沼氣作為一種清潔能源，越來越為社會所接受，農村戶用沼氣池被作為新農村建設的重點工程，被列入第十一個國民經濟和社會發展五年規劃綱要。目前推廣的沼氣池主要以混凝土沼氣池結構為主，存在建池周期長，建池質量難以得到保證，沼氣池的產氣率和原料利用率低，冬天難以實現正常產氣，綜合性能不高等諸多問題[1]，難于形成商品，成為形成和培育沼氣產業的瓶頸，影響了沼氣池的推廣速度。采用玻璃鋼結構建造的沼氣池，具有強度高、耐酸堿、抗老化、重量輕、無滲漏、施工簡單等優點[2][3]；雖然目前部分地區已經有了成型的玻璃鋼沼氣池產品，但都沒有很好的解決北方冬季產氣問題。為此筆者設計了一種具有太陽能熱水循環加熱系統的分體式玻璃鋼沼氣池，該沼氣池由太陽能系統和玻璃鋼沼氣罐體兩部分組成，采用保溫材料在罐體外設保溫層，罐體內壁嵌入PVC導熱管作為水循環管路，利用風動力將太陽能熱水不斷循環到罐內，增加沼液溫度，能較好的解決北方冬季產氣問題。
    玻璃鋼沼氣池為曲流布料沼氣池，罐體容積為6m3，產氣率為0.25m3/m3?d，-15~ -5℃環境條件下，罐內沼液溫度≥25℃；主要應用于華北地區，發酵原料為動物糞便及秸稈，同時在沼氣池的設計中增加了太陽能增溫裝置，根據正常貯氣量為日產氣量的50%，可設計出水壓間的容積，這樣正常運轉情況下就能與之相適應。

罐體的結構如圖1所示，由出料口，入料口及水壓間，罐體上、下半球及太陽熱水循環管路組成。罐體上下半球用螺栓連接，并在上下半球連接面和螺栓兩頭的外表面上涂上與玻璃鋼的機體材料相同的聚酯樹脂，同時起到密封和防銹的效果。導熱裝置內嵌在玻璃鋼罐體下半球夾層內，并填入聚酯樹脂，增強罐體的強度及導熱性。
2 沼氣池罐體的設計
2.1 沼氣池罐體的受力分析
    基金項目：河北省科技廳新產品開發項目（課題編號：06212145）。
玻璃鋼沼氣池處于工作狀態時，對罐體上、下半球進行受力分析。罐體上半球受力分析如圖2所示，罐體下半球受力如圖3所示[4]。

2.2 沼氣池罐體的壁厚
    罐體作為壓力容器承受內壓力作用是，在壁上將產生2個相互垂直的主應力，它們是環向應力和徑向應力。因罐體的壁厚與其內經D的比值小于1/20，所以沼氣池罐體可以按照薄壁壓力容器計算，參照標準，設計時要求罐體滿足內壓2個大氣壓，外壓1個大氣壓下不破壞為條件，即內壓為2×105 Pa，外壓為1×105 Pa。
球形罐體壁厚[5]為：
式中： t―球形罐體壁厚（cm）；
P―設計壓力(kgf／cm2)；
R―球的半徑（cm）；
[σy]―設計溫度下所用玻璃鋼的環向許用拉伸應力(kgf／cm2)。
    經計算，球形罐體的壁厚應大于3.2mm，本設計取4mm。
2.3  玻璃鋼沼氣池罐體的強度校核
    在對玻璃鋼沼氣池罐體上下半球進行校核時，分別求出載荷單獨作用時的應力值，后進行疊加，沼氣池某一截面的應力值并不是所有載荷同時作用時為不利，因此，對于不同部位就有不同的組合[6]。
對于罐體上半球的徑向應力而言，空池狀態為不利情況，此時的載荷有：池蓋自重（）+覆土載荷（）+地面活載荷（）。對于池蓋環向應力而言，無地面活載荷的產氣狀態為不利情況，此時的載荷有：池蓋自重（）+覆土載荷（）+氣壓載荷（）。
根據玻璃鋼罐體的加工工藝，其抗壓強度大于等于160MPa，抗拉強度大于等于60MPa；所以只要使池蓋大內力處滿足強度要求即可,大應力位于池蓋下邊沿處。
式中：  ―徑向應力，10512.1 N/ m；
―環向應力，10512.1 N/ m；
―抗壓強度，MPa；
―抗拉強度，MPa；
S ―安全系數，一般取4~6。
經計算， 160 MPa， 60 MPa，故滿足強度要求。
3 太陽能熱水循環系統的設計
圖4 太陽能熱水循環系統
罐體內的沼液的溫度主要通過太陽能熱水循環系統進行控制，其熱水循環系統原理如圖4所示。罐體下半球布置螺旋形的密封加熱管路，當罐體內溫度過低時，打開熱水循環閥，太陽能熱水器中的熱水通過螺旋形的PVC導熱管進行循環，利用風動力帶動低轉速熱水循環泵，加速太陽能熱水循環，提高太陽能熱水循環系統的效率，以此提高沼氣罐內的溫度。[-page-]
4 沼氣池性能試驗結果與分析
    2006年5月在燕山大學建筑工程與力學學院實驗中心進行了玻璃鋼沼氣罐承載能力、密封性能試驗，2006年12月在秦皇島噴灌機廠進行太陽能熱水循環系統性能試驗。試驗結果如表1所示。
表1試驗設計及試驗結果
試驗項目 試驗要求 試驗結果
罐體壁厚 罐體壁厚≥3.5mm 4.0mm,局部6mm
承載能力 在玻璃鋼沼氣罐正上方放置總重6T的試塊，玻璃鋼罐體無破裂、破損、漏氣、漏水現象 玻璃鋼罐體無破裂、破損、漏氣、漏水現象
密封性能 密封性能良好，充氣壓力9.2KPa,24h無壓降，滿水負荷24h,無滲漏。 在沼氣池正常工作環境下，無壓降，無滲漏
熱水循環系統性能 在冬季氣溫-10℃條件下，沼液溫度達到24～26℃的正常產氣溫度。 使用太陽能熱水器、風動力循環泵及PVC螺旋管組成的熱水循環系統循環一晝夜，沼氣池內溫度達到25.4℃

    經過試驗，該太陽能玻璃鋼沼氣池罐體采用玻璃鋼結構，罐體內嵌PVC導熱管作循環管路，罐體壁厚為4mm，局部厚度在6mm，能夠達到標準GB/T4751－2002所規定的沼氣池密封性能要求，試塊加載至6t時，玻璃鋼罐體無破裂、破損、漏氣、漏水現象，滿足承載能力要求。
    罐體外設保溫層，罐體內嵌PVC導熱管作循環管路，使用太陽能熱水器、風動力循環泵及PVC螺旋管組成的熱水循環系統循環一晝夜，沼氣池內溫度達到25.4℃，能夠滿足沼氣發酵溫度要求。
5 結論
（1）罐體采用玻璃鋼結構，罐體壁厚為4mm，其密封性能和承載能力能夠滿足設計要求。
（2）采用基于太陽能熱水器的熱水循環系統對沼氣池加熱，可以提高沼氣池的發酵溫度至正常供氣溫度，確保了在冬季溫度較低的情況下也能正常產沼氣，實現一年四季正常產沼氣的目的。
（3）太陽能玻璃鋼沼氣罐對農村沼氣工程的大力推廣具有一定的推動作用、市場前景廣闊。