一种利用土壤发电的装置及其应用的制作方法

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种利用土壤发电的装置及其应用。

背景技术：

户外运动、野外救援以及野外科考都会需要运行各种小型电器，比如传感器、led灯、风扇、手机、电子钟等，但在野外或者一些偏远地区，电能并非随手可得。因此，目前在野外主要依靠化学电池维持这些小型电器的运行。虽然化学电池能够提供稳定的电源，而且携带方便，但其提供的电能是有限的，无法长期维持小型电器的运行，而且丢弃化学电池极易引起污染。

发明人在前期的研究发现，土壤中普遍含有多种产电细菌，这些细菌能够将分解有机质产生的化学能转化为电能。其原理是：土壤淹水后，产电细菌厌氧分解有机质产生电子，并将电子传递给埋设在土壤中的阳极，电子通过导线到达阴极，与水中的溶解氧发生还原反应，从而形成电流并在阳极和阴极之间产生电压。由于土壤中的有机质含量丰富，土壤电池能够维持发电长达一年以上。另外，与化学电池相比，土壤发电过程不使用任何化学试剂，发电过程的产物是h2o。

技术实现要素：

解决的技术问题：为了解决在野外条件下对小型电器的供电问题，弥补常规电能的不足，本发明提供一种利用土壤发电的装置，并将其用于驱动小型电器。该装置具有发电时间持久、发电过程不使用任何化学试剂、不产生污染的优点。

技术方案：一种利用土壤发电的装置，包括土壤电池组、充电开关和电解电容，所述充电开关和电解电容串联后通过导线与土壤电池组的两极连接；

所述土壤电池组包括至少两个土壤电池，土壤电池相互串联形成土壤电池组；

所述土壤电池包括电池外壳、阳极、土壤、阴极和水，土壤置于电池外壳内部底层，水覆盖在土壤表面，阳极埋设在土壤中，阴极浸没在水中。

进一步地，所述电解电容的容量>1mf。

进一步地，所述电池外壳的材质为绝缘材料，优选塑料或玻璃。

进一步地，所述阳极和阴极的材质选自不锈钢、钛、铂、碳毡、碳布或石墨。

进一步地，所述导线的材质选自铜、铝或钛。

进一步地，所述土壤的有机碳含量>5mg/kg，来源包括但不仅限于林地、草地、农田、水稻田或湿地。

进一步地，所述水包括但不仅限于蒸馏水、去离子水、自来水或从湿地中获取的水。

基于上述装置驱动小型电器的方法，包括以下步骤：

步骤1，将土壤装入电池外壳并倒入水，将阳极埋设在土壤中、阴极浸没于水中，构成一个土壤电池，将至少两个土壤电池通过导线进行串联，形成串联的土壤电池组，以获得高于1v的开路电压；

步骤2，将充电开关与电解电容串联，用导线连接到步骤1的土壤电池组两极，将供电开关与小型电器串联，再与电解电容并联，当供电开关断开、充电开关连通时，土壤电池组即可实现给电解电容充电；

步骤3，当电容电压达到或接近土壤电池组的电压时，断开充电开关、接通供电开关，此时电解电容向小型电器提供其存储的土壤发电的电能，并驱动小型电器的运行。

土壤中普遍含有多种产电细菌，这些细菌能够将分解有机质产生的化学能转化为电能。土壤淹水后，产电细菌厌氧分解有机质产生电子，并将电子传递给埋设在土壤中的阳极，电子通过导线到达阴极，与水中的溶解氧发生还原反应，从而形成电流并在阳极和阴极之间产生电压。由覆水土壤以及一对阴、阳极构成一个土壤电池，由于土壤内阻较高，单个土壤电池的电压和电流较低，因此需要将两个土壤电池进行串联以获得1v以上的电压。还可采用电容积累并储存较低的电能，当电容储满土壤发电的电能之后，即可向小型电器放电，驱动电器运行。

有益效果：本发明能够解决在野外条件下对小型电器的供电问题。由于土壤中的有机质含量丰富，土壤电池发电时间持久，且发电过程不使用任何化学试剂、不产生污染。

附图说明

图1实施例1的发电装置使用示意图，其中，1-土壤电池、2-充电开关、3-供电开关、4-电解电容、5-小型电器、10-玻璃烧杯、11-阳极、12-水稻土、13-阴极、14-上覆水。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

本发明提供了一种利用土壤发电的装置，并利用其驱动小型电器运行。

如图1所示，将1.5kg水稻土（有机碳含量33g/kg）12装入一个玻璃烧杯10中，将阳极碳毡（直径8cm）11埋入水稻土下方6cm深度，并引出钛丝导线；向玻璃烧杯中倒入自来水使水稻土完全浸没，并保持3cm深度的上覆水14；将铂网13作为阴极置于淹水土壤上方，完全浸没于上覆水中，并从铂网引出另一根钛丝导线；从而完成一个土壤电池1的构建。

采用上述方法构建三个同样的土壤电池，通过导线将三个土壤电池串联起来形成土壤电池组。运行一周后，采用万用表检测串联电压达到1.52v。

将容量为1f的电解电容4与充电开关2用导线连接，并连接到土壤电池组的正负极，打开充电开关2，此时串联的土壤电池1开始为电解电容4充电。同时，将额定电压1.5v的电子计时器5与供电开关3串联后，与电解电容4并联，在电解电容充电过程中，保持供电开关3断开状态。采用万用表测量电解电容两端电压，当电压达到1.5v时，断开充电开关2，接通供电开关3，此时电子计时器开始计时并清晰地显示时间，表明成功实现用土壤发电的电能驱动小型电器。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种利用土壤发电的装置，该装置包括土壤电池组、充电开关和电解电容，所述充电开关和电解电容串联后通过导线与土壤电池组的两极连接；所述土壤电池组包括至少两个土壤电池，土壤电池相互串联形成土壤电池组；所述土壤电池包括电池外壳、阳极、土壤、阴极和水，土壤置于电池外壳内部底层，水覆盖在土壤表面，阳极埋设在土壤中，阴极浸没在水中。当电容储满土壤发电的电能之后，即可向小型电器放电，驱动电器运行。该装置具有发电时间持久、发电过程不使用任何化学试剂、不产生污染的优点。

技术研发人员：邓欢;吴少松;刘丽;鲁雨;钟文辉
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：2018.09.27
技术公布日：2018.12.11