CN110628647A - 用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统 - Google Patents

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Abstract

用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统，包括：至少一个发光太阳能聚光器(LSC)，其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上；至少一个栽培区域。

Description

用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统
本申请是申请日为2014年7月24日，题为“用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统”的中国专利申请201480041872.0的分案申请。
本发明涉及用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统。
更具体而言，本发明涉及用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统，包括：
-至少一个发光太阳能聚光器(LSC)，其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上；
-至少一个栽培区域。
本发明还涉及用于栽培藻类和生产电能的集成方法，包括：
-在含水培养基的存在下在包含其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)的栽培区域中栽培至少一种藻类，获得藻类生物质的含水悬浮液与电能；
-从所述藻类生物质的含水悬浮液中回收所述藻类生物质；
-回收所述电能。
本发明还涉及用于栽培植物和生产电能的集成方法，包括：
-在包含其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)的栽培区域中栽培所述植物，获得植物和电能；
-回收所述植物；
-回收所述电能。
目前栽培藻类(特别是微藻类)以便制造落入营养、制药和化妆品领域中的有价值的化合物，例如多不饱和脂肪酸[例如，二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等等]、维生素(例如β-胡萝卜素等等)和胶凝剂。
用于上述领域的微藻类的栽培的特征在于相对有限的生产能力(每年数百至数千吨的量级)和获得的化合物的高附加值(每公斤数百至数千欧元)。为此，可以容忍复杂和昂贵的生产系统，其必须满足上述领域的典型的卫生与营养性质的严格规定。
由上述领域(其中传统上使用微藻类)转向能源领域，特别是转向生物燃料的生产，由于能量领域指定的化合物的有限附加值(每吨数百欧元)，需要开发显著提高生产能力并大大降低生产成本的技术。
微藻类事实上可用于生产脂类，其又可以用于生产生物柴油或绿色柴油，或直接用于生产生物油或“生物原油”。
所需要的巨量土壤、水和电能令栽培用于生产生物燃料的微藻类的经济和环境可持续性饱受批评。微藻类栽培方法中所需的电能量(效用(utility))不仅从经济角度来看是一个负担，并且也不利于环境可持续性参数。环境可持续性的关键要素之一事实上是减少衍生自化石来源的电能的量。
微藻类的培养方法事实上需要电能，例如用于管理开放式池塘(OP)、光反应器(FR)、光生物反应器(FBR)，特别是用于搅拌在生长过程中形成的藻类生物质的悬浮液，用于液体和气体的分布，以及用于微藻类收集、浓缩和化学或热化学地转化为生物燃料前体的设备的运行。
例如，应当考虑的是，用于搅拌开放式池塘(OP)所需的能量——其确保：大约20厘米/秒的线性速率(所述速率被认为对保持形成的藻类生物质悬浮液均质是最佳的)、二氧化碳(CO2)的有效分布、有效的氧释放(O2)和用于热交换的表面置换——为大约0.21W/m2。在最有利的情况下，整个栽培部分所需的总能量为每千克制得的藻类生物质大约0.6kWh，其在与73吨/公顷/年的典型生产率相比时相当于等于每平方米开放式池塘(OP)表面1.2瓦的能量消耗，考虑到这在最有利的情况下发生，其因此是高能耗的。在以能量上不利的构造进行微藻类栽培以生产高附加值物质时，在经济上可持续的是消耗20kWh/千克制得的藻类生物质，相对于相同的上述典型生产率，其对应于等于每平方米开放式池塘(OP)表面40瓦的能量消耗。
