CN101684479A

CN101684479A - 生态电池

Info

Publication number: CN101684479A
Application number: CN200810156139A
Authority: CN
Inventors: 吴登青
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-28
Filing date: 2008-09-28
Publication date: 2010-03-31

Abstract

生态电池是构建一群由强化温室效应微气候和富营养基的透明大棚、生物能转换装置和热力发电机组成的全封闭碳循环电池体，棚内能源植物和藻类在其中疯长，在植物存碳量最高期收获，并连茬接种；收获的植物连同藻类转换发酵成沼气或其他燃料，连同植物呼出的氧气，供给热力发电机发电；发电机的尾气连同肥液和剩渣经纯化后，补充微气候中的CO₂和植物生长的水分与养料，当温度偏低或偏高时，回收发电机的余热和尾气的余热或利用热管原理，使棚内气候类似热带雨林，常年保持在20～40℃之间、光能利用率在3～5％；循环的封闭体内与外界无任何物质交换，输入光能，存储有机物，输出电能。以达到廉价、广普、大量、自动、可调、高效获取能源，同时优化环境的目的。

Description

生态电池

技术领域

能源植物，沼气发酵，外燃发电机，人造气候，光电转换，能量存储，零排放技术，透光隔热，微波硫灯，冷热交换。

背景技术

能源与人类的活动密切相关，也是制约经济发展的瓶颈，在当今不可再生的化石能源日趋间减少，以及燃烧化石能源造成的环境污染和气候异常不仅对人类且包括了地球上的所有生物带来了严重的影响，甚至危及到其生存。为此人们也开发了各种可再生能源。但由于受到地域、时间、存储方式、和成本的限制，相对人类需求的总能源只是杯水车薪，且附带污染也是不容忽视的；如现在大量提倡的农用沼气，不但实际上还消耗大量的植被，且燃烧后同样产生的CO2，即使农村都用上沼气，只是局部地解决能源问题，并不是改善气候的良策，因此，欧美一些再生能源的大项目已紧急刹车，重新进行环境评估；太阳能光伏发电、风能发电、朝夕发电是对环境没有影响最清洁的能源，但它不仅受地域、时间段的影响甚大，成本更是居高不下，即使随着科技的进步也不会明显地下降，因为所需材料的矿产资源有限，如果不依靠大电网作缓冲，自备存储装置和再逆变装置，成本将又会高出一倍以上；具有稳定无温室气体排放的水力发电，除了受地域限制和建设投资巨大外，大面积的水域的变迁和高沉的水荷巨压异位着地壳应力点，常会诱发气候的异常和地质灾害的异端发生；现代技术可以保证核能发电的安全和表面上的环保，裂变喉放射性物质，只能深埋于地下，只增不减的堆积能很长时间保证其不泄露吗？一方面有效能源在减少；另一方面，获取单位能源的成本在增加，人口在增加，人均耗能在增加，人们制止环境劣化趋势，并改善环境，需要更多的能量，这种粥少僧多的强烈反差，易引发一些人群的刁取豪夺，加速环境的恶化，甚至引发大规模的战争，左右着人类文明的脚步。特别是在我国，由于人均土地较少，发展再生能源还必须遵循“不与粮争地，不与人争粮”的准则，只能在边缘、盐碱、干旱、贫瘠的地方发展，也使我们国家发展再生能源困难更大。路在何方，善知的人们一直在苦苦思寻？

1984-1991年美国爱德华巴斯大义解囊，出资2亿美元建造“生物圈2号”力争給人类的生存空间再辟一条新径：即营造以适应人类长期生存的封闭环境；虽然没有达到既定的目的，却成功地昭示了，一些植物在其中生长旺盛的事实；植物是转化和存储太阳能经济且广普的载体，现有燃烧、发酵产生沼气、制醇、制氢、制油等利用植物转化成方便人类使用的能源的技术很多，将这些能源转换为电能的技术更是琳琅满目。对其产能后的二次污染，废渣、废气、废液的处理与应用也各有奇招妙术。但各自为阵，犹如散沙挡洪，改变不了能源趋竭，温室气体增加，环境劣化的趋势。

