CN103321862B - 一种利用植物蒸腾作用进行发电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用植物蒸腾作用进行发电的装置，它包括输液管，输液管中间有隔板将输液管分成上腔和下腔，隔板中间开有小孔，小孔内部安装有纳米多孔膜，纳米多孔膜上分布有大量的纳米通道，输液管的上腔和下腔通过所述的纳米通道连通；在纳米多孔膜两侧设置有能与溶液中离子进行电极反应的电极对，通过密封塞将植物固定在输液管上腔的顶部，同时植物根系浸没在上腔的液体里；所述输液管的下腔与储液池连通，所述储液池内存贮植物营养液。本发明装置基于纳米孔道发电原理，通过利用植物的蒸腾作用驱动电解质溶液流过纳米通道进行发电，清洁，高效地收集环境中的风能、太阳能等转化为可以对外输出的电能。

Description

一种利用植物蒸腾作用进行发电的装置

技术领域

本发明涉及一种利用植物蒸腾作用进行发电的装置，属于新能源领域。

背景技术

随着人们生活水平的飞速发展，人类消耗了地球上大量的能源资源，地球能源形势以及环境污染日趋严峻，因此，为了保证能源的顺利供应，实现能源的可持续利用，发展新能源、大力开发可再生能源是我们的必然选择。我们生活的环境中存在大量的能源，如锅炉余热、工业废热等低品位能源以及太阳能、风能等可再生能源。锅炉余热由于温度太低，很难直接利用，一般是供居民取暖，效率非常低，而工业废热更是直接排到环境中，白白浪费，还造成了热污染。目前太阳能发电的主要方式是光伏发电和太阳能热发电，风能发电主要是利用风力发电机组发电。但是由于太阳能和风能都存在时有时无的问题，并且能源密度较低，很难实现连续稳定供电，要想实现大规模并网，其技术要求和造价成本都非常高。目前一种较为可能解决的方法是风光互补，但由于处在研究阶段，还有很多棘手的问题需要解决。因此，寻找一种清洁高效的能源转换方法，实现低品位热能和可再生能源的回收利用意义重大。

基于纳米孔道的能源转换体系是近年发展起来的一种能源转换新方法，其主要原理是利用材料纳米尺度上特有的物理化学性质，当使用外部机械压力将电解质流体强行推过纳米孔道时,只允许一种电性的离子通过，从而产生电能。然而，由于本身发电效率的限制，需要消耗大量的高品位压力能，在实际应用上具有很大的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用植物蒸腾作用进行发电的装置。

本发明的利用植物蒸腾作用进行发电的装置，它包括输液管，输液管中间有隔板将输液管分成上腔和下腔，隔板中间开有小孔，小孔内部安装有纳米多孔膜，纳米多孔膜上分布有大量的纳米通道，输液管的上腔和下腔通过所述的纳米通道连通；在纳米多孔膜两侧设置有能与溶液中离子进行电极反应的电极对，所述电极对通过导线与输液管外部的储能装置或负载连接；

通过密封塞将植物固定在输液管上腔的顶部，同时植物根系浸没在上腔的液体里；所述输液管的下腔与储液池连通，所述储液池内存贮植物营养液。

所述的植物营养液中各种元素成分根据所用的蒸腾植物进行配制，一般含有N、P、K、Mg、Na、S、Fe、B或Mn等元素。

所述的纳米多孔膜可以为氧化铝纳米多孔膜、多孔玻璃纤维或者氧化硅纳米多孔膜。

所述的植物可以为大叶广玉兰。

植物通过蒸腾作用使溶液保持一定的速率蒸发，从而提供源源不断的驱动力。随着蒸腾作用的进行，输液管上腔会产生低压，在纳米通道上下腔就会形成压差，驱动带有某种离子浓度的植物营养液流经纳米通道。

由于纳米通道本身所具有的特性，只允许一种电性的离子通过，随着植物蒸腾作用的进行，就会在纳米通道的两端形成异种电荷的离子聚集区。电极对在离子聚集区内发生强烈的电极反应（如采用Ag和AgCl电极对，营养液中有NaCl溶质，Ag电极上发生反应：Ag+Cl^-→AgCl+e^-，AgCl电极上发生反应：AgCl+e^-→Ag+Cl^-），从而产生源源不断的电子，电子的单向移动形成电流，通过与外部电路的连接将电能供应给储能装置或外部负载。

本发明基于纳米孔道发电原理，通过利用植物的蒸腾作用驱动电解质溶液流过纳米通道进行发电，植物的蒸腾作用可以自动地收集环境中的风能、太阳能等转化为可以对外输出的电能。它为清洁，高效，稳定地收集和利用环境中各种品味的能量以及研究植物的生长特性提供了一种新思路，具有具大的前景。