类似于植物，微藻类利用太阳能用于光合作用并因此用于它们的生长：但是已知的是，仅有一部分太阳能用于所述光合作用。本领域中描述了用于将光合作用中未利用的太阳能的辐射转化为可以被其利用的辐射的方法，微藻类与植物的生长也随之增长。
例如，Antal T.等人在“International Journal of Hydrogen Energy”(2003),第37卷,第8859-8863页中描述了一项研究，该研究显示，称为“上转换”的过程(该过程在化合物吸收与其发射的辐射相比波长更长的辐射时发生)可以将近红外辐射(NIR)转化为可用于光合作用的辐射。但是，所述研究指出，在上述上转换过程可以实际用于获得蓝细菌、藻类或植物中光合作用的提高之前，还有大量工作要做。
在“Desalination”(2007)，第209卷,第244-250页中，HammanM.等人描述了涉及评价浸渍有商业荧光染料(即MACROLEX Fluorescent Red G)的聚甲基丙烯酸甲酯的荧光薄膜的研究，该荧光薄膜能够集中太阳光并能够对应于叶绿素的吸收带(即650nm-680nm)而发光。在所述研究中，据称这些荧光膜可用于改善在温室中生长的植物以及红藻的光合作用。
美国专利申请US 2011/0281295描述了用于在自然光的存在下栽培藻类的设备，包括：具有培养基和应生长的藻类的区域(例如培养罐)；以及适于接收太阳辐射以便光转化所述太阳辐射的所述区域之前的基底，所述基底包含至少一种能够重新发射辐射的荧光化合物，该辐射的光谱适于优化由所述藻类的光合作用生成特定的化学化合物。
但是，在上述文献中并未提及所述太阳辐射不仅用于提高光合作用还可用于同时生产电能的可能性。
在这方面，光伏温室是已知的，其结合了一个或多个称为“Polysolar”的透明硅薄膜光伏玻璃板，该光伏玻璃板能够在植物中进行光合作用并同时生产电能。涉及这种光伏温室的进一步细节可以在互联网网站http://www.solarpvgreenhouse.com中找到。但是，如该网站中所述，所述光伏玻璃板的青铜色仅能够允许20％的可见光通过，对植物的光合作用具有负面影响——这种负面影响据称(在该网站中总是如此)可以由以下事实尽量减少：最接近于红色的辐射，即对光合作用最有用的那些辐射，以大约40％的更高的百分比穿过所述光伏玻璃板。
申请人因此考虑了寻找能够栽培藻类或植物并同时生产电能而不会不利地干扰其生长的集成系统的问题。
申请人现在已经发现，可以有利地使用以下系统来实现藻类或植物的栽培并同时生产电能，该系统包括其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)，和至少一个栽培区域。所述系统不仅能使藻类或植物生长良好，还保护它们以免过度暴露于紫外辐射(UV辐射)。此外，在藻类栽培的情况下，所述系统能够以低光强度和高光合作用产率(藻类生物质产率等于用高光强度栽培藻类所获得的产率)来栽培藻类。此外，减去一部分用于生产电能的太阳能减少了到达藻类在其中生长的液体培养基的能量的量，因此，所述太阳能产生的辐射造成的所述培养基温度升高更低：这对藻类，特别是绿色小型球藻的生长(其受阻于高于38℃的温度)具有积极的影响。
本发明的一个目的因此涉及用于栽培藻类或植物和生产电能的集成系统，包括：
-至少一个发光太阳能聚光器(LSC)，其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上；
-至少一个栽培区域。
对本说明书和以下权利要求书的目的而言，除非另行规定，数值范围的限定总是包括边界值。
对本说明书和以下权利要求书的目的而言，术语“包含”或“包括”也包括术语“其基本由……组成”或“其由……组成”。
根据本发明的优选实施方案，可以在所述栽培区域与太阳光之间插入所述发光太阳能聚光器(LSC)。
优选地，可以在所述栽培区域与太阳光之间插入所述发光太阳能聚光器(LSC)以完全或部分地覆盖所述栽培区域。
根据本发明的进一步的优选实施方案，所述发光太阳能聚光器(LSC)可以是所述栽培区域与太阳光的集成部分。
根据本发明的优选实施方案，所述栽培区域可以选自开放式池塘(OP)、光反应器(FR)、光生物反应器(FBR)或其组合。
根据本发明的进一步的优选实施方案，所述栽培区域可以是温室。
优选地，所述发光太阳能聚光器(LSC)可以至少部分或完全构成所述温室的屋顶或至少部分或完全构成所述温室的墙壁。
根据本发明的优选实施方案，所述发光太阳能聚光器包含至少一种光致发光化合物，所述光致发光化合物具有在太阳辐射范围内的能够激活光合作用的吸收范围(光合有效辐射——PAR.s：400nm-700nm)，以及能够激活该光伏电池(或太阳能电池)的发射范围。所述发射范围优选可与该光伏电池(或太阳能电池)的最大量子效率区域重叠。
