專利名稱：一種可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保和新能源領(lǐng)域，具體涉及一種利用植物一沉積型微生物燃料電池與綠色屋頂相結(jié)合的可產(chǎn)生電能的新型綠色屋頂系統(tǒng)。本發(fā)明還提供此種可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
綠色屋頂即植物能夠在上面生長的屋頂，是一種生態(tài)學(xué)的構(gòu)想和回歸自然的形態(tài)，它使平面綠化變?yōu)榱Ⅲw綠化，成為地面景觀在空中的延伸和拓展，也是建筑設(shè)計與種植的結(jié)合，自然景觀與人造綠化景觀的結(jié)合，是構(gòu)成可持續(xù)發(fā)展建筑不可缺少的部分。綠色屋頂?shù)某霈F(xiàn)使普通屋頂?shù)膬r值得到了進(jìn)一步提升，它除了能起到基本的防護作用外，更能產(chǎn)生一系列豐富的生態(tài)、景觀、經(jīng)濟價值。綠色屋頂可以過濾空氣中的灰塵、調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度、對雨水具有緩沖作用以此減少雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)的峰值、隔絕噪音污染以及對生物多樣性產(chǎn)生好的影響等。有研究證明通過種植綠色屋頂使得夏季城市住宅溫度可降低到140C 44°C，至少可減少夏季用電量59Tl5%，同時每年城市溫室氣體排放量將減少240萬噸。因此，在全球普遍遭受“熱島”效應(yīng)的現(xiàn)代城市推廣綠色屋頂已成為迫切需求。沉積型微生物燃料電池(Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC)是一種基于沉積物環(huán)境體系，利用其中微生物的催化作用，將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，因其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，更接近于實際應(yīng)用，所以更具開發(fā)價值，但SMFC中存在的陽極有機物傳質(zhì)限制問題導(dǎo)致其產(chǎn)電水平及持久性得不到有效提高。De Schamphelaire和Kaku等基于植物光合作用的特點，在SMFC中加入植物，在陽極附近的產(chǎn)電菌通過氧化分解植物根系所釋放的有機物，可有效地改進(jìn)SMFC中存在的有機物傳質(zhì)問題。De Schamphelaire的實驗證明這種植物-沉積型微生物燃料電池(Plant-SMFC)比不種植物的SMFC功率密度輸出提高了 7倍，而且它并不破壞生物質(zhì)(植物)本身，避免了生物質(zhì)的運輸以及生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)源的缺失，是一種不會與現(xiàn)行的糧食生產(chǎn)相競爭的新型生物能源方法。Plant-SMFC的基本原理已被證明，現(xiàn)在急需解決的問題是如何進(jìn)一步改善系統(tǒng)并將其與實際應(yīng)用結(jié)合。而綠色屋頂中的植物為這項技術(shù)的實際應(yīng)用化提供了一個很好的契合點，Plant-SMFC因其能很好的融入城市景觀可在不破壞原綠色屋頂系統(tǒng)景觀及環(huán)保功能的同時回收太陽能轉(zhuǎn)化為可實際應(yīng)用的電能。相比屋頂太陽能電池板技術(shù)在加工與制造過程中造成的化學(xué)污染，此種生物能源技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)建與運行過程中均無二次污染；且土壤中土著微生物可進(jìn)行自我更新與修復(fù)，因此無需特別維護，運行周期長；土壤微生物利用植物光合作用積累的根系分泌物進(jìn)行產(chǎn)電，因此在黑夜仍能繼續(xù)產(chǎn)生電能，并不受天氣條件的制約；在屋頂種植適合的經(jīng)濟作物，還可在回收能源綠化環(huán)境的同時產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，且不競爭農(nóng)田耕地，充分利用環(huán)境空間創(chuàng)造價值。