   本发明的有益效果在于：

1、利用植物蒸腾作用产生的巨大抽吸力作为驱动力，驱动纳米通道进行发电。可以同时收集环境中各种品味的能量（如风能、太阳能、热能等）转换为可以利用的电能输出。

2、本发明可以作为一种植物传感器，研究不同生长环境下各种植物蒸腾作用的快慢，从而进一步研究植物自身生长对各种外界条件的响应。

3、本发明可以大面积运用在无土培养技术中，直接使用植物营养液作为工质，不消耗额外物质与能量就可以实现农产品与电能的联产。

4、本发明无任何转动部件，结构简单，稳定可靠，无污染无噪音，对环境十分友好。

附图说明

图1，本发明发电装置的结构示意图，其中，1-储液池，2-隔板，3-电极对，4-密封塞，5-植物，6-上腔，7-纳米多孔膜，8-储能装置或负载，9-输液管。

具体实施方式

下面结合图1，进一步介绍本发明的实施方式。

首先将整个装置充满带有一定离子浓度的植物营养液，保证储液池1、纳米多孔膜7和输入管9内没有气泡。将装置放在一定的工作环境中，植物5通过蒸腾作用能够产生令人惊奇的驱动能力（如加州冷杉、桉树等可将水分垂直传送至距地面高达100米的叶片内），巨大的蒸腾抽吸力将输液管上腔内的溶液源源不断地往上抽吸，从而带动输液管内的溶液流过纳米通道，其流量等于蒸腾作用消耗溶液的量。由于纳米通道本身所具有的特性，只允许一种电性的离子通过，随着植物蒸腾作用的进行，就会在纳米通道的两端形成异种电荷的离子聚集区。电极对3在离子聚集区内发生强烈的电极反应，从而产生源源不断的电子，电子的单向移动形成电流，通过与外部电路的连接将电能供应给储能装置或外部负载8。

装置的发电功率与溶液流经纳米通道的速度有关，流速越大，输出功率就越大。环境条件决定植物蒸腾作用的速率，蒸腾作用的快慢决定纳米通道的流速，从而决定输出功率。通过提高光照强度、风速以及工作环境的温度，加强植物的蒸腾作用，可以加快溶液流经纳米通道的速度，从而增大发电功率。在低能量密度（低光照、低风速、低温度）的环境中，植物依然可以进行蒸腾作用，进而收集环境中各种难以利用的能量转换成电能输出。

装置发电功率的大小与植物蒸腾作用的快慢有关，而蒸腾作用的快慢作为植物生长特性的一个重要表征，具有重大的研究意义。使用植物（或植物的枝干）驱动装置运行，通过检测装置在不同的植物生长环境下产生的电压和电流的大小，可以得到植物在各种生长环境下蒸腾作用的快慢，通过进一步分析就可以得到植物的最适宜生长条件，这在生物学上研究植物生长具有非常广大的前景。

装置运行时需要的溶液浓度较低（如采用NaCl溶液时，10^-4—10^-7mol/L），并且溶液的浓度越低，输出的电压越大。某些植物的营养液中本身就具有一定浓度的某种离子，因此装置运行的过程中不需要额外的增加溶质，另外由于植物的生长过程会吸收各种需要的离子，随着植物蒸腾作用的运行，溶液的消耗，输液管上腔的离子浓度不会持续升高。调节适当的运行条件，使得植物蒸腾作用的速率与吸收离子的速率相等，装置内的溶液浓度保持在平衡状态，装置可以长时间顺利运行。

采用NaCl浓度为10^-6mol/L的植物营养液作为工质，蒸腾植物为鲜活的大叶广玉兰树枝，电极对为Ag和AgCl。纳米多孔膜为氧化铝纳米多孔膜，孔径100nm，高度60um，孔隙率为57%，纳米多孔膜的横截面是直径为1.5mm的圆形孔。在25℃、普通光照的室内环境下，用2m/s的风速水平作用于广玉兰树枝。装置运行时，Ag电极上发生反应：Ag+Cl^-→AgCl+e^-，AgCl电极上发生反应：AgCl+e^-→Ag+Cl^-。1个小时后，等装置运行状态稳定，可以在电极两端检测到0.23V的电压，保持装置的运行条件不变，一天后在电极两端仍然可以检测到0.2V的电压。电压降低的原因可能与广玉兰树枝活性降低有关。

装置运行的工质不只是可以为具有一定NaCl浓度的植物营养液，也可以为具有一定碳酸浓度的植物营养液等。装置的电极对也不只是可以为Ag和AgCl电极对，也可以是其他电极对，还可以是多种电极对一起使用，它只需要与不同溶质的植物营养液配合使用。如使用具有一定碳酸浓度的植物营养液作为工质，采用Ag和Ag₂CO₃作为电极对时，Ag电极上发生反应：Ag+CO₃ ^2-→Ag₂CO₃+2e^-→Ag₂CO₃电极上发生反应：Ag₂CO₃+2e^-→Ag+CO₃ ^2-。

本发明的发电系统可以安装在道路两边的植物枝干内，通过植物的蒸腾作用发电来给路灯提供电能。还可以运用在无土培养技术中，将产生的电能储存使用，还可以作为植物传感器来测定植物的生长特性。

装置中，蒸腾植物可以是整株的植物，也可以是植物的部分枝干。

纳米通道不只是可以为氧化铝纳米多孔膜，也可以是其他材料做成的单根纳米通道或者多孔纳米膜，如多孔玻璃纤维或者氧化硅纳米多孔膜。

Claims (5)

1.一种利用植物蒸腾作用进行发电的装置，其特征在于，包括输液管（9），输液管（9）中间有隔板（2）将输液管（9）分成上腔（6）和下腔，隔板（2）中间开有小孔，小孔内部安装有纳米多孔膜（7），纳米多孔膜（7）上分布有大量的纳米通道，输液管的上腔和下腔通过所述的纳米通道连通；在纳米多孔膜（7）两侧设置有能与溶液中离子进行电极反应的电极对（3），所述电极对（3）通过导线与输液管外部的储能装置或负载（8）连接；

通过密封塞（4）将植物（5）固定在输液管（9）上腔的顶部，同时植物（5）根系浸没在上腔（6）的液体里；所述输液管的下腔与储液池（1）连通，所述储液池（1）内存贮植物营养液。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的植物营养液中含有N、P、K、Mg、Na、S、Fe、B或Mn元素。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的纳米多孔膜为氧化铝纳米多孔膜、多孔玻璃纤维或者氧化硅纳米多孔膜。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的植物为大叶广玉兰。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的电极对为Ag和AgCl或Ag和Ag₂CO₃。