专利名称：一种可产生电能的绿色屋顶系统及应用的制作方法
技术领域：
本发明属于环保和新能源领域，具体涉及一种利用植物一沉积型微生物燃料电池与绿色屋顶相结合的可产生电能的新型绿色屋顶系统。本发明还提供此种可产生电能的绿色屋顶系统应用。
背景技术：
绿色屋顶即植物能够在上面生长的屋顶，是一种生态学的构想和回归自然的形态，它使平面绿化变为立体绿化，成为地面景观在空中的延伸和拓展，也是建筑设计与种植的结合，自然景观与人造绿化景观的结合，是构成可持续发展建筑不可缺少的部分。绿色屋顶的出现使普通屋顶的价值得到了进一步提升，它除了能起到基本的防护作用外，更能产生一系列丰富的生态、景观、经济价值。绿色屋顶可以过滤空气中的灰尘、调节空气温度和湿度、对雨水具有缓冲作用以此减少雨水进入污水系统的峰值、隔绝噪音污染以及对生物多样性产生好的影响等。有研究证明通过种植绿色屋顶使得夏季城市住宅温度可降低到140C 44°C，至少可减少夏季用电量59Tl5%，同时每年城市温室气体排放量将减少240万吨。因此，在全球普遍遭受“热岛”效应的现代城市推广绿色屋顶已成为迫切需求。沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC)是一种基于沉积物环境体系，利用其中微生物的催化作用，将有机物中的化学能直接转变为电能的装置，因其反应器结构简单，更接近于实际应用，所以更具开发价值，但SMFC中存在的阳极有机物传质限制问题导致其产电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点，在SMFC中加入植物，在阳极附近的产电菌通过氧化分解植物根系所释放的有机物，可有效地改进SMFC中存在的有机物传质问题。De Schamphelaire的实验证明这种植物-沉积型微生物燃料电池(Plant-SMFC)比不种植物的SMFC功率密度输出提高了 7倍，而且它并不破坏生物质(植物)本身，避免了生物质的运输以及生态系统中营养源的缺失，是一种不会与现行的粮食生产相竞争的新型生物能源方法。Plant-SMFC的基本原理已被证明，现在急需解决的问题是如何进一步改善系统并将其与实际应用结合。而绿色屋顶中的植物为这项技术的实际应用化提供了一个很好的契合点，Plant-SMFC因其能很好的融入城市景观可在不破坏原绿色屋顶系统景观及环保功能的同时回收太阳能转化为可实际应用的电能。相比屋顶太阳能电池板技术在加工与制造过程中造成的化学污染，此种生物能源技术结构简单，构建与运行过程中均无二次污染；且土壤中土著微生物可进行自我更新与修复，因此无需特别维护，运行周期长；土壤微生物利用植物光合作用积累的根系分泌物进行产电，因此在黑夜仍能继续产生电能，并不受天气条件的制约；在屋顶种植适合的经济作物，还可在回收能源绿化环境的同时产生一定的经济效益，且不竞争农田耕地，充分利用环境空间创造价值。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提供一种利用植物一沉积型微生物燃料电池与绿色屋顶相结合的可产生电能的新型绿色屋顶系统及应用技术，该技术可在不影响原绿色屋顶系统景观及环保功能的同时回收电能，实用有效且成本低廉。为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下:
一种可产生电能的绿色屋顶系统主要由植物-沉积型微生物燃料电池所组成，包括土壤层、植于土壤层中的植物、以及土壤层上方的水层，还包括若干个电池单元，每个电池单元包括用导线连接的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极嵌入土壤层中，所述阴极电极位于水层中，所述植物的根系栽种于阳极电极附近，植物的茎叶穿过阴极电极并位于水层的上方；若干个电池单元之间用导线连接后与储能装置连接，储能装置与负载连接。所述若干个电池单元之间通过串并联的混联方式连接，按Im2绿色屋顶面积可布置9个电池单元来算，所述9个电池单元之间每3个并联后再串联输出，当绿色屋顶面积扩大，依此叠加每3个一组并联后再串联的数目。所述阴极电极悬浮于水层的富氧水面。所述阳极电极的材料包括碳毡或活性炭纤维毡。