CN106090795A - 一种微生物电池发电的照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微生物电池发电领域，具体为一种微生物电池发电的照明系统。本发明提供一种微生物电池发电的照明系统，整个分为电源部分、能量采集部分、储能元件、升压器、红外感应模块、模拟开关、低功耗LED警示灯和大功率LED照明灯组成。研究和实验证实，微生物燃料电池对于污水中的有机污染物有着显著的处理效果。如果在排水管道中广泛布置本发明，可以有效的处理城市排水管网中的污水。本发明提供的照明系统，能够始终保持LED警示灯工作，从而在人员进入排水管道时，在较远距离上实现警示危险区域和指示行进方向的作用；本发明中的大功率LED照明，能够在有人接近时才点亮，从而为进入下水道的工作人员提供足够亮度和时间的工作光源。
Description
技术领域
本发明涉及微生物电池发电领域，具体为一种微生物电池发电的照明系统。
背景技术
排水管网需要工作人员进入，定期或不定期地进行巡视、施工和维护。但密封的环境十分昏暗，因此，在排水管网中需要照明系统，方便工作人员等进入时有足够的光照条件。
目前的下水道中照明方式基本上来源于以下方面：
(1)施工人员自带的照明装备；
(2)利用电池供电的安装在排水管道内的照明装置；
(3)从电网引入电线，并从电线上获取电能的安装在排水管道内的照明装置，但是分别会遇到以下的问题：1)人员自己携带照明装置会在一定程度上对工作带来不方便，并且不能够长时间的工作。照明装置使用的是化学电池，废弃的化学电池会对环境造成污染。再者，化学电池的电能归根结底主要来源于化石能源，不利于节约能源；2)利用电池供电的排水管道内的照明装置，同样使用化学电池，因此也有化学电池对环境的污染问题。同时还要定期为照明系统更换电池，成本较高；3)由外部电网引入电线则需要长距离的电力传输线，成本较高。同时在下水道特殊环境中，电线的使用寿命可能受到制约。
因此，一种安装在下水道内部的，可以无需更换电池的照明系统具有实际意义。排水管道内没有充足的阳光和风压，因此风能和太阳 能无法作为能源。但是，下水道中存在着大量的污水，并且普遍存在着产电微生物和其适宜的生存环境，因此利用微生物电池作为电能的来源是一个思路。这样，通过产电微生物利用废水中的化学能发电，然后为照明系统供电，就可以实现无需更换电池的目的。
一般观点认为下水道负责污水的收集输送，污水厂则对污水进行净化处理，二者功能划分明确。随着排水科学的发展，这种功能界限划分被逐渐打破。西方工业发达国家污水处理能耗占全国总能耗的1％以上。根据我国目前己运行污水处理厂的经验，年运行费用约占投资额的10％。全国污水处理运行费达150亿元。多伦多大学的科学家戴维·伯格雷曾估计污水中潜在的电能价值是其处理成本的10倍。若能在城市排水系统中直接处理污水，不仅能改善城市环境，还可减轻污水处理厂的负担。
微生物燃料电池(MFC)利用排水管网中普遍存在的产电细菌通过氧化还原反应，降解污水中的有机质，发生电子的迁移产生电能。研究证实，微生物电池对于有机污染物的处理效果显著，可以有效降低洁污水中的COD等的含量，达到清洁污水的目的。
照明系统即可以用作施工时提供工作光源，也可以用作警示灯，指示行进方向和危险区域。
发明内容
针对上述情况，本发明提供一种微生物电池发电的照明系统，整个分为电源部分、能量采集部分、储能元件、升压器、红外感应模块、模拟开关、低功耗LED警示灯和大功率LED照明灯组成。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案
一种微生物电池，其包括：挂钩、LED灯、透气孔、外壳、螺纹线、阴极、阳极、透水减速孔、锚。
所述外壳顶部设置有挂钩，所述挂钩底部设置有LED灯，所述外壳内部的重心设置在底部，其内部中添置有与壁面相对固定的网状隔板，所述网状隔板上固定阴极，所述外壳底部设置有透水减速孔，所述外壳下部设置有锚。
所述外壳上半部分为透光材料。
所述阴极中，为活性炭为催化剂、泡沫镍为集电体、PTEE为黏结剂和扩散层。
所述阳极为环形碳纤维刷。
所述阴极，在外壳顶部设置鳃型透气孔。