发明内容

本发明是构建一群由可供能源植物高速生长强化温室效应的微气候和富营养基的透明大棚、生物能转换装置和热力发电机组成的全封闭碳循环电池体，封闭体内与外界无任何物质交换，输入光能，存储有机物、输出电能。以达到廉价、广普、大量、高效获取能源，优化环境的目的。

实现上述目的的技术方案是：

生态电池的理念是由碳循环和变换能量，通常碳循环是能量在植物和动物之间转换的载体，相互依存。但动物对环境要求比植物高得多，即使能生存，一旦异化，由其流动性、繁殖性的大，有可能造成人类不可控的危险。用没有生命的机器代替动物机制，实现这个循环，将安全得多，也快得多。

本发明所述的生态电池是构建一群由强化温室效应微气候和富营养基的透明大棚、生物能转换装置和热力发电机组成的全封闭碳循环电池体，棚内能源植物和藻类在其中疯长，在植物存碳量最高期收获，并连茬接种；收获的植物连同藻类转换发酵成沼气、或其他燃料，连同植物呼出的氧气，供给热力发电机发电；发电机的尾气连同肥液和剩渣经纯化后，补充微气候中的CO2和植物生长的水分与养料，当温度偏低或偏高时，回收发电机的余热和尾气的余热或利用类热管原理降温，使棚内气候类似热带雨林，常年保持在20～40℃之间、光能利用率在3～5％；循环的封闭体内与外界无任何物质交换，输入光能，存储有机物，输出电能。大在这环形体内，伴随着碳循环，有水循环、气体循环、植物营养素的循环，和温度的微功耗调节；封闭体内与外界无任何物质交换，输入光能、存储有机物，输出电能。

上述的生态电池，所述的在一个封闭体内，植物和做功机械实现碳循环。

上述的生态电池，所述的强化温室效应微气候是比通常大气环境中，高得多的CO2浓度，一般达1％以上，高得多湿度，相对湿度在80％以上，较高温度，年平均温度32℃以上，不适宜人类和大多数动物的长期生存，只适合某些植物疯长的微气候，它是由热力发电机的尾其和尾气余热在封闭环境中形成的。

上述的生态电池，所述的富营养基主要由初始配好的复合氮磷钾及有机肥最适合选定的能源植物生长的水体或土壤，以后这些植物杨素的补充，主要来源于经纯化处理的沼液、沼渣或生态电池圈内的其它有机肥料，多节生态电池内，分植物不同的生长阶段的交叉使用，以抑制物种的退化和霉菌的发生。

上述的生态电池，所述的在植物存碳量最高期收获和联茬接种，它不同于植物的成熟期收获，一般植物的成熟其不一定是含碳及有机物的干物质最高，植物后期的光合作用能力都有所降低，且这段时间较长，不利于充分利用棚内的空间和时段，影响年均光能利用率；更重要的是鲜植物比干植物更易发酵；在强化的温室效应的气候中，植物达到最高含碳量的生长周期缩短；另一方面适宜植物生长的时间长，可是能源植物轮作次数增加数茬，以此进一步提高年平均光/能转换效率。