应当指出，根据要栽培的藻类或植物的类型以不同方式利用能够激活光合作用的辐射范围(光合有效辐射——PAR.s：400nm-700nm)。例如，在绿藻栽培的情况下，通过400nm至500nm(蓝光)和600nm至700nm(红橙色光)的太阳辐射来激活该光合作用，而500nm至600nm(绿光)范围内的太阳辐射不能同样用于光合作用：因此在这种情况下将选择能够吸收500nm至600nm(绿光)范围内的太阳辐射的光致发光化合物。
可以有利地用于本发明的目的的光致发光化合物例如是：例如在申请人名下的国际专利申请WO 2011/048458中描述的并苯化合物[例如9,10-二苯基蒽(DPA)]；例如在意大利专利申请MI2009A001796或国际专利申请WO 2012/007834(均在申请人名下)中描述的苯并噻二唑化合物[例如4,7-二-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑(DTB)]；例如在申请人名下的意大利专利申请MI2013A000605中描述的用苯并二噻吩基团二取代的苯并杂二唑化合物；例如在申请人名下的意大利专利申请MI2013A000606中描述的用苯并二噻吩基团二取代的萘并杂二唑化合物；例如在申请人名下的意大利专利申请MI2011A001520中描述的用噻吩基团二取代的萘并噻二唑化合物；以Basf的商品名已知的苝化合物(例如F Red 305)。
根据本发明的优选实施方案，所述发光太阳能聚光器(LSC)包含用透明材料制成的基质，所述透明材料例如选自：透明聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚烯丙基二甘醇碳酸酯、聚甲基丙烯酰亚胺、聚碳酸酯醚、苯乙烯-丙烯腈、聚苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、聚醚砜、聚砜、三乙酸纤维素或其混合物；透明玻璃如二氧化硅、石英、氧化铝、氧化钛或其混合物。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是优选的。
根据本发明的优选实施方案，所述光致发光化合物可以以每表面单位0.1克至每表面单位5克、优选每表面单位1克至每表面单位3克的量存在于所述发光太阳能聚光器(LSC)中，所述表面单位指的是以m2表示的透明材料基质的表面。
所述发光太阳能聚光器(LSC)可以通过本领域已知的方法获得。
例如，如果该透明基质是聚合物类型，所述至少一种光致发光化合物可以通过例如以下方法分散在所述透明基质的聚合物中：以熔融状态分散，或集中添加，随后形成包含所述聚合物和所述至少一种光致发光化合物的片材，例如按照所谓浇铸(casting)技术来进行。或者，所述至少一种光致发光化合物和所述透明基质的聚合物可以溶解在至少一种合适的溶剂中，获得溶液，该溶液沉积在所述聚合物的片材上，形成包含所述至少一种光致发光化合物与所述聚合物的膜，例如使用刮刀类型的成膜法来进行：随后令所述溶剂蒸发。所述溶剂例如可以选自：烃，如1,2-二氯甲烷、甲苯、己烷；酮，如丙酮、乙酰丙酮；或其混合物。
如果该透明基质是玻璃质类型，所述至少一种光致发光化合物可以溶解在至少一种合适的溶剂中(其可以选自上述那些)，获得溶液，该溶液沉积在所述玻璃质类型的透明基质的片材上，形成包含所述至少一种光致发光化合物的膜，例如使用刮刀类型的成膜法来进行：随后令所述溶剂蒸发。
或者，如上所述获得(通过以熔融状态分散，或通过集中添加并随后浇铸)的包含所述至少一种光致发光化合物与所述聚合物的片材可以封闭在玻璃质类型的所述透明基质的两个片材之间(夹心式)，按照已知层压技术来进行。
优选地，所述发光太阳能聚光器(LSC)可以如上所述通过集中添加和随后浇铸以片材形式制造。所述片材随后与光伏电池(或太阳能电池)结合。
如上所述，本发明还涉及用于栽培藻类和生产电能的集成方法，包括：
-在含水培养基的存在下在包含其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)的栽培区域中栽培至少一种藻类，获得藻类生物质的含水悬浮液与电能；
-从所述藻类生物质的含水悬浮液中回收所述藻类生物质；
-回收所述电能。