一种微生物电池发电的照明系统，其包括，电源模块、能量采集模块、储能元件、升压器、红外感应模块，模拟开关、低功耗LED警示灯、大功率LED照明灯。
所述能量采集模块连接储能元件上，所述升压器连接于储能元件，所述升压器连接于模拟开关，所述模拟开关连接于低功耗LED警示灯和大功率LED照明灯。
所述电源模块，是由微生物燃料电池和回收灯光光能的太阳能电池板共同构成。其中，微生物电池为主要的能量来源，同时采用了染料敏化太阳能电池回收灯光光能作为辅助供电电源。由于排水管网中可以布置多盏本发明所设计的照明系统，为了提高微弱能源的利用效 率，利用太阳能电池板用来收集其他照明系统所发出的光能以及回收本系统大功率LED照明灯发出的光能。
本发明的工作原理为：采集到的能量储存在储能元件中，所述升压器对储能元件两端的电压由升压器进行升压和稳压后供给给模拟开关、红外感应模块以及低功耗LED警示灯，所述电源模块采集到的能量储存在储能元件中，所述升压器对储能元件两端的电压由升压器进行升压和稳压后供给给模拟开关、红外感应模块以及低功耗LED警示灯；
本发明的有益效果是：
(1)研究和实验证实，微生物燃料电池对于污水中的有机污染物有着显著的处理效果。如果在排水管道中广泛布置本发明，可以有效的处理城市排水管网中的污水。节省了大量的污水处理费用；
(2)本发明提供的照明系统，能够始终保持LED警示灯工作，从而在人员进入排水管道时，在较远距离上实现警示危险区域和指示行进方向的作用；
(3)本发明中的大功率LED照明，能够在有人接近时才点亮，从而为进入下水道的工作人员提供足够亮度和时间的工作光源；
(4)本发明不需要任何额外的电源，不需要外部引入电线，不需要更换电池，减少了废旧电池的污染和更换电池以及维护的成本。再者，一般的电池使用的是电网电压充电，归根到底还是利用了煤炭，石油等非清洁能源，而本发明利用污水中的化学能发电，做到了减少污染，节省成本，保护环境，方便易用。
附图说明
图1为本发明的系统流程示意图。
图2为微生物电池结构示意图。
图3为微生物电池结构的主视、左视、俯视和上示意图。
图4为微生物电池具体安装示意图。
具体实施方式
图2中所示，一种微生物电池，其包括：1-挂钩、2-LED灯、3-透气孔、4-外壳、5-螺纹线、6-阴极、7-阳极、8-透水减速孔、9-水位线、10-锚。
一种微生物电池，其包括：挂钩、LED灯、透气孔、外壳、螺纹线、阴极、阳极、透水减速孔、锚。
所述外壳顶部设置有挂钩，所述挂钩底部设置有LED灯，所述外壳内部的重心设置在底部，其内部中添置有与壁面相对固定的网状隔板，所述网状隔板上固定阴极，所述外壳底部设置有透水减速孔，所述外壳下部设置有锚。
所述外壳上半部分为透光材料。
进一步的，所述的一种微生物电池，由于要在排水管网中使用，微生物燃料电池须满足以下几个条件：
(1)排水管网中的环境条件能够满足电池正常运行的要求
(2)下水道中的水位处于动态变化之中，微生物电池的阴极必须始终保持与水面和空气的同时接触，保证在扩散层接触空气发生阴极反应的同时，催化层可从反应液中接收阳离子维持反应，因此实现阴极 自动随水位变化而调整位置是关键问题之一
(3)微生物电池对流速有着一定的要求，当水流速度过大时，阳极生成的质子到达阴极的概率降低，减缓阳极的还原反应速率，从而影响MFC整体的电化学性能，甚至可能会破化阳极上的生物膜。而排水管道中流速情况难以确定，在丰水期可能较快。因此，限制微生物电池反应器内部的流速是一个关键性问题。
(4)电池的位置需要相对固定，不能随着水流而漂走。
针对问题(1)，我国排水管网中的污水COD浓度一般在100-1000mg/L的范围内，并且排水管道满足几个重要条件:①存在好氧、厌氧的交替环境；②普遍存在降解各种污染物的产电微生物。因此，微生物电池能够在普遍的排水管网中正常运行。
整个能量管理系统及LED照明设备放置于反应器透空气的上半部分，反应器的上半部分是透光的，LED发出的光能够透过反应器的外壳向外部散发。
针对问题2，通过合理计算并设置反应器的质量分布，使反应器重心控制在下半部，保持反应器如不倒翁般始终正向放置并浮于水面，在反应器中添置一块与壁面相对固定的网状隔板，阴极通过网格点固定其上，薄板材料采用轻质且耐腐蚀、低成本的聚乙烯，实现反应器始终浮于水面之上，并且保持阴极对空气和反应液的同时接触。