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明的技術(shù)目的在于提供一種利用植物一沉積型微生物燃料電池與綠色屋頂相結(jié)合的可產(chǎn)生電能的新型綠色屋頂系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)可在不影響原綠色屋頂系統(tǒng)景觀及環(huán)保功能的同時回收電能，實用有效且成本低廉。為實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)主要由植物-沉積型微生物燃料電池所組成，包括土壤層、植于土壤層中的植物、以及土壤層上方的水層，還包括若干個電池單元，每個電池單元包括用導(dǎo)線連接的陽極電極和陰極電極，所述陽極電極嵌入土壤層中，所述陰極電極位于水層中，所述植物的根系栽種于陽極電極附近，植物的莖葉穿過陰極電極并位于水層的上方；若干個電池單元之間用導(dǎo)線連接后與儲能裝置連接，儲能裝置與負(fù)載連接。所述若干個電池單元之間通過串并聯(lián)的混聯(lián)方式連接，按Im2綠色屋頂面積可布置9個電池單元來算，所述9個電池單元之間每3個并聯(lián)后再串聯(lián)輸出，當(dāng)綠色屋頂面積擴大，依此疊加每3個一組并聯(lián)后再串聯(lián)的數(shù)目。所述陰極電極懸浮于水層的富氧水面。所述陽極電極的材料包括碳?xì)只蚧钚蕴坷w維氈。所述陰極電極的材料包括碳?xì)帧⒒钚蕴坷w維氈或不銹鋼網(wǎng)。所述的導(dǎo)線為鈦絲、銅絲或不銹鋼絲。所述的植物為自我維持能力強、低矮、根刺能力弱，須根發(fā)達(dá)、美觀的濕地植物，如景天屬和草本植物。所述的儲能裝置為收集并儲存所產(chǎn)生電能的裝置，后以穩(wěn)定電流輸出供負(fù)載使用。所述負(fù)載為家用小電器或小型氣象監(jiān)測傳感器。所述水層內(nèi)含有植物培養(yǎng)液，所述植物培養(yǎng)液為1/2改良霍格蘭氏培養(yǎng)液+10 mM磷酸鹽緩沖液。所述植物培養(yǎng)液的具體配方為:四水硝酸鈣472.5 mg/L，硝酸鉀253 mg/L，磷酸銨40 mg/L，磷酸二氫鉀68 mg/L，硫酸鎂246.5 mg/L，鐵鹽溶液1.25 mL，一水磷酸二氫鈉490.4 mg/L，磷酸氫二鈉915.2 mg/L, pH=7.0，其中鐵鹽溶液為七水硫酸亞鐵5560 mg/L,乙二胺四乙酸二鈉7460 mg/L ο1/2改良霍格蘭氏培養(yǎng)液為植物專用培養(yǎng)液,可滿足一般植物生長的無機營養(yǎng)鹽需求。該植物培養(yǎng)液在1/2改良霍格蘭氏培養(yǎng)液的基礎(chǔ)上添加磷酸鹽緩沖液是為了保持該電化學(xué)系統(tǒng)運行中溶液的pH及電導(dǎo)率。該植物培養(yǎng)液I個月更新一次，每次培養(yǎng)土壤層約
5-7cm,水相層約2-3cm (培養(yǎng)液加至超出土壤層2_3cm即可)。所述土壤層厚度為5_7cm,水層厚度為2_3cm。本發(fā)明還提供了所述的綠色屋頂系統(tǒng)，包括屋頂，所述土壤層位于屋頂上方。工作原理是:位于綠色屋頂上的植物利用太陽能進(jìn)行光合作用產(chǎn)生自身生長所需的有機物，并通過根系在土壤中釋放和積累根系分泌物，土壤中的土著微生物在電化學(xué)裝置中經(jīng)過馴化可在陽極電極上富集產(chǎn)電高效菌，產(chǎn)電高效菌氧化分解土壤中積累的根系分泌物源源不斷的產(chǎn)生電子和質(zhì)子，經(jīng)過導(dǎo)線電子傳遞至陰極電極，質(zhì)子通過溶液傳質(zhì)至陰極水相層，電子、質(zhì)子與水面氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，從而使得整個電化學(xué)系統(tǒng)持續(xù)運轉(zhuǎn)。將所有該電池單元進(jìn)行合適的混聯(lián)方式連接后最大效率獲得電能并由一儲能裝置進(jìn)行存儲后轉(zhuǎn)為穩(wěn)定電流輸出供家用小電器或小型氣象監(jiān)測傳感器使用。
所述“屋頂”應(yīng)為廣義理解，即:專為綠色屋頂系統(tǒng)建造和設(shè)計的可種植植物且有一定承重能力的屋頂。本發(fā)明進(jìn)一步提供所述可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)用方法為:
