[发明专利]一种可产生电能的绿色屋顶系统及应用

说明书

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—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14℃~44℃，至少可减少夏季用电量5%~15%，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—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1m²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。