 三线制接桥方法的选择  55-56
      3.2.5.3 温度传感器的标定  56-57
      3.2.5.4 信号放大器和驱动器的使用  57
    3.2.6 温度控制系统的程序设计  57-59
  3.3 PH 控制系统的研究  59-67
    3.3.1 PH 控制方法的选择  60
      3.3.1.1 双回路控制器的确定  60
      3.3.1.2 模糊控制策略的确定  60
    3.3.2 PH 控制系统数学建模  60-62
      3.3.2.1 数学模型的确立  60-61
      3.3.2.2 数学模型的参数确定  61
      3.3.2.3 双回路 PID 模糊控制器的实现原理与仿真  61-62
    3.3.3 PH 检测和控制系统的设计方案  62-64
    3.3.4 主要技术指标与控制要求  64
    3.3.5 PH 控制系统的硬件设计  64-66
      3.3.5.1 中和物料的设计  64
      3.3.5.2 碱液分配器的设计  64-65
      3.3.5.3 PH 传感器的标定  65-66
    3.3.6 PH 控制系统的程序设计  66-67
  3.4 流量控制系统的研究  67-74
    3.4.1 流量检测与控制方法的选择  67-68
    3.4.2 流量检测与控制系统的设计方案  68-71
      3.4.2.1 工作模式的选择与控制方法  70
      3.4.2.2 流量的检测与控制  70-71
      3.4.2.3 上料箱的控制  71
    3.4.3 主要技术指标与控制要求  71
    3.4.4 流量控制系统的硬件设计  71-72
      3.4.4.1 涡轮流量传感器的选择  71
      3.4.4.2 电容式液位计的选择  71-72
      3.4.4.3 液位计的标定  72
    3.4.5 流量控制系统的程序设计  72-74
  3.5 供光单元中的控制系统设计  74-77
    3.5.1 聚光器散热导管的自动换水装置的设计  74-75
      3.5.1.1 直角导管中液位检测的设计  74-75
      3.5.1.2 自动换水装置的实现  75
    3.5.2 供光管中 LED 光源的控制设计  75-76
      3.5.2.1 LED 灯自动开启的设计  75-76
      3.5.2.2 太阳能光伏供电与市电自动切换的设计  76
    3.5.3 供光管的清洗预警设计  76
    3.5.4 供光单元中的控制系统设计方案  76-77
  3.6 总体控制系统设计  77-87
    3.6.1 总体系统结构图  77-79
    3.6.2 总体系统设计方案  79-84
      3.6.2.1 总体自动控制系统的构建  79-81
      3.6.2.2 总体检测与控制流程原理图  81
      3.6.2.3 总体检测与控制编程结构图  81-84
    3.6.3 总体系统硬件配置及分布  84-85
      3.6.3.1 系统硬件配置  84
      3.6.3.2 系统硬件分布  84-85
    3.6.4 单片机程序  85-86
    3.6.5 软件设计逻辑图  86-87
    3.6.6 通讯协议的选择  87
  3.7 系统优化设计  87-89
    3.7.1 数据的冗余  87
    3.7.2 控制系统的冗余  87
    3.7.3 物理链路的冗余  87-89
第4章 太阳能光合生物连续产氢自控系统运行试验  89-111
  4.1 试验材料与方法  89-90
    4.1.1 试验材料  89
    4.1.2 培养方法  89
    4.1.3 分析检测方法  89-90
  4.2 系统软件  90-92
    4.2.1 软件功能运行  90-91
    4.2.2 软件运行视图  91-92
  4.3 单个子系统的运行  92-101
    4.3.1 温度控制系统的运行  92-97
      4.3.1.1 运行情况及结果分析  92-95
      4.3.1.2 误差分析  95-96
      4.3.1.3 本节小结  96-97
    4.3.2 PH 控制系统的运行  97-98
      4.3.2.1 运行情况及结果分析  97-98
      4.3.2.2 误差分析  98
      4.3.2.3 本节小结  98
    4.3.3 流量控制系统的运行  98-101
      4.3.3.1 运行情况及结果分析  98-100
      4.3.3.2 误差分析  100
      4.3.3.3 本节小结  100-101
    4.3.4 供光单元控制系统的运行及分析  101
  4.4 单个系统运行控制前后情况的对比  101-107
    4.4.1 温度控制系统运行前后情况的对比与分析  101-104
    4.4.2 PH 控制系统运行前后情况的对比与分析  104-106
    4.4.3 流量控制系统运行前后情况的对比与分析  106-107
  4.5 整体系统的运行  107-109
    4.5.1 功能性适应性试验  107
    4.5.2 连续性稳定性试验  107-108
    4.5.3 产氢效率的促进作用试验  108-109
  4.6 本章小结  109-111
第5章 全文总结  111-115
  5.1 主要研究成果  111-112
  5.2 创新点  112-113
  5.3 建议  113-115
参考文献  115-127
ABSTRACT  127-131
附录：单片机程序  131-158
博士就读期间发表论文及获取专利情况  158

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业动力、农村能源 > 生物能（生物质能）的应用
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