(1)選取須根發(fā)達(dá)，易生長繁殖耐水淹的植物構(gòu)建所述可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)；
(2)構(gòu)建完成后，綠色屋頂系統(tǒng)于自然條件下運行，夏季或干旱天氣隔I天補充自來水至淹沒陰極電極為止(依水汽蒸發(fā)情況而定，天氣濕潤可隔數(shù)天)，以防止正常的水汽蒸發(fā)流失;
(3)所述水層中的植物培養(yǎng)液I個月更新一次。本發(fā)明的有益效果在于:
(1)綜合植物-沉積型微生物燃料電池與綠色屋頂兩種新型生態(tài)友好型技術(shù)，在不破壞原綠色屋頂系統(tǒng)的景觀及環(huán)保功能的前提下，利用綠色植物光合作用轉(zhuǎn)化太陽能產(chǎn)生的根系分泌物供土壤微生物利用，在電化學(xué)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為電能輸出，整個過程綠色環(huán)保，能量利用效率高；
(2)各電池單元間通過混聯(lián)方式連接，盡量減少各電池連接中的能量損失，高效率回收電能后通過儲能裝置進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的電能輸出供家用小電器或小型氣象監(jiān)測傳感器使用，以目前已得植物-沉積型微生物燃料電池最大功率密度輸出進(jìn)行估算50m2屋頂?shù)玫降碾娏恐辽倌茯?qū)動3臺家庭電話的使用，因此該種新型綠色屋頂系統(tǒng)至少能減少家庭用電量的40%，有很大的應(yīng)用前景；
(3)此種能產(chǎn)生電能的新型綠色屋頂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，依靠自然資源，不需要太多的日常維護，建造和運行成本低，穩(wěn)定運行周期長，較易在現(xiàn)代化城市進(jìn)行推廣。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1為本發(fā)明一種可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)電池單元結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1-陽極電極；2_陰極電極；3_植物的莖葉；4_植物的根系；5_儲能裝置；6-負(fù)載。圖2是選取的四種植物構(gòu)建的沉積型微生物燃料電池與不種植物的對照電池輸出電壓的比較圖。圖3是兩種不同植物培養(yǎng)液條件下電池功率密度及極化曲線圖。圖4是兩種不同植物培養(yǎng)液條件下電池系統(tǒng)溶液pH的變化情況圖。圖5是9個電池單元的兩種連接方式圖。
具體實施例方式下面通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。實施例1
如圖1所示，一種可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)，包括建筑屋頂，屋頂上設(shè)有植物-沉積型微生物燃料電池。具體而言，本實施例的可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)包括位于屋頂上方的土壤層、植于土壤層中的植物、以及土壤層上方的水層，還包括若干個電池單元，每個電池單元包括用導(dǎo)線連接的陽極電極I和陰極電極2，所述陽極電極I嵌入土壤層中，所述陰極電極2懸浮于水層的富氧水面，所述植物的根系4栽種于陽極電極I附近，植物的莖葉3穿過陰極電極2并位于水層的上方；若干個電池單元之間用導(dǎo)線連接后與儲能裝置5連接，儲能裝置5與負(fù)載6連接。所述若干個電池單元之間通過串并聯(lián)的混聯(lián)方式連接，即每3個電池單元并聯(lián)后再串聯(lián)輸出。所述的儲能裝置5為收集并儲存所產(chǎn)生電能的裝置，后以穩(wěn)定電流輸出供負(fù)載6使用。所述植物應(yīng)選取須根發(fā)達(dá)，易生長繁殖耐水淹的植物，本實施例中選取了水芹、粉黛萬年青、金邊富貴竹、小白掌這四種常見耐水淹植物構(gòu)建Plant-SMFC，用以選取適合構(gòu)建高效產(chǎn)電綠色屋頂系統(tǒng)的植物，其中陽極電極I為碳?xì)?，陰極電極2為碳?xì)?，?fù)載6為1000 Ω電阻的家用小電器或小型氣象監(jiān)測傳感器，導(dǎo)線為鈦絲。