CN102283094A - 养殖浮游植物的建筑结构 - Google Patents

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Abstract

一种养殖浮游植物的建筑结构，其包含披覆结构及蓄养系统，披覆结构设置于该建筑结构的屋顶或侧壁，其中该披覆结构是太阳能光电板，其包含：基板；第一电极层，其形成在该基板之上；多个半导体材料层，其形成在该第一电极层之上；第二电极层，其形成在该半导体材料层之上；至少两条导线，其形成在该第二电极层之上；封装材料层；中间层，其用于粘合基板和封装材料层；蓄养系统包含：至少一个蓄养容器，该蓄养容器间是互相连接；营养物供给系统，其连接到至少一个蓄养容器；CO2扩散供给和pH值控制系统，其连接到至少一个蓄养容器；及至少一个人造光源，其位于蓄养容器的上方或蓄养容器内部。该建筑结构的屋顶上可产生电力，可提高土地整体利用效益。

Description

养殖浮游植物的建筑结构
技术领域
本发明涉及养殖浮游植物的建筑结构。
背景技术
随着近年来的气候变迁，节能减碳议题逐渐受到人类重视，除了以减少碳排放量的各种方式来减碳以外，以碳捕捉方式来进行减碳也是一种重要手段。植树是一种最常见的自然碳捕捉方式，然而，以一公顷面积比较，植树一年仅可捕捉二十五吨二氧化碳量，微藻则可以捕捉五十八至九十吨。空气中超过一半的氧气是由浮游植物进行光合作用所制造，远远超过树木进行光合作用所制造的氧气。因此，养殖浮游植物为减碳的重要法门，以养殖浮游植物来进行减碳，将能产生重大碳权收益。浮游植物所产生的氧气也可搭配外围渔产养殖或其它应用创造复合效益，浮游植物是多元经济作物，它可被制造成任何石油制成的产品，例如：健康食品、饲料、肥料、化妆品、生质柴油等，故浮游植物养殖总体经济效益颇高。
在现有技术中，农渔牧业温室建筑结构(包含养殖浮游植物的建筑结构)的建筑结构材料一般可分为软质塑料薄膜、压克力或玻璃。聚乙烯、聚酯树脂等薄膜在价格、保温性与易于施工等方面具有优势而受市场欢迎，然而软质塑料薄膜向来有短期间透光率降低的问题存在，在耐久性上表现不佳，故多以简易型的温室建筑结构为市场。而大型长寿期的温室建筑结构对于被覆料的耐用性要求较为严苛，故通常是使用聚酯树脂、硬质聚氯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、玻璃板来作为披覆结构的材料。惟这类披覆结构的材料较贵、较重且对建筑结构结构要求较高，因此阻碍了这类披覆结构的普及化。此外，玻璃被覆材料有易碎的缺点，硬质塑料则对冲击的抵抗能力较弱。
在电力需求方面，由于养殖浮游植物的建筑结构多半搭配有环控与监测管理系统，以用于温带和寒带区域冬季的保暖或亚热带和热带区域夏季的降温。大型温室建筑结构常需要搭配额外的发电机来确保电力的供应，用以防止因电力供应中断而造成损失，故这类额外配置会多出额外的系统保养、维修以及燃料的费用。
在土地利用效益方面，单纯太阳能光电系统需要适当的安装布置面积，且在光电系统下方的土地并没有进一步地再利用。一般建筑结构无法发电，故屋顶面积仅为单纯遮荫或采光之用。而一般养殖浮游植物的建筑结构仅供养殖，其屋顶面积无其它利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提出一种养殖浮游植物的建筑结构，以解决现有养殖浮游植物的建筑结构额外搭配发电设备的缺陷。
本发明提出一种养殖浮游植物的建筑结构，包含披覆结构及蓄养系统，该披覆结构设置于该建筑结构的屋顶或侧壁，其中该披覆结构是太阳能光电板，其包含：基板；第一电极层，其形成在该基板之上；多个半导体材料层，其形成在该第一电极层之上；第二电极层，其形成在该半导体材料层之上；至少两条导线，其形成在该第二电极层之上；封装材料层；中间层，其用于粘合基板和封装材料层；该蓄养系统包含：至少一个蓄养容器，该蓄养容器间是互相连接；营养物供给系统，其连接到至少一个蓄养容器；CO2扩散供给和pH值控制系统，其连接到至少一个蓄养容器；及至少一个人造光源，其位于蓄养容器的上方或蓄养容器内部。
其中，该基板为玻璃或塑料材料。
其中，该第一电极层和第二电极层至少一者为透明材料层，该透明材料是氧化锌、铟锡氧化物或二氧化锡。
其中，该封装材料为玻璃、塑料材料或复合材料。
其中，该半导体材料层为非晶硅薄膜、纳米晶薄膜、微晶硅薄膜、多晶硅薄膜、铜铟二硒薄膜、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜、氮化铝镓薄膜、砷化铝镓薄膜、氮化镓薄膜或磷化铟镓薄膜，或是前述材料的组合。