所述藻类可以选自微藻类(单细胞藻类)。可以有利地用于本发明的目的的微藻类可以选自以下物种：微绿球藻(Nannochloropsis)、小球藻(Chlorella)、卵囊藻(Oocystis)、栅藻(Scenedesmus)、纤维藻(Ankistrodesmus)、褐指藻(Phaedactylum)、双肋藻(Amphipleura)、双眉藻(Amphora)、角毛藻(Chaetoceros)、小环藻(Cyclotella)、桥弯藻(Cymbella)、脆杆藻(Fragilaria)、舟形藻(Navicula)、菱形藻(Nitzschia)、Achnantes、杜氏藻(Dulaniella)、颤藻(Oscillatoria)、Porphiridium、Traustochytrium、螺旋藻(Spirulina)或它们的组合。
用于栽培所述藻类的水可以选自淡水(例如河水)；盐水(例如海水)；来自民用水处理厂或工业水处理厂(如炼油厂或精炼厂)的废水。
所述藻类的栽培可以在光养条件下，或在兼养条件下进行。
所述藻类的栽培可以方便地在本领域已知的栽培系统中进行，例如开放式池塘(OP)、光反应器(FR)、光生物反应器(FBR)或其组合。
从藻类生物质的含水悬浮液中回收藻类生物质可以通过各种方法来进行，例如：
-借助滗析器和/或浓缩器的重力分离，通常用在水处理厂中；
-浮选；
-借助旋风分离器或螺旋(spiral)的重力分离；
-离心；
-借助用于超滤或微滤的膜的过滤，或真空过滤；
-借助压滤机或带式压滤机的处理。
在上述处理结束时，获得浓缩的藻类生物质的含水悬浮液和水。
为了促进藻类生物质的浓缩，可以对所述藻类生物质的含水悬浮液施以絮凝。所述絮凝可以借助各种方法来进行，例如：
-生物絮凝(例如，通过在具有低氮浓度的培养基中栽培藻类)；
-向所述藻类生物质的含水悬浮液中添加至少一种絮凝剂。
淡水藻类菌株，如菌株Scenedesmus sp.的浓缩尤其可以通过使用阳离子聚电解质，优选聚丙烯酰胺来促进，其以2ppm至10ppm的比例使用。
通过浓缩所述藻类生物质的含水悬浮液释放的水可以大幅回收并在上述方法中作为水重新用于制造所述藻类生物质的含水悬浮液(即用作藻类的栽培用水)。
所述浓缩的藻类生物质的含水悬浮液可以有利地用于制造生物油或生物原油。例如可以通过对浓缩的藻类生物质的含水悬浮液施以液化处理，或通过对预先干燥的所述浓缩的藻类生物质的含水悬浮液施以热解来获得所述生物油或生物原油。所述生物油或生物原油可以有利地用于制造生物燃料，该生物燃料可以原样或与其它燃料混合用于运输。或者，所述生物油或生物原油可以原样(生物可燃物)或与化石可燃物(可燃性油、褐煤等等)混合用于生成电能或热能。
或者，所述浓缩的藻类生物质的含水悬浮液可以有利地用于生产脂类。可以借助本领域已知的方法来进行所述萃取，例如通过对任选预先干燥的所述浓缩的藻类生物质的含水悬浮液施以机械萃取；或在二氧化碳的存在下，或在有机溶剂(例如C3-C8烃、醇、或其混合物)的存在下施以萃取，在液相中进行，或在超临界条件下进行(例如在二氧化碳、丙烷、或其混合物等等的存在下)。应当指出，在所述萃取结束时获得的油相除了脂类之外可以包含其它化合物，如碳水化合物、蛋白质，通常包含在藻类的细胞膜中。可以在氢和催化剂的存在下对所述油相施以氢化，以制造“绿色柴油”。氢化法在本领域是已知的，并例如描述在欧洲专利申请EP 1,728,844中。
或者，所述浓缩的藻类生物质的含水悬浮液可以有利地用于生产能量，例如通过对任选预先干燥的浓缩的藻类生物质的含水悬浮液施以热处理如燃烧、气化或部分氧化。
根据本发明的优选实施方案，通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能可以用于上述用于栽培藻类的方法，例如用于管理开放式池塘(OP)、光反应器(FR)、光生物反应器(FBR)，特别是用于搅拌在生长过程中形成的藻类生物质的悬浮液，用于液体和气体的分布，以及用于该微藻类收集、浓缩和化学或热化学地转化为生物燃料前体的设备的运行。
本发明还涉及用于栽培植物和生产电能的集成方法，包括：
-在包含其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)的栽培区域中栽培所述植物，获得植物和电能；
-回收所述植物；
-回收所述电能。
所述植物可以选自观赏植物、水果植物、蔬菜。
根据本发明的优选实施方案，通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能可用于上述用于栽培植物的方法中，例如用于管理温室，特别是用于温室的通风或加热。
为了更好地理解本发明及其实施方案提供一些说明性和非限制性的实施例。
在下面的实施例中：
4,7-二-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑(DTB)如上文提及的本申请人名下的国际专利申请WO 2012/007834的实施例1中所述那样合成；
9,10-二苯基蒽(DPA)来自Sigma-Aldrich。