所述阴极电极的材料包括碳毡、活性炭纤维毡或不锈钢网。所述的导线为钛丝、铜丝或不锈钢丝。所述的植物为自我维持能力强、低矮、根刺能力弱，须根发达、美观的湿地植物，如景天属和草本植物。所述的储能装置为收集并储存所产生电能的装置，后以稳定电流输出供负载使用。所述负载为家用小电器或小型气象监测传感器。所述水层内含有植物培养液，所述植物培养液为1/2改良霍格兰氏培养液+10 mM磷酸盐缓冲液。所述植物培养液的具体配方为:四水硝酸钙472.5 mg/L，硝酸钾253 mg/L，磷酸铵40 mg/L，磷酸二氢钾68 mg/L，硫酸镁246.5 mg/L，铁盐溶液1.25 mL，一水磷酸二氢钠490.4 mg/L，磷酸氢二钠915.2 mg/L, pH=7.0，其中铁盐溶液为七水硫酸亚铁5560 mg/L,乙二胺四乙酸二钠7460 mg/L ο1/2改良霍格兰氏培养液为植物专用培养液,可满足一般植物生长的无机营养盐需求。该植物培养液在1/2改良霍格兰氏培养液的基础上添加磷酸盐缓冲液是为了保持该电化学系统运行中溶液的pH及电导率。该植物培养液I个月更新一次，每次培养土壤层约
5-7cm,水相层约2-3cm (培养液加至超出土壤层2_3cm即可)。所述土壤层厚度为5_7cm,水层厚度为2_3cm。本发明还提供了所述的绿色屋顶系统，包括屋顶，所述土壤层位于屋顶上方。工作原理是:位于绿色屋顶上的植物利用太阳能进行光合作用产生自身生长所需的有机物，并通过根系在土壤中释放和积累根系分泌物，土壤中的土著微生物在电化学装置中经过驯化可在阳极电极上富集产电高效菌，产电高效菌氧化分解土壤中积累的根系分泌物源源不断的产生电子和质子，经过导线电子传递至阴极电极，质子通过溶液传质至阴极水相层，电子、质子与水面氧气发生还原反应，从而使得整个电化学系统持续运转。将所有该电池单元进行合适的混联方式连接后最大效率获得电能并由一储能装置进行存储后转为稳定电流输出供家用小电器或小型气象监测传感器使用。
所述“屋顶”应为广义理解，即:专为绿色屋顶系统建造和设计的可种植植物且有一定承重能力的屋顶。本发明进一步提供所述可产生电能的绿色屋顶系统的应用，应用方法为:
(1)选取须根发达，易生长繁殖耐水淹的植物构建所述可产生电能的绿色屋顶系统；
(2)构建完成后，绿色屋顶系统于自然条件下运行，夏季或干旱天气隔I天补充自来水至淹没阴极电极为止(依水汽蒸发情况而定，天气湿润可隔数天)，以防止正常的水汽蒸发流失;
(3)所述水层中的植物培养液I个月更新一次。本发明的有益效果在于:
(1)综合植物-沉积型微生物燃料电池与绿色屋顶两种新型生态友好型技术，在不破坏原绿色屋顶系统的景观及环保功能的前提下，利用绿色植物光合作用转化太阳能产生的根系分泌物供土壤微生物利用，在电化学系统中转化为电能输出，整个过程绿色环保，能量利用效率高；
(2)各电池单元间通过混联方式连接，尽量减少各电池连接中的能量损失，高效率回收电能后通过储能装置进行存储转为稳定的电能输出供家用小电器或小型气象监测传感器使用，以目前已得植物-沉积型微生物燃料电池最大功率密度输出进行估算50m2屋顶得到的电量至少能驱动3台家庭电话的使用，因此该种新型绿色屋顶系统至少能减少家庭用电量的40%，有很大的应用前景；
(3)此种能产生电能的新型绿色屋顶系统结构简单，依靠自然资源，不需要太多的日常维护，建造和运行成本低，稳定运行周期长，较易在现代化城市进行推广。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
图1为本发明一种可产生电能的绿色屋顶系统电池单元结构示意图。其中，1-阳极电极；2_阴极电极；3_植物的茎叶；4_植物的根系；5_储能装置；6-负载。图2是选取的四种植物构建的沉积型微生物燃料电池与不种植物的对照电池输出电压的比较图。图3是两种不同植物培养液条件下电池功率密度及极化曲线图。图4是两种不同植物培养液条件下电池系统溶液pH的变化情况图。图5是9个电池单元的两种连接方式图。
具体实施例方式下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1