针对问题3，在反应器底部设置透水减速孔，以维持反应器内部较低的流速水平。通过Ansys Fluent对MFC反应器底部透水减速孔的减速特性进行模拟。MFC反应器外壳的最大直径为355.4mm，管道 直径为560mm，管道截面流速均匀为3m/s，污水的动力粘度取为0.005kg/(m·s)，水面的边界条件为光滑。模拟所得的流速模拟结果可得，MFC的外壳结构可将水速降低至1.6m/s，为入口流速的53％。能够实现减速效果。若需进一步提高减速效果，改善MFC的电化学性能，可适当减小透水减速孔的孔径或改变开孔位置，使得反应器内部流速适宜于微生物电池的正常运行。
针对问题4，仿照浮标的结构，在微生物电池反应器的底部设置了一个锚，锚链的长度大于下水道的直径，可以做到令反应器在水中的位置相对固定，同时也不会因为锚链长度过短而把反应器拉到水面以下。
空气从透气孔进入阴极室参与电化学反应。空气阴极中，活性炭为催化剂、泡沫镍为集电体、PTEE为黏结剂和扩散层，产电性能良好，成本低廉，适用于大规模排水系统。阳极为环形碳纤维刷。碳纤维具有低成本、耐腐蚀、生物亲和性良好等优点，其高比表面积可减少电池性能受阴极氧气扩散的影响。
为避免空气阴极接触污水受其污染，在顶部设置鳃型透气孔，防止污水溅入。且阴极边缘与壁面密封良好，防止溶液因反应器内外压差漫出。
一种微生物电池发电的照明系统，其包括，电源模块、能量采集模块、储能元件、升压器、红外感应模块，模拟开关、低功耗LED警示灯、大功率LED照明灯。
所述能量采集模块连接储能元件上，所述升压器连接于储能元件， 所述升压器连接于模拟开关，所述模拟开关连接于低功耗LED警示灯和大功率LED照明灯。
进一步的，所述电源模块是微生物电池加染料敏化太阳能板的组合。由BQ25504采集电源部分产生的微弱的能量，并将采集到的能量储存在储能元件中。升压器TPS610981对储能元件两端的电压进行升压和稳压后供给给CMOS模拟开关ADG821、红外感应模块以及低功耗警示灯。红外感应模块可以感应周围是否有人接近，如果有人接近，会输出高电平控制ADG821的一组开关闭合，并使能TPS61200的使能端。TPS61200使能后，对储能元件两端的电压升压并稳压，供给LED照明灯。当人离开后，红外感应模块经过一定的延时时间，输出低电平，控制ADG821禁止TPS61200的使能端，关闭LED照明灯。实现无人在附近时的低功耗。系统除了一个大功率的LED照明光源，还有一个功率较低，亮度较低的警示灯光源，该光源由TPS610981提供电压，始终处于点亮状态，用于在长距离上指示排水管网的方向和危险区域，保证人员的安全。
虽然微生物电池和染料敏化太阳能电池的输出能量微弱，但是考虑到排水管道的环境，人员并不会频繁进入其中，因此大部分时间里，灯光是不需要开启的。正是利用了这一特点，系统能够用数小时，甚至于数星期的时间储存能量，当有人进入下水道工作并靠近系统时，提供足够的能量点亮LED照明灯。
微生物电池在下水道中的放置方式如图4，其中每个电池之间的距离可以根据需要确定。对于有机污染物浓度较高的区域，为了达到 更好的污水处理效果，可以摆放的更为密集，即减小间距d,对应的也会增加成本。
进一步的，所述电源模块由微生物燃料电池和回收灯光光能的太阳能电池板共同构成。其中，微生物电池为主要的能量来源，同时采用了染料敏化太阳能电池回收灯光光能作为辅助供电电源，由于排水管网中可以布置多盏本发明所设计的照明系统，为了提高微弱能源的利用效率，利用太阳能电池板用来收集其他照明系统所发出的光能以及回收本系统大功率LED照明灯发出的光能。
进一步的，所述能量采集模块，由于微生物燃料电池的电动势一般只有400mV左右，而染料敏化太阳能电池板所发出的电压也低于一般的DC/DC升压器的最低输入电压，所以采用了BQ25504能量采集芯片对光能和微生物电池产生的微弱能量进行采集。同时通过调整电阻实现对于微生物电池和灯光收集电池板的MPPT(最大功率点跟踪)。