上述的生态电池，所述的尾气、肥液和剩渣的纯化是把不适宜植物生长的有害气体分解，肥液和剩渣的细菌、霉菌、抑制性遗传因子分解，以适合复用。

上述的生态电池，所述的能源植物和高产藻类可发明选择速生高产水生植物，生态电池的腔体内，只有有机物和水，均是沼气厌氧发酵的必须原料，很少无几物的沉淀，收集、运输和加工耗能低。在水生植物中，本发明首推水浮莲，一是繁殖快，即耨有性繁殖，又能无性繁殖，7天成株，二是产量高，每亩水面在合适的温度与富营养的水中可达40t，三是周期短，两月一茬，四是储量高，可以使入水中80cm，甚至高达200cm，每立方米水体，可以存储400kg鲜草，相当于20kg干物质，经厌氧发酵后可产生6M3沼气，燃烧后可7度电；五是有合适的碳氮比起碳氮比为17％，沼气的高效发酵的碳氮比为11-26％，它的阳光利用率1-4％，六是水浮莲更适宜富营养的水质，特别是沼液；藻类本发明选小球藻，它是唯一使水质由碱性变酸性的藻类；这里的能源植物选用水生植物，是易于收获，棚里的水域，既是植物繁殖生长的场所，也是收获运输的通道，实现自动化作业的机械简单，耗能低；当然随着基因工程的科技进步，有可能诞生光合效率更高的植物。为解决植物的无性繁殖与同茬连种的退化问题，每节生态电池腔体的植物应保持多样性，蝴蝶或蜜蜂也是这腔体的常住生物。

上述的生态电池，所述的碳循环是指在一个透光封闭的大棚内，能源植物在光合作用下吸收二氧化碳，转换为烃基化合物，储存于植物体内，收获的植物经发酵产生沼气或其它方式转换为燃气热力发电机可用的燃料，燃气发电机燃烧后的含有大量CO2大量尾气，作为汽肥又排入搭棚供植物呼吸；有资料表明汽肥的增产效果()，燃气发电机的助燃剂也来自大棚内植物呼出的氧气。发酵后的沼液和沼渣又作为肥料还池，在整个循环中，碳的总量不增加，也不减少。

上述的生态电池，所述的水循环产生沼气或其它生物能转换方式所用的水取自大棚内的池水，发酵后的沼液、沼渣及其他发酵后的肥水和剩渣经纯化后，全部回流棚内补充用去的水份；在利用类热管冷却原理中，也是里水循环，当温较高时，叶面蒸腾的水汽在棚顶形成气馏水，通过溜槽流入装有外散热器的高位水箱，并与冷却水箱形成压差，使冷却水从棚低地溢出，以降低棚内的温度

上述的生态电池，所述的输入光能，不仅阳光通过透明玻璃或塑料簿膜，直射与旅社植物，还可采用聚光来或反光来弥补，还可通过用特定频谱的微波硫灯，特别是连阴天为了维持植物的生存，因为高速生长的作物，如果遇到连阴天或连雨天，长期得不到阳光的补充，将会凋谢。另外，发电机发出的的二氧化碳的浓度得不到有效吸收和稀释，不利于氧气的产生，发电机的燃气的没有充足的氧气，使燃烧不充分产生一氧化碳将使植物中毒，导致腐烂设备与实施，有碍循环继续进行。

本发明的有益效果是

能源是人类活动的动力，廉价、广普、大量、自动、可调、高效获取能源，同时优化环境是人们一直的追崇目标，本发明提供了可能性，尽管要达到这个目标，还有技术要整合，但从世界范围讲，它的各环节以被均已特破，只是完善和共享的工作。

随着科技的进步，隔热透光材料(如：太空汽凝胶)性能的进一步提高和低成本化，能源植物的优化，以及相关各种转换效率的提高，生态电池的效率将进一步提高。特别能在沙漠腹地，山川高原，荒滩秃岭，广袤水域都能大规模的建造，生态电池有可能成为人们生产生活能源的主力军之一，为人类提供大量的清洁能源。同时也为治沙治荒提供无尽的能源，更拓宽了人类生存的空间。有些能源植物对动物的排泄物有极强的吸收特性，半封闭的生态电池对净化城市的环境有很好的治理效果。有个预言家预言，2030年将是人类发展的瓶颈，其义指历时科技还没有发展与之相适应的水平，人口、能源的矛盾更加突出。如果本发明得以实施，和完善，清洁能源完全替代了现在有污染的能源，到那时会天更蓝、山更绿、水更清、人们的生活更美好。

附图说明

附图为由4节生态电池组成的群体

它由强化温室效应微气候和富营养基的透明大棚1，热力发电机2，生物能转换装置3，燃气进气管道4，空气进气管道5，尾气排除管道6，相邻大鹏的通气管道7，生物转换装置进料口8，燃气出口9，肥液和剩渣出口10组成。