所述水層內(nèi)含有植物培養(yǎng)液，植物培養(yǎng)液為1/2改良霍格蘭氏培養(yǎng)液+10 mM磷酸鹽緩沖液，具體配方為:四水硝酸鈣472.5 mg/L,硝酸鉀 253 mg/L,磷酸銨 40 mg/L,磷酸二氫鉀 68 mg/L,硫酸鎂 246.5 mg/L，鐵鹽溶液(七水硫酸亞鐵5560 mg/L，乙二胺四乙酸二鈉7460 mg/L) 1.25 mL，一水磷酸二氫鈉490.4 mg/L，磷酸氫二鈉915.2 mg/L，pH=7.0。該植物培養(yǎng)液I個月更新一次，每次培養(yǎng)土壤層約5-7cm,水相層約2-3cm (培養(yǎng)液加至超出土壤層2_3cm即可)。同時以一不種植物的SMFC作為對照，即不種植物，其他條件與Plant-SMFC相同，與Plant-SMFC對比產(chǎn)電性能，用以優(yōu)選對提高SMFC產(chǎn)電最明顯的植物構(gòu)建高效產(chǎn)電綠色屋頂系統(tǒng)。該實施例實驗?zāi)M自然條件下春秋季氣候條件運行，溫度(20 °C ±5 °C)，光照強度4000 lux，光暗周期12 h(光照):12 h (黑暗)，電池運行過程中隔2 d補充自來水至原水位處，以防止正常的水汽蒸發(fā)流失，全程采集輸出電壓數(shù)據(jù)(圖2)可知，小白掌構(gòu)建的電池組輸出電壓最高(Umax=509 mV)，最大輸出功率密度達(dá)23.5 mW/m2。水芹、粉黛萬年青及金邊富貴竹產(chǎn)電水平相差不大，最大電壓均在400 mV左右，所有植物電池組均比對照電池組輸出電壓水平有明顯的提高，對照最高電壓僅達(dá)263 mV,說明植物光合作用產(chǎn)生的根系分泌物強化了土壤產(chǎn)電微生物的電能輸出。這四種植物均可作為此種新型綠色屋頂系統(tǒng)的構(gòu)建，其中小白掌產(chǎn)電效果最優(yōu)。實施例2
在實施例1的基礎(chǔ)上，選取小白掌構(gòu)建綠色屋頂系統(tǒng)的植物一沉積型微生物燃料電池，分別用兩種植物培養(yǎng)液進(jìn)行考察，植物培養(yǎng)液I同實施例1中使用的植物培養(yǎng)液，植物培養(yǎng)液2為不添加10 mM磷酸鹽緩沖液的植物培養(yǎng)液，其他實驗條件同實施例1，由功率密度及極化曲線(圖3)可知，植物培養(yǎng)液I電池組最大輸出功率密度為24.0 mW/m2，是植物培養(yǎng)液2組的2.5倍，其電池表觀內(nèi)阻為190.0 Ω，較植物培養(yǎng)液2組降低了 1106.0 Ω。同時對電池體系中的溶液監(jiān)測其pH的變化情況(圖4)可知，植物培養(yǎng)液I組溶液在電池運行至第10 d左右pH有輕微下降至6.75，其后直至第56 dpH維持在6.9-7.0之間，整個運行過程PH無明顯波動，較好地維持了電池系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而植物培養(yǎng)液2組溶液在電池運行至第12 d左右pH急速下降至6.0，此后pH—直在6.3以下波動。實驗結(jié)果說明磷酸緩沖鹽的加入對保持該電化學(xué)系統(tǒng)運行中溶液的PH及電導(dǎo)率、提高電池系統(tǒng)穩(wěn)定運行、降低電池表觀內(nèi)阻及提高其功率密度輸出具有重要的作用。
實施例3
在實施例1、2的基礎(chǔ)上，選取小白掌一沉積型微生物燃料電池構(gòu)建lm2該新型綠色屋頂系統(tǒng)，實驗可知約能布置9個電池單元，對這9個電池單元進(jìn)行電池組連接方式考察。方式一:9個電池單元串聯(lián)輸出；方式二:每3個電池單元并聯(lián)后再串聯(lián)輸出，如圖5所示。兩種方式下，方式一電池組最大輸出功率密度為184.5 mW/m2,方式二電池組最大輸出功率密度為210 mff/m2,由此可知該新型綠色屋頂系統(tǒng)設(shè)計中電池組采取方式二的混聯(lián)方式能減少串聯(lián)方式中的能量損失，提高能量回收效率。