Μια γεννήτρια βιοαερίου, ως ένα πλήρες σύνολο εξοπλισμού που μετατρέπει το βιοαέριο που παράγεται από την αναερόβια ζύμωση βιομάζας σε ηλεκτρική ενέργεια, έχει δομικό σχεδιασμό που επηρεάζει άμεσα τη λειτουργική του απόδοση, τη σταθερότητα και την περιβαλλοντική απόδοση. Συνολικά, αποτελείται από μια μονάδα προετοιμασίας και καθαρισμού αερίου, ένα σύστημα παροχής αερίου, μια μονάδα παραγωγής ενέργειας, μια συσκευή ανάκτησης απορριμμάτων θερμότητας, μια ηλεκτρική μονάδα και μονάδα ελέγχου και ένα σύστημα προστασίας ασφαλείας. Αυτά τα εξαρτήματα συνεργάζονται για να επιτύχουν ολόκληρη τη διαδικασία μετατροπής από ακατέργαστο αέριο σε ειδική ηλεκτρική ενέργεια.
Η μονάδα προετοιμασίας και καθαρισμού αερίου είναι το μπροστινό-άκρο ολόκληρου του συστήματος. Αυτή η μονάδα περιλαμβάνει κυρίως έναν αναερόβιο χωνευτήρα, μια συσκευή ανάδευσης, μια συσκευή θέρμανσης και ελέγχου θερμοκρασίας και αγωγούς συλλογής αερίου. Ο αναερόβιος χωνευτήρας χρησιμοποιεί συνήθως μια κλειστή κατασκευή από χάλυβα ή σκυρόδεμα, διατηρώντας εσωτερικά περιβάλλον μέσης-θερμοκρασίας (35–38 μοίρες) ή υψηλής-θερμοκρασίας (55–58 βαθμών ) για να διευκολύνει την αποτελεσματική μεθανογένεση από μικροοργανισμούς. Η συσκευή ανάδευσης εξασφαλίζει επαρκή επαφή μεταξύ του υλικού και των μικροοργανισμών, ενώ η συσκευή θέρμανσης και ελέγχου θερμοκρασίας διατηρεί μια σταθερή θερμοκρασία αντίδρασης. Το παραγόμενο ακατέργαστο βιοαέριο μεταφέρεται μέσω αγωγών στη μονάδα καθαρισμού για την απομάκρυνση επιβλαβών ακαθαρσιών όπως υδρόθειο, υγρασία, σωματίδια και σιλοξάνες. Ο εξοπλισμός καθαρισμού περιλαμβάνει τυπικά έναν πύργο αποθείωσης (ξηρή ή υγρή διαδικασία), έναν διαχωριστή συμπυκνωμάτων, ένα φίλτρο σωματιδίων και μια συσκευή προσρόφησης ενεργού άνθρακα για να διασφαλιστεί ότι η σύνθεση και η καθαρότητα του αερίου που εισέρχεται στη μονάδα παραγωγής ενέργειας πληρούν τις απαιτήσεις της μονάδας.
Το σύστημα παροχής αερίου είναι υπεύθυνο για τη σταθερή παροχή του καθαρισμένου βιοαερίου στον θάλαμο καύσης. Αυτό το σύστημα αποτελείται από έναν συμπιεστή ή φυσητή αερίου, μια βαλβίδα ρύθμισης πίεσης, μια συσκευή μέτρησης ροής και μια βαλβίδα διακοπής-ασφαλείας. Η βαλβίδα ρύθμισης πίεσης προσαρμόζει αυτόματα την πίεση παροχής αερίου σύμφωνα με τις αλλαγές στο φορτίο μονάδας και την πίεση αερίου για να εξασφαλίσει σταθερή καύση. η συσκευή μέτρησης ροής παρακολουθεί την παροχή αερίου σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας μια βάση για αντιστοίχιση και έλεγχο φορτίου. η βαλβίδα διακοπής-ασφαλείας μπορεί να διακόψει γρήγορα την παροχή αερίου όταν ανιχνεύσει διαρροή αερίου, μη φυσιολογική πίεση ή σβήσιμο φλόγας για να αποτρέψει την κλιμάκωση του ατυχήματος.