实施例1
制备具有光伏电池的“红色”发光太阳能聚光器(LSC)
88块光伏电池IXYS-KXOB22-12(所述光伏电池各自具有1.2cm2的表面)位于Altuglas聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片(尺寸500×500×6毫米)的四个外侧面处，所述片通过集中添加100ppm的Basf的F Red 305并随后浇铸来获得。
在标准照明条件(1.5AM,1000W/m2)下测量所述光伏电池的光伏性能，并通过向各所述电池施加外部电压并用数字万用表“Keithley 2602A”(3A DC,10A Pulse)测量生成的光电流来获得电流-电压特性，获得以下结果：
-最大功率(Pmax)＝14.8W/m2。
实施例2
制备具有光伏电池的“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)
88块光伏电池IXYS-KXOB22-12(所述光伏电池各自具有1.2cm2的表面)位于Altuglas聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片(尺寸500×500×6毫米)的四个外侧面处，所述片通过集中添加100ppm的9,10-二苯基蒽(DPA)和100ppm的4,7-二-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑(DTB)并随后浇铸来获得。
在标准照明条件(1.5AM,1000W/m2)下测量所述光伏电池的光伏性能，并通过向各所述电池施加外部电压并用数字万用表“Keithley 2602A”(3A DC,10A Pulse)测量生成的光电流来获得电流-电压特性，获得以下结果：
-最大功率(Pmax)＝12.0W/m2。
实施例3
草莓栽培
选取并定位两株同等的四季开花SELVA/Thelma and Louise类型的草莓幼苗，一株直接暴露于太阳辐射，另一株通过如实施例1中所述获得的“红色”发光太阳能聚光器(LSC)。
在暴露期(20天)过程中，在中午12点测得的平均太阳辐射证实为700W/m2。在测试的第一天，在中午12点录得1,000W/m2的太阳辐射。在该太阳辐射中，由400nm至700nm的部分定义为光合活性部分(“光合有效辐射”-P.A.R.s)，其等于400W/m2，等同于1840μE/m2/sec。
在这些条件下，直接暴露于阳光的草莓接收1840μE/m2/sec，而位于上述“红色”发光太阳能聚光器(LSC)下的草莓接收681μE/m2/sec。
在暴露期开始时和在20天后测量两株幼苗的光合作用参数。在图1和2中报道了获得的结果，其中，在纵坐标中报道了光合作用产率[“产率”-(％)]，在横坐标中报道了以μE/m2/sec为单位在440nm处发射的紫色光强度[“光强度”-(μE/m2/sec)]。Walz的MULTI-COLOR-PAM“多激发波长叶绿素荧光分析仪”用于这些测量。
如可以从上图1和2中推断出的那样，在使用和不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)的情况下，两株幼苗的光合作用产率(“产率”)的趋势在试验开始和结束时均是重叠的，显示出同样良好的植物状态。
实施例4
制备藻类接种体
使用内部集合Nannochloropsis salina的藻类菌株，其通常生长在海水中。在下文中描述所采用的栽培方法。
将在甘油的10％溶液中的预先保持在-85℃下的Nannochloropsis salina培养物的50毫升样品(具有0.8克/升的干燥藻类生物质浓度)解冻，在室温下放置，并随后施以离心以除去上清液，获得细胞体。
将由此获得的细胞体接种到具有以下尺寸的玻璃光生物反应器(FBR)中：11厘米(底座长度)，5.5厘米(底座宽度)和18.5厘米(高度)，具有等于750毫升的可用体积，表面开放(未消毒)，含有350毫升已经向其中添加营养物质的海水(下文中称为培养基)，获得藻类培养物。
所用的培养基如下：具有等于50mS/cm至55mS/cm的电导率的海水(350毫升)，仅以下列量向其中添加硝酸盐、磷酸盐和铁(III)营养物质：
NaNO3：0.5克/升；
KH2PO4：0.045克/升；
FeCl3：0.006克/升。