如图1所示，一种可产生电能的绿色屋顶系统，包括建筑屋顶，屋顶上设有植物-沉积型微生物燃料电池。具体而言，本实施例的可产生电能的绿色屋顶系统包括位于屋顶上方的土壤层、植于土壤层中的植物、以及土壤层上方的水层，还包括若干个电池单元，每个电池单元包括用导线连接的阳极电极I和阴极电极2，所述阳极电极I嵌入土壤层中，所述阴极电极2悬浮于水层的富氧水面，所述植物的根系4栽种于阳极电极I附近，植物的茎叶3穿过阴极电极2并位于水层的上方；若干个电池单元之间用导线连接后与储能装置5连接，储能装置5与负载6连接。所述若干个电池单元之间通过串并联的混联方式连接，即每3个电池单元并联后再串联输出。所述的储能装置5为收集并储存所产生电能的装置，后以稳定电流输出供负载6使用。所述植物应选取须根发达，易生长繁殖耐水淹的植物，本实施例中选取了水芹、粉黛万年青、金边富贵竹、小白掌这四种常见耐水淹植物构建Plant-SMFC，用以选取适合构建高效产电绿色屋顶系统的植物，其中阳极电极I为碳毡，阴极电极2为碳毡，负载6为1000 Ω电阻的家用小电器或小型气象监测传感器，导线为钛丝。所述水层内含有植物培养液，植物培养液为1/2改良霍格兰氏培养液+10 mM磷酸盐缓冲液，具体配方为:四水硝酸钙472.5 mg/L,硝酸钾 253 mg/L,磷酸铵 40 mg/L,磷酸二氢钾 68 mg/L,硫酸镁 246.5 mg/L，铁盐溶液(七水硫酸亚铁5560 mg/L，乙二胺四乙酸二钠7460 mg/L) 1.25 mL，一水磷酸二氢钠490.4 mg/L，磷酸氢二钠915.2 mg/L，pH=7.0。该植物培养液I个月更新一次，每次培养土壤层约5-7cm,水相层约2-3cm (培养液加至超出土壤层2_3cm即可)。同时以一不种植物的SMFC作为对照，即不种植物，其他条件与Plant-SMFC相同，与Plant-SMFC对比产电性能，用以优选对提高SMFC产电最明显的植物构建高效产电绿色屋顶系统。该实施例实验模拟自然条件下春秋季气候条件运行，温度(20 °C ±5 °C)，光照强度4000 lux，光暗周期12 h(光照):12 h (黑暗)，电池运行过程中隔2 d补充自来水至原水位处，以防止正常的水汽蒸发流失，全程采集输出电压数据(图2)可知，小白掌构建的电池组输出电压最高(Umax=509 mV)，最大输出功率密度达23.5 mW/m2。水芹、粉黛万年青及金边富贵竹产电水平相差不大，最大电压均在400 mV左右，所有植物电池组均比对照电池组输出电压水平有明显的提高，对照最高电压仅达263 mV,说明植物光合作用产生的根系分泌物强化了土壤产电微生物的电能输出。这四种植物均可作为此种新型绿色屋顶系统的构建，其中小白掌产电效果最优。实施例2
在实施例1的基础上，选取小白掌构建绿色屋顶系统的植物一沉积型微生物燃料电池，分别用两种植物培养液进行考察，植物培养液I同实施例1中使用的植物培养液，植物培养液2为不添加10 mM磷酸盐缓冲液的植物培养液，其他实验条件同实施例1，由功率密度及极化曲线(图3)可知，植物培养液I电池组最大输出功率密度为24.0 mW/m2，是植物培养液2组的2.5倍，其电池表观内阻为190.0 Ω，较植物培养液2组降低了 1106.0 Ω。同时对电池体系中的溶液监测其pH的变化情况(图4)可知，植物培养液I组溶液在电池运行至第10 d左右pH有轻微下降至6.75，其后直至第56 dpH维持在6.9-7.0之间，整个运行过程PH无明显波动，较好地维持了电池系统的稳定运行。而植物培养液2组溶液在电池运行至第12 d左右pH急速下降至6.0，此后pH—直在6.3以下波动。实验结果说明磷酸缓冲盐的加入对保持该电化学系统运行中溶液的PH及电导率、提高电池系统稳定运行、降低电池表观内阻及提高其功率密度输出具有重要的作用。
实施例3