进一步地，所述储能元件因为考虑到系统在没有人接近时不会点亮大功率的LED灯，这种状态下系统只需要供给变流器的静态损耗，红外传感模块的功耗，ADG821的功耗以及低功耗警示灯的功耗。小于输入功率，因此储能元件的电压将保持在设定的上限值；当人接近系统时，才会使用大功率照明LED，因此储能元件的充放电频率并不高，不需要对储能元件的充放电频率做过多的限制，同时考虑到可能有长时间供给大功率照明的要求，储能元件的能量密度必须足够大，因此选用可充电锂电池作为储能元件。
进一步地，所述锂电池，本发明采用的锂电池可以自动实现过充 和过放保护，延长使用寿命。
进一步地，所述升压器，红外监控设备、LED照明设备均需要较为稳定的直流电源，锂电池两端的电压可能无法始终保持稳定，因此还需要后一级的升压及稳压元件。考虑到系统的低功耗，本发明采用了TPS610981做为红外感应模块和ADG821，小功率警示灯的升压器，其可以提供稳定的3.3V电压；采用TPS61200做为大功率LED照明灯的升压器，TPS61200可以提供稳定的5V输出电压，并且具有1.5A的电流驱动能力，因此可以直接驱动大功率LED。
进一步地，所述TPS61200具有一个使能端EN，在EN＝0时可以禁止升压器的输出，从而实现更低的待机功耗。
具体实施例
(1)用在排水管道中
用户根据自己对照明亮度的需求，选择工作电压为5V左右，电流小于1A的LED照明设备，并放置于反应器上部透气部分的灯具座中，将LED的两端与能量管理电路上引出的正负极接线相接后，将整个设备直接放入水中，设备便会自动漂浮起来，并开始正常工作。
工作人员不需要再对此设备进行维护和更换电池的操作，只要再次进入下水道中，并进入此照明系统的照明管辖范围，LED照明灯就会自动开启，提供照明。同时能始终看到警示灯处于开启状态，在昏暗的下水道中，工作人员不需要携带任何照明设备，只需要按照警示灯的指示就可以知道行进方向，同时LED等可以为其提供充足的工作照明电源。
同时也可以选择将警示灯放置在反应器外部。例如，在损坏的下水道井盖附近放置一个警示灯，可以在夜间提供警示作用，保护过往行人的安全。
(2)其他地区的应用
本发明并不限于应用在下水道中，只要是有机物浓度较高的水域都可以使用，例如沼泽地中，污水沟中，废水处理厂中，以及一些农村地区的水坑中。在这些区域设置免维护的灯光照明，可以提供警示作用，有助于防止人员误入水中或沼泽地中，带来危险。同时可以在夜间提供照明，方便工作和巡视，保护来往行人的安全。
功耗计算
微能量采集功率：
(1)微生物电池提供的能量，利用实地采样的下水道污水，经过实验测量，在一般的下水道污水的COD浓度下，BQ25504采集到的功率密度可以达到0.13mW/dm3以上，选用反应器的体积大于10dm3.因此微生物电池的采集功率大于1.3mW.
(2)染料敏化太阳能电池板。该电池板主要用于采集两部分能量。第一部分来自于本系统以及其他系统的警示灯所发出的微弱的光能。此部分能量只有nW级，
另一部分来自于当有人接近系统时，点亮的LED照明灯。此照明灯的功率在1W左右，对系统来说是一个巨大的消耗，因此染料敏化太阳能电池板靠近本系统的LED灯放置，以求得最大效率的对于照明LED光照能量的回收。
值得一提，对于光照能量的回收仅作为一个辅助电源，用以提升系统供电的可靠性，系统主要的能量来自于微生物燃料电池。
损耗功率：
人员进入排水管道中一个照明系统的管辖区域的频度很低，多在数天甚至数十天，正是基于这一特点，虽然能量的采集功率微弱，但是系统可以利用数十天的时间采集能量，在需要照明时就可以提供充足的电能。
在无人接近时，系统进入待机状态，在此状态下，LED照明灯不开启，但警示灯开启。
在无人接近时，红外感应模块会控制TPS61200的使能端为低电平，从而降低TPS61200的自身损耗，在EN＝0的状态下，TPS61200的功耗小于15μW。
用于向红外感应模块，ADG821,低功耗照明灯提供电压的升压器，必须长期开启，因此必需保证自身损耗尽可能低。为此选用了TPS610981，该芯片能够设定为低功率模式状态，再此状态下，只有BOOST升压器工作，VMAIN引脚输出稳定的3.3V电平，同时自身损耗小于4μW.