其中，该半导体材料层的厚度是相关于该披覆结构的透光率。
其中，该披覆结构的光穿透波长范围为380至2300纳米。
其中，当该披覆结构的光穿透波长范围为380纳米以下时，该披覆结构的平均透光率是小于1％。
其中，当该披覆结构的光穿透波长范围为400至800纳米时，该披覆结构的平均透光率是大于10％。
其中，当该披覆结构的光穿透波长范围为610至720纳米时，该披覆结构的平均透光率是大于20％。
其中，当该披覆结构的光穿透波长范围为1000至1200纳米时，该披覆结构的平均透光率是大于15％。
其中，该建筑结构内部的温度是30-80℃。
其中，该建筑结构内部的最佳温度是50-70℃。
其中，该披覆结构是产生电力，该电力提供至营养物供给系统、CO2扩散供给和pH值控制系统以及人造光源。
其中，该人造光源具有红光光源、蓝光光源或兼具上述两者，该红光光源的波长范围是610至720纳米，该蓝光光源的波长范围是350至520纳米。
其中，当人造光源同时具有红光光源和蓝光光源时，该红光光源的照射量和该蓝光光源的照射量的比值为9∶1。
本发明的养殖浮游植物的建筑结构是使用太阳能光电板来取代一般建筑披覆结构，以提升建筑结构的性能并提高了土地的利用。该建筑结构除了可以发电，也是建筑结构建材的一部分，拥有节省建筑结构建材成本及发电效益。本发明的太阳能光电板可为半透明材料，其具有高均匀的透光性且可应用于养殖浮游植物的建筑结构及需要采光的建筑结构。本发明的建筑结构具有不需燃料的优势而成为解决自我供应或备用电力需求的理想选择。
本发明的养殖浮游植物的建筑结构允许浮游植物生长所需的红光及供应建筑结构内热源的红外光穿透。透过调整太阳能光电板薄膜光学特性(例如：穿透度及选择可穿透的波长)来调整建筑结构对红光、辐射热穿透及保温的特性，而适应多样气候条件及不同种类浮游植物，甚至可减缓紫外光或强光对浮游植物伤害，又可降低建筑结构环控系统的工作负担，以提升能源利用的效率。
本发明的太阳能光电板可吸收光能产生电力、允许光线穿透、隔绝部分太阳能辐射热与保温的功能。该建筑结构能够根据室内采光需求而调整其穿透的光谱。对于养殖浮游植物的建筑结构而言，由于同时在建筑结构内养殖浮游植物与建筑结构的屋顶上产生电力，故该建筑结构可提高土地整体利用效益。
本发明的养殖浮游植物的建筑结构可适应多样气候，并可拥有提高浮游植物产值、减碳产氧及产生电力的多重效益。本发明可结合现有技术进行各种应用，充分发挥土地使用的双重效益。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是养殖浮游植物的建筑结构的配置示意图；
图2是太阳能光电板的结构图；
图3是透光型太阳能光电板的穿透光谱图；
图4是透光型太阳能光电板在自然阳光下穿透的光谱与自然阳光频谱比较图。
其中，附图标记：
10：养殖浮游植物的建筑结构
11：披覆结构
12：CO2扩散供给和pH值控制系统
13：营养物供给系统
14：蓄养容器
15：人造光源
20：太阳能光电板
21：基板
22：光电组件薄膜
23：导线
24：中间层
25：封装材料
具体实施方式
本发明提出一种养殖浮游植物的建筑结构，包含披覆结构及蓄养系统，该披覆结构设置于该建筑结构的屋顶或侧壁，其中该披覆结构是太阳能光电板，其包含：基板；第一电极层，其形成在该基板之上；多个半导体材料层，其形成在该第一电极层之上；第二电极层，其形成在该半导体材料层之上；至少两条导线，其形成在该第二电极层之上；封装材料层；中间层，其用于粘合基板和封装材料层；该蓄养系统包含：至少一个蓄养容器，该蓄养容器间是互相连接；营养物供给系统，其连接到至少一个蓄养容器；CO2扩散供给和pH值控制系统，其连接到至少一个蓄养容器；及至少一个人造光源，其位于蓄养容器的上方或蓄养容器内部。
具体而言，请参考图1和图2并配合下列说明，以期能彻底了解本发明的实施方式。
图1是养殖浮游植物的建筑结构10的配置示意图。该养殖浮游植物的建筑结构10包含：披覆结构11和蓄养系统，其中蓄养系统包含：CO2扩散供给和pH值控制系统12、营养物供给系统13、蓄养容器14以及人造光源15。该披覆结构11是可吸收光能以产生电力的太阳能光电板，其设置于该建筑结构的屋顶或侧壁。该CO2扩散供给和pH值控制系统12是连接至蓄养容器，以用于供应CO2气体并控制水中CO2溶量及pH值。该营养物供给系统13是连接至蓄养容器，以用于供应营养物给浮游植物。养殖浮游植物的建筑结构10可以具有一个或多个的蓄养容器14，其是养殖浮游植物的地方。当蓄养系统具有两个以上的蓄养容器时，蓄养容器是互相连接。养殖浮游植物的建筑结构10可以具有一个或多个的人造光源15，其用于提供浮游植物光源，以加速浮游植物的生长。该人造光源15是位于蓄养容器的上方或蓄养容器内部。