具体实施方式

参见附图

本发明的雏形构建一个宽12米，深为1.2米，，其槽长度为60米的水池，池内水深一米，放养速生、高产的水生植物，如水浮莲，池上覆盖有双层玻璃中间填有土有隔热透光的气凝胶构成的拱形大棚，形成一个棚内/外相对封闭气候环境。称之为生态电池的腔体。在其内部设有自动收集水生植物的机构，在槽外设有水生植物厌氧发酵和存储沼气的装置，在腔体的一端安装外燃发电机，外燃发电机的燃气使用沼气，助燃空气取自腔体的一端，发电机的燃烧尾气排放到腔体的另一端。其沼液回归水池，连同尾气中的二氧化碳，构成水生植物的富营养的环境。我们称：有一个生态腔体、沼气发酵装置和燃气发电机闭路连接的系统为一节生态电池。在阳光照耀下。腔内植物高速繁殖生长，以生物能存储光能，适时收集，经厌氧发酵产生沼气，发电机燃烧沼气发电。为了防止一种作物同茬连种有可能导致植物的退化，通常有多节生态电池串联组成，相邻的电池能源作物，或同棚相邻茬植物应不一样。

生态电池平均光能利用率的效率为阳光的辐射功率1-5％，以六小时计算，每平方米为0.06度电，5000平方米一天产能为300度电，年收益约9万元，平均每亩收益为1200元，建设费约20万元，两年可收回投资。

根据对叶绿素阳光的有效光谱理论吸收值最高为5％，如果通过基因工程等现代科技手段，培育出此类植物，一平方公里的发电量决能相当于，占地近一平方公里投资200亿元一个200万千瓦燃煤发电厂，而且前者这是零污染、零排放。实际上这种植物是有可能培育出的，因为对这种植物只有一个指标，即极高固碳率的光合作用，它不需象食物或饲料植物那样考虑其营养、口感、毒性、诱发基因变异等因素，也可不考虑植物病虫害的影响、遗传基因的退化。同时在腔体内的微气候可以有适合植物疯长较高二氧化碳的浓度，最适宜的温度、最适宜的养分，以及选择最佳的收获时机。提高单面积的产能，不仅可以节约土地，更可大幅度地减少基体建造投资和运营成本。

Claims

1.本发明所述的生态电池是构建一群由强化温室效应微气候和富营养基的透明大棚、生物能转换装置和热力发电机组成的全封闭碳循环电池体，棚内能源植物和藻类在其中疯长，在植物存碳量最高期收获，并连茬接种；收获的植物连同藻类转换发酵成沼气、或其他燃料，连同植物呼出的氧气，供给热力发电机发电；发电机的尾气连同肥液和剩渣经纯化后，补充微气候中的CO2和植物生长的水分与养料，当温度偏低或偏高时，回收发电机的余热和尾气的余热或利用类热管原理降温，使棚内气候类似热带雨林，常年保持在20～40℃之间、光能利用率在3～5％；循环的封闭体内与外界无任何物质交换，输入光能，存储有机物，输出电能。大在这环形体内，伴随着碳循环，有水循环、气体循环、植物营养素的循环，和温度的微功耗调节；封闭体内与外界无任何物质交换，输入光能、存储有机物，输出电能。

2.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的在一个封闭体内，植物和热力发电机发电实现碳循环。

3.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的强化温室效应微气候是比通常大气环境中，高得多的CO2浓度，一般达1％以上，高得多湿度，相对湿度在80％以上，较高温度，年平均温度32℃以上，不适宜人类和大多数动物的长期生存，只适合某些植物疯长的微气候，它是由热力发电机的尾其和尾气余热在封闭环境中形成的。

4.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的富营养基主要由初始配好的复合氮磷钾及有机肥最适合选定的能源植物生长的水体或土壤，以后这些植物杨素的补充，主要来源于经纯化处理的沼液、沼渣或生态电池圈内的其它有机肥料，多节生态电池内，分植物不同的生长阶段的交叉使用，以抑制物种的退化和霉菌的发生。