在实施例1、2的基础上，选取小白掌一沉积型微生物燃料电池构建lm2该新型绿色屋顶系统，实验可知约能布置9个电池单元，对这9个电池单元进行电池组连接方式考察。方式一:9个电池单元串联输出；方式二:每3个电池单元并联后再串联输出，如图5所示。两种方式下，方式一电池组最大输出功率密度为184.5 mW/m2,方式二电池组最大输出功率密度为210 mff/m2,由此可知该新型绿色屋顶系统设计中电池组采取方式二的混联方式能减少串联方式中的能量损失，提高能量回收效率。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种植物-沉积型微生物燃料电池，包括土壤层、植于土壤层中的植物、以及土壤层上方的水层，其特征在于，还包括若干个电池单元，每个电池单元包括用导线连接的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极嵌入土壤层中，所述阴极电极位于水层中，所述植物的根系栽种于阳极电极附近，植物的茎叶穿过阴极电极并位于水层的上方；若干个电池单元之间用导线连接后与储能装置连接，储能装置与负载连接。
2.根据权利要求1所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，每Im2绿色屋顶面积布置9个电池单元，所述9个电池单元之间每3个并联后再串联输出，当绿色屋顶面积扩大，依此叠加每3个一组并联后再串联的数目。
3.根据权利要求1所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极电极悬浮于水层的富氧水面。
4.根据权利要求1所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极电极的材料包括碳毡或活性炭纤维毡。
5.根据权利要求1所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极电极的材料包括碳毡、活性炭纤维毡或不锈钢网。
6.根据权利要求1所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述水层内含有植物培养液，所述植物培养液为1/2改良霍格兰氏培养液+10 mM磷酸盐缓冲液。
7.根据权利要求6所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述植物培养液的具体配方为:四水硝酸钙472.5 mg/L，硝酸钾253 mg/L，磷酸铵40 mg/L，磷酸二氢钾68 mg/L，硫酸镁246.5 mg/L，铁盐溶液1.25 mL，一水磷酸二氢钠490.4 mg/L，磷酸氢二钠915.2 mg/L，pH=7.0，其中铁盐溶液为七水硫酸亚铁5560 mg/L，乙二胺四乙酸二钠7460mg/L ο
8.根据权利要求1所述的植物-沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述土壤层厚度为5_7cm，水层厚度为2_3cm。
9.一种利用权利要求1 一 8任一项所述的植物-沉积型微生物燃料电池的可产生电能的绿色屋顶系统，包括屋顶，其特征在于，所述土壤层位于屋顶上方。
10.权利要求9所述的可产生电能的绿色屋顶系统的应用，其特征在于，应用方法为: (1)选取须根发达，易生长繁殖耐水淹的植物构建所述可产生电能的绿色屋顶系统； (2)构建完成后，绿色屋顶系统于自然条件下运行，依水汽蒸发情况而定，隔天或隔数天补充自来水，保证水层处于淹没阴极电极的状态，以防止正常的水汽蒸发流失； (3)所述水层中的植物培养液I个月更新一次。
全文摘要
本发明公开了一种可产生电能的绿色屋顶系统及应用，属于环保和新能源领域，包括土壤层、植于土壤层中的植物、以及土壤层上方的水层，还包括若干个电池单元，每个电池单元包括用导线连接的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极嵌入土壤层中，所述阴极电极位于水层中，所述植物的根系栽种于阳极电极附近，植物的茎叶穿过阴极电极并位于水层的上方；若干个电池单元之间用导线连接后与储能装置连接，储能装置与负载连接。本发明利用土壤微生物在电化学系统中转化太阳能为电能，绿色环保，能量利用效率高。本发明结构简单，依靠自然资源，不需要太多的日常维护，建造和运行成本低，适合在现代化城市进行推广。
文档编号H01M8/16GK103165932SQ20131010158
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者吴夏芫, 宋天顺, 周楚新, 韦萍 申请人:南京工业大学