在一个具体实施例中，该披覆结构11可以产生电力，并将可以该电力提供至CO2扩散供给和pH值控制系统12、营养物供给系统13以及人造光源15。
在一个具体实施例中，该披覆结构11可连接至充放电控制器(未显示)来对电池组充电，以便将产生的电力储存于电池。电池组储存的电力可应付并网系统市电中断时或独立系统的供电需求。此外，可直接通过直/交流转换器将电力转换为交流电并联输出至电网。
该披覆结构11吸收绝大部分的蓝光并转换成电能，导致蓝光无法穿透。故可使用该披覆结构11所产生的电力来使人造光源15发出蓝光，以提供浮游植物生长所需的450-520纳米(nm)蓝光波长。同时，该人造光源15也可提供浮游植物生长所需的610-720纳米红光波长。该人造光源15也可以是红光光源和蓝光光源，且该红光光源的照射量和该蓝光光源的照射量的最佳比值为9∶1。又，该人造光源15可为LED。30W的LED人造光源15可养殖大约5-10坪的浮游植物，故浮游植物养殖所需人造光源能耗低。
图2是太阳能光电板的结构图。本发明的太阳能光电板20是透明、半透明材料，其结构如图2所示。在基板21(例如：玻璃或塑料材料)上沉积数个层，以形成光电组件薄膜22。该光电组件薄膜22包含第一电极层、多层可吸收光能并转化为电能的半导体材料薄膜以及第二电极层。该半导体材料层为非晶硅薄膜、纳米晶薄膜、微晶硅薄膜、多晶硅薄膜、铜铟二硒薄膜、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜、氮化铝镓薄膜、砷化铝镓薄膜、氮化镓薄膜或磷化铟镓薄膜，或是前述材料的组合。该半导体材料层的厚度是相关于该太阳能光电板20的透光率。该第一电极层和第二电极层至少一者为透明材料，其中该透明材料包含氧化锌、铟锡氧化物或二氧化锡等。太阳能光电板20上个别电池与电池间的串联和并联连接可以通过镀膜工艺步骤并配合激光蚀刻的工艺而达成。之后，藉由配置导线23而导引出正负电极。最后，覆盖中间层24于前述工艺所形成的结构上，并与封装材料25(例如：玻璃、塑料材料或复合材料)进行抽真空加热层压粘合。
本发明制造养殖浮游植物的建筑结构的建筑披覆结构11具有以下两种技术。
(1)半透明技术
对于养殖浮游植物的建筑结构来说，太阳能光电板的透光率可针对不同浮游植物生长需求而调整各膜层的材质及厚度，其中调整太阳能光电板电极层的表面粗糙度，除了能改变光入射光学特性外，也可改变太阳能光电板的发电效率。本发明的太阳能光电板的光穿透波长范围为380至2300纳米。在一个具体实施例中，当该太阳能光电板的光穿透波长范围为380纳米以下时，该太阳能光电板的平均透光率是小于1％。在一个具体实施例中，当该太阳能光电板的光穿透波长范围为400至800纳米时，该太阳能光电板的平均透光率是大于10％。在更进一步的具体实施例中，当该太阳能光电板的光穿透波长范围为610至720纳米时，该太阳能光电板的平均透光率是大于20％。在另一个具体实施例中，当该太阳能光电板的光穿透波长范围为1000至1200纳米时，该太阳能光电板的平均透光率是大于15％。
图3是透光型太阳能光电板的穿透光谱图。如图3所示，本发明的透光型太阳能光电板可穿透380至2300纳米的波长。当波长在380纳米以下时，太阳能光电板的透光率T为接近0％；当波长在700至1200纳米时，太阳能光电板的透光率T为最高(其平均透光率约为37.5％)；而当波长在2300纳米以上时，太阳能光电板的透光率T又再次接近0％。
图4是透光型太阳能光电板在自然阳光下穿透的光谱与自然阳光频谱比较图。其中，a为直射的太阳光的光谱；b为在透光型模块后方所量测到的太阳光的光谱。如图4所示，本发明的透光型太阳能电板对普遍浮游植物叶绿素(Chlorophyll)行光合作用所需的红光波长610-720纳米的穿透度为最高。由于部分高温型浮游植物的最佳生长需要高温(举例来说，50-70℃)且在低温时生长迟缓，所以在红外光的辐射热进入建筑结构而产生的温室效应对于在温带或寒带区域温室建筑结构里养殖浮游植物是具有优势的，而本发明的太阳能光电板可以热源形式穿透波长1000纳米以上的红外光，使得建筑结构内的温度可以维持在30-80℃，更佳是维持在50-70℃，而不需额外能源供应。对于安装了无法或仅允许少量穿透1000纳米以上红外光的太阳能光电板的养殖浮游植物的建筑结构来说，该建筑结构需要额外地安装温度维持系统才能维持建筑结构内的温度。因此，本发明的太阳能光电板适合用于养殖浮游植物。