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種植物-沉積型微生物燃料電池，包括土壤層、植于土壤層中的植物、以及土壤層上方的水層，其特征在于，還包括若干個電池單元，每個電池單元包括用導(dǎo)線連接的陽極電極和陰極電極，所述陽極電極嵌入土壤層中，所述陰極電極位于水層中，所述植物的根系栽種于陽極電極附近，植物的莖葉穿過陰極電極并位于水層的上方；若干個電池單元之間用導(dǎo)線連接后與儲能裝置連接，儲能裝置與負(fù)載連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，每Im2綠色屋頂面積布置9個電池單元，所述9個電池單元之間每3個并聯(lián)后再串聯(lián)輸出，當(dāng)綠色屋頂面積擴大，依此疊加每3個一組并聯(lián)后再串聯(lián)的數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，所述陰極電極懸浮于水層的富氧水面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，所述陽極電極的材料包括碳?xì)只蚧钚蕴坷w維氈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，所述陰極電極的材料包括碳?xì)?、活性炭纖維氈或不銹鋼網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，所述水層內(nèi)含有植物培養(yǎng)液，所述植物培養(yǎng)液為1/2改良霍格蘭氏培養(yǎng)液+10 mM磷酸鹽緩沖液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，所述植物培養(yǎng)液的具體配方為:四水硝酸鈣472.5 mg/L，硝酸鉀253 mg/L，磷酸銨40 mg/L，磷酸二氫鉀68 mg/L，硫酸鎂246.5 mg/L，鐵鹽溶液1.25 mL，一水磷酸二氫鈉490.4 mg/L，磷酸氫二鈉915.2 mg/L，pH=7.0，其中鐵鹽溶液為七水硫酸亞鐵5560 mg/L，乙二胺四乙酸二鈉7460mg/L ο
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物-沉積型微生物燃料電池，其特征在于，所述土壤層厚度為5_7cm，水層厚度為2_3cm。
9.一種利用權(quán)利要求1 一 8任一項所述的植物-沉積型微生物燃料電池的可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)，包括屋頂，其特征在于，所述土壤層位于屋頂上方。
10.權(quán)利要求9所述的可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于，應(yīng)用方法為: (1)選取須根發(fā)達(dá)，易生長繁殖耐水淹的植物構(gòu)建所述可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)； (2)構(gòu)建完成后，綠色屋頂系統(tǒng)于自然條件下運行，依水汽蒸發(fā)情況而定，隔天或隔數(shù)天補充自來水，保證水層處于淹沒陰極電極的狀態(tài)，以防止正常的水汽蒸發(fā)流失； (3)所述水層中的植物培養(yǎng)液I個月更新一次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可產(chǎn)生電能的綠色屋頂系統(tǒng)及應(yīng)用，屬于環(huán)保和新能源領(lǐng)域，包括土壤層、植于土壤層中的植物、以及土壤層上方的水層，還包括若干個電池單元，每個電池單元包括用導(dǎo)線連接的陽極電極和陰極電極，所述陽極電極嵌入土壤層中，所述陰極電極位于水層中，所述植物的根系栽種于陽極電極附近，植物的莖葉穿過陰極電極并位于水層的上方；若干個電池單元之間用導(dǎo)線連接后與儲能裝置連接，儲能裝置與負(fù)載連接。本發(fā)明利用土壤微生物在電化學(xué)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化太陽能為電能，綠色環(huán)保，能量利用效率高。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，依靠自然資源，不需要太多的日常維護，建造和運行成本低，適合在現(xiàn)代化城市進(jìn)行推廣。
文檔編號H01M8/16GK103165932SQ20131010158
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者吳夏芫, 宋天順, 周楚新, 韋萍 申請人:南京工業(yè)大學(xué)