Η μονάδα παραγωγής ενέργειας είναι ο πυρήνας της γεννήτριας βιοαερίου. Επί του παρόντος, η κύρια προσέγγιση είναι η χρήση ενός σετ γεννήτριας κινητήρων εσωτερικής καύσης αερίου, με αεριοστρόβιλους ή κινητήρες Stirling που χρησιμοποιούνται σε λίγες περιπτώσεις. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης αερίου αποτελείται από κύλινδρο, έμβολο, μηχανισμό μπιέλας, σύστημα βαλβίδων και σύστημα ανάφλεξης. Ο σχεδιασμός του θαλάμου καύσης πρέπει να προσαρμόζεται στη χαμηλή θερμιδική αξία και στα χαρακτηριστικά κυμαινόμενης σύνθεσης του καυσίμου βιοαερίου. Το σύστημα ανάφλεξης χρησιμοποιεί κυρίως-ηλεκτρονική ανάφλεξη υψηλής ενέργειας για να εξασφαλίζει αξιόπιστη ανάφλεξη ακόμη και με αλλαγές στη συγκέντρωση αερίου. Ο στροφαλοφόρος άξονας της μηχανής εσωτερικής καύσης συνδέεται με τον ρότορα της γεννήτριας μέσω ενός συνδέσμου, μετατρέποντας την παλινδρομική κίνηση σε περιστροφική μηχανική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια από τη γεννήτρια. Ορισμένα μοντέλα είναι εξοπλισμένα με υπερσυμπιεστές καυσαερίων για την αύξηση της πυκνότητας του αέρα εισαγωγής και της ισχύος εξόδου.
Η συσκευή ανάκτησης απορριπτόμενης θερμότητας χρησιμοποιεί τη θερμότητα που μεταφέρεται από τα καυσαέρια υψηλής θερμοκρασίας από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και το νερό ψύξης της επένδυσης του κυλίνδρου, μετατρέποντάς το σε χρησιμοποιήσιμη θερμική ενέργεια μέσω εναλλάκτη θερμότητας. Ο εναλλάκτης θερμότητας καυσαερίων ανακτά το μεγαλύτερο μέρος της αισθητής θερμότητας από τα καυσαέρια για θέρμανση και μόνωση αναερόβιων χωνευτών ή τηλεθέρμανσης. ο εναλλάκτης θερμότητας νερού της επένδυσης κυλίνδρου αφαιρεί θερμότητα από το νερό ψύξης για χρήση ως ζεστό νερό για οικιακή παραγωγή ή θέρμανση διεργασιών, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά τη συνολική ενεργειακή απόδοση του συστήματος.
Η ηλεκτρική μονάδα και η μονάδα ελέγχου περιλαμβάνει τον διακόπτη εξόδου της γεννήτριας, τον αυτόματο ρυθμιστή τάσης, τη συσκευή ελέγχου σύνδεσης στο δίκτυο και το κεντρικό σύστημα παρακολούθησης. Ο αυτόματος ρυθμιστής τάσης διατηρεί σταθερή την τάση εξόδου και η συσκευή ελέγχου σύνδεσης δικτύου εξασφαλίζει συγχρονισμό και ασφαλή σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο ή ανεξάρτητα φορτία. Το κεντρικό σύστημα παρακολούθησης, που βασίζεται σε PLC ή βιομηχανικό υπολογιστή, συλλέγει και εμφανίζει δεδομένα πραγματικού χρόνου σχετικά με την πίεση αερίου, τη θερμοκρασία, τον ρυθμό ροής, την ταχύτητα μονάδας, την ισχύ εξόδου και τους δείκτες εκπομπής. Διαθέτει επίσης συναγερμούς βλάβης, αυτόματο κλείσιμο και δυνατότητες απομακρυσμένης επικοινωνίας.
Ένα σύστημα προστασίας ασφαλείας είναι ενσωματωμένο σε κάθε μονάδα, εξοπλισμένο με ανιχνευτές διαρροής καυσίμου αερίου, ανιχνευτές φλόγας, αισθητήρες θερμοκρασίας, συσκευές προστασίας πίεσης και κουμπιά διακοπής έκτακτης ανάγκης. Με τον εντοπισμό μιας επικίνδυνης κατάστασης, το σύστημα εφαρμόζει αμέσως μέτρα έκτακτης ανάγκης όπως διακοπή{{1}αερίου, διακοπή λειτουργίας και εξαερισμό για να διασφαλίσει την ασφάλεια του προσωπικού και του εξοπλισμού.
Συνολικά, ο σχεδιασμός της γεννήτριας βιοαερίου αντικατοπτρίζει την ενοποίηση πολλαπλών επιστημονικών κλάδων: από τις βιοχημικές αντιδράσεις στη θερμική ισχύ και στη συνέχεια στον ηλεκτρικό αυτοματισμό και την προστασία της ασφάλειας, όλες οι πτυχές συνδέονται στενά. Η επιστημονικά σχεδιασμένη δομή όχι μόνο εξασφαλίζει αποτελεσματική και σταθερή απόδοση ισχύος, αλλά παρέχει επίσης αξιόπιστη τεχνική υποστήριξη για τη χρήση των πόρων και την καθαρή παραγωγή οργανικών απορριμμάτων.