(2)镂空技术
透光型太阳光电板也可使用镂空技术来制造，使得太阳可以通过镂空区域或电池间隙而射入不透光的太阳能光电板(例如：使用不透光金属电极或不透光吸收层的薄膜太阳能光电板以及硅芯片型太阳能光电板)。镂空工法通常是以激光凿孔、机械刀具或针具来划线，以移除不透光的金属电极及光吸收层；或着，镂空工法也可以通过拉开不透光电池片间的间隔距离，以用于让太阳光射入，之后再进行串焊。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种养殖浮游植物的建筑结构，其特征在于，包含：
披覆结构，其设置于该建筑结构的屋顶或侧壁，其中该披覆结构是太阳能光电板，其包含：
基板；
第一电极层，其形成在该基板之上；
多个半导体材料层，其形成在该第一电极层之上；
第二电极层，其形成在该半导体材料层之上；
至少两条导线，其形成在该第二电极层之上；
封装材料层；
中间层，其用于粘合基板和封装材料层；
蓄养系统，其包含：
至少一个蓄养容器，该蓄养容器间是互相连接；
营养物供给系统，其连接到至少一个蓄养容器；
CO2扩散供给和pH值控制系统，其连接到至少一个蓄养容器；及
至少一个人造光源，其位于蓄养容器的上方或蓄养容器内部。
2.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该基板为玻璃或塑料材料。
3.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该第一电极层和第二电极层至少一者为透明材料层，该透明材料是氧化锌、铟锡氧化物或二氧化锡。
4.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该封装材料为玻璃、塑料材料或复合材料。
5.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该半导体材料层为非晶硅薄膜、纳米晶薄膜、微晶硅薄膜、多晶硅薄膜、铜铟二硒薄膜、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜、氮化铝镓薄膜、砷化铝镓薄膜、氮化镓薄膜或磷化铟镓薄膜，或是前述材料的组合。
6.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该半导体材料层的厚度是相关于该披覆结构的透光率。
7.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该披覆结构的光穿透波长范围为380至2300纳米。
8.根据权利要求7所述的建筑结构，其特征在于，当该披覆结构的光穿透波长范围为380纳米以下时，该披覆结构的平均透光率是小于1％。
9.根据权利要求7所述的建筑结构，其特征在于，当该披覆结构的光穿透波长范围为400至800纳米时，该披覆结构的平均透光率是大于10％。
10.根据权利要求9所述的建筑结构，其特征在于，当该披覆结构的光穿透波长范围为610至720纳米时，该披覆结构的平均透光率是大于20％。
11.根据权利要求7所述的建筑结构，其特征在于，当该披覆结构的光穿透波长范围为1000至1200纳米时，该披覆结构的平均透光率是大于15％。
12.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该建筑结构内部的温度是30-80℃。
13.根据权利要求12所述的建筑结构，其特征在于，该建筑结构内部的最佳温度是50-70℃。
14.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该披覆结构是产生电力，该电力提供至营养物供给系统、CO2扩散供给和pH值控制系统以及人造光源。
15.根据权利要求1所述的建筑结构，其特征在于，该人造光源具有红光光源、蓝光光源或兼具上述两者，该红光光源的波长范围是610至720纳米，该蓝光光源的波长范围是350至520纳米。
16.根据权利要求15所述的建筑结构，其特征在于，当人造光源同时具有红光光源和蓝光光源时，该红光光源的照射量和该蓝光光源的照射量的比值为9∶1。
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