5.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的在植物存碳量最高期收获和联茬接种，它不同于植物的成熟期收获，一般植物的成熟其不一定是含碳及有机物的干物质最高，植物后期的光合作用能力都有所降低，且这段时间较长，不利于充分利用棚内的空间和时段，影响年均光能利用率；更重要的是鲜植物比干植物更易发酵；在强化的温室效应的气候中，植物达到最高含碳量的生长周期缩短；另一方面适宜植物生长的时间长，可是能源植物轮作次数增加数茬，以此进一步提高年平均光/能转换效率。

6.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：，所述的尾气、肥液和剩渣的纯化是把不适宜植物生长的有害气体分解，肥液和剩渣的细菌、霉菌、抑制性遗传因子分解，以适合复用。

7.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的能源植物和高产藻类可发明选择速生高产水生植物，生态电池的腔体内，只有有机物和水，均是沼气厌氧发酵的必须原料，很少无几物的沉淀，收集、运输和加工耗能低。在水生植物中，本发明首推水浮莲，一是繁殖快，即耨有性繁殖，又能无性繁殖，7天成株，二是产量高，每亩水面在合适的温度与富营养的水中可达40t，三是周期短，两月一茬，四是储量高，可以使入水中80cm，甚至高达200cm，每立方米水体，可以存储400kg鲜草，相当于20kg干物质，经厌氧发酵后可产生6M3沼气，燃烧后可7度电；五是有合适的碳氮比起碳氮比为17％，沼气的高效发酵的碳氮比为11-26％，它的阳光利用率1-4％，六是水浮莲更适宜富营养的水质，特别是沼液；藻类本发明选小球藻，它是唯一使水质由碱性变酸性的藻类；这里的能源植物选用水生植物，是易于收获，棚里的水域，既是植物繁殖生长的场所，也是收获运输的通道，实现自动化作业的机械简单，耗能低；当然随着基因工程的科技进步，有可能诞生光合效率更高的植物。为解决植物的无性繁殖与同茬连种的退化问题，每节生态电池腔体的植物应保持多样性，蝴蝶或蜜蜂也是这腔体的常住生物。

8.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的碳循环是指在一个透光封闭的大棚内，能源植物在光合作用下吸收二氧化碳，转换为烃基化合物，储存于植物体内，收获的植物经发酵产生沼气或其它方式转换为燃气热力发电机可用的燃料，燃气发电机燃烧后的含有大量CO2大量尾气，作为汽肥又排入搭棚供植物呼吸；有资料表明汽肥的增产效果()，燃气发电机的助燃剂也来自大棚内植物呼出的氧气；发酵后的沼液和沼渣又作为肥料还池，在整个循环中，碳的总量不增加，也不减少。

9根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的水循环产生沼气或其它生物能转换方式所用的水取自大棚内的池水，发酵后的沼液、沼渣及其他发酵后的肥水和剩渣经纯化后，全部回流棚内补充用去的水份；在利用类热管冷却原理中，也是里水循环，当温较高时，叶面蒸腾的水汽在棚顶形成气馏水，通过溜槽流入装有外散热器的高位水箱，并与冷却水箱形成压差，使冷却水从棚低地溢出，以降低棚内的温度

10.根据权利要求1所述的生态电池，其特征在于：所述的输入光能，不仅阳光通过透明玻璃或塑料簿膜，直射与旅社植物，还可采用聚光来或反光来弥补，还可通过用特定频谱的微波硫灯，特别是连阴天为了维持植物的生存，因为高速生长的作物，如果遇到连阴天或连雨天，长期得不到阳光的补充，将会凋谢。另外，发电机发出的的二氧化碳的浓度得不到有效吸收和稀释，不利于氧气的产生，发电机的燃气的没有充足的氧气，使燃烧不充分产生一氧化碳将使植物中毒，导致腐烂设备与实施，有碍循环继续进行。