红外感应模块的功率小于200μW，是主要的待机状态下的能量损耗。
低功耗的LED警示灯，仅用作警示和指示作用，为了在较远距离上为下水道中人员指示行进方向以及提供必要的危险地区警示(例如前方水深区域，易塌方区域，高危险气体浓度区等),因此不需要高的 亮度，控制功耗在100μW以内。
ADG821为低功耗CMOS模拟开关，其功率损耗小于0.01μW。因此，整个系统在待机状态的功耗小于15+4+200+100+0.01＝319.01μW，即使仅考虑微生物电池的采集功率(大于1.3mW)也高于此值。所以，系统能够在此段时间内为储能元件补充能量。平均的给储能元件充电的净功率为Pin-Ploss≥1300-319.01＝980.99μW，在有人接近时，TPS61200被使能，LED照明灯工作。
此状态下，TPS61200的功耗小于500μW,LED照明灯的功率为1W。
进入下水道的人员一般分为两种：
(1)施工人员
(2)意外进入其中的人员
无论哪一种情况，一套照明系统所管辖的区域有人到达的频度保守估计应小于1次/30天，在这30天中，系统处于待机状态，可以收集能量共980.99*3600*24*30*10-6J＝2542.73J足够大功率照明设备工作半小时以上。
以上所有的能量计算中，功耗均采取了最大值，因此实际上30天内采集到的能量可供LED照明灯工作的时间要高于此值，半小时的照明时间对于一般的下水道巡视，施工来说是充足的。
可行性分析
(1)下水道中普遍存在着产电菌及其适宜的生存环境，并且一般的城市排水管道中的污水COD浓度在100-1000mg/L的范围内，能够保证电池的正常产电运行。
(2)由于系统的休眠功耗≤319.01μW,因此能够实现在一般情况下储能元件的净充电功率大于0。
本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (8)
1.一种微生物电池，其特征在于，其包括：挂钩、LED灯、透气孔、外壳、螺纹线、阴极、阳极、透水减速孔、锚；其中，所述外壳顶部设置有挂钩，所述挂钩底部设置有LED灯，所述外壳内部的重心设置在底部，其内部中添置有与壁面相对固定的网状隔板，所述网状隔板上固定阴极，所述外壳底部设置有透水减速孔，所述外壳下部设置有锚。
2.根据权利要求1所述的一种微生物电池，其特征在于，其包括，所述外壳上半部分为透光材料。
3.根据权利要求1所述的一种微生物电池，其特征在于，其包括，所述外壳上半部分为透光材料。
4.根据权利要求1所述的一种微生物电池，其特征在于，其包括，所述阴极中，为活性炭为催化剂、泡沫镍为集电体、PTEE为黏结剂和扩散层。
5.根据权利要求1所述的一种微生物电池，其特征在于，其包括，所述阳极为环形碳纤维刷。
6.根据权利要求1所述的一种微生物电池，其特征在于，其包括，所述阴极，在外壳顶部设置鳃型透气孔。
7.一种微生物电池发电的照明系统，其特征在于，其包括，电源模块、能量采集模块、储能元件、升压器、红外感应模块，模拟开关、低功耗LED警示灯、大功率LED照明灯；其中，所述能量采集模块连接储能元件上，所述升压器连接于储能元件，所述升压器连接于模拟开关，所述模拟开关连接于低功耗LED警示灯和大功率LED照明灯。
8.根据权利要求7所述的一种微生物电池发电的照明系统，其特征在于，其包括，所述电源模块，是由微生物燃料电池和回收灯光光能的太阳能电池板共同构成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610421923.3A CN106090795A (zh) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | 一种微生物电池发电的照明系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107733056A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-02-23 | 中科宇图（北京）资源环境科学研究有限公司 | 应用于aa/o污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统 |
| CN109301299A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-02-01 | 环境保护部南京环境科学研究所 | 一种尿液微生物燃料电池用于发电照明的装置及方法 |
| CN110545601A (zh) * | 2019-09-05 | 2019-12-06 | 山东建筑大学 | 一种采用燃料电池作为电源的路灯 |
-
2016
- 2016-06-15 CN CN201610421923.3A patent/CN106090795A/zh active Pending
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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