用特征为太阳光谱的荧光灯(具有OSRAM Dulux D/E类型,26W/840,“Lumilux冷白光”,温度(T)＝4000K,G24q-3)每天24小时连续从外部照射上述光生物反应器，所述荧光灯以产生等于250μE/m2/sec的在外表面上测得的光强度的距离相对于所述光生物反应器定位。仅在该光生物反应器的一侧上提供光，用配备了标量照度传感器的BiosphericalInstruments Inc.的QSL-2201辐射仪(“量子标量辐射仪”-QSL)测量光合有效辐射[“光合有效辐射”-(P.A.R.s):400nm至700nm]。
所述藻类培养物在等于23℃的恒温下在氮气(N2)中稀释的二氧化碳(CO2)的存在下生长，用恒温槽和浸入式盘管获得所需温度，所述气体通过鼓泡进料到所述反应器中，流量使得pH值保持在6.5-7.5的范围内。
在大约一周后，该藻类培养物达到0.5克/升干藻类生物质的浓度。所述接种体用于随后的栽培试验。
实施例5
使用和不使用发光太阳能聚光器(LSC)的藻类栽培
在750毫升光生物反应器(FBR)中成对进行藻类栽培，与用于实施例4中的接种体培养的那些相同，评估了在应用如实施例1中所述获得的“红色”发光太阳能聚光器(LSC)或如实施例2中所述获得的“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)后被光线照着的生长，相对于在相同生长条件下但不使用发光太阳能聚光器(LSC)获得的参照物。分批进行藻类栽培，由用于制备如实施例4中所述的接种体的相同培养基开始，并接种光生物反应器(FBR)以便初始具有50ppm的藻类生物质。
通过测量光合作用能力来集成生长测量，以便能够更好地表征光对微藻类的植物状态的影响。
以下发光太阳能聚光器(LSC)用于该目的：
“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)，其吸收在光合有效辐射范围内的蓝光(λ<500nm)；
“红色”发光太阳能聚光器(LSC)，其吸收在光合有效辐射范围内的绿光(500nm<λ<600nm)。
进行以下对藻类栽培：
-K141[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]和K140[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：具有在光生物反应器(FBR)表面处测得的250μE/m2/s的相同光强度)(光限制生长的典型值)和等于23℃的温度；在“红色”LSC的情况下，通过用712μE/m2/s的光强度照射该“红”LSC获得在光生物反应器(FBR)表面上测得的250μE/m2/s的光强度；
-K143[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]和K142[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：采用由光源发射的相同光强度，对应于在没有LSC的光生物反应器(FBR)的表面上测得的865μE/m2/s，并对应于在穿过所述“红色”LSC之后在光生物反应器(FBR)的表面上测得的409μE/m2/s(光抑制的典型值)，以及等于23℃的温度；
-K145[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]和K144[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：采用由光源发射的相同光强度，对应于在没有LSC的光生物反应器(FBR)的表面上测得的616μE/m2/s，并对应于在穿过所述“红色”LSC之后在光生物反应器(FBR)的表面上测得的317μE/m2/s(光限制生长的典型值)，以及等于31℃的温度；
-K131[不使用“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)]和K130[使用“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)]：采用在光生物反应器(FBR)的表面上测得的250μE/m2/s的相同光强度(光限制生长的典型值)和等于23℃的温度。
对每对试验监控持续时间为60小时至100小时不等的指数生长阶段，每天一次/两次从各个光生物反应器(FBR)中抽取藻类培养物。
使用Hanna多参数光度计系列83099在610纳米的波长下对每次抽取物进行光密度测量，以便能够追随藻类生物质的生长趋势。
光密度的测量与藻类生物质的浓度测量相关，用藻类生物质干重量的测量值来校准用所述光密度测量获得的信号：因此，由光密度的直接测量值重新计算藻类生物质的浓度。
按照下列方程式(I)，通过随时间插值藻类生物质浓度的测量值来重新计算与各指数生长阶段的光和温度相关的比生长(μ)：
C(t)＝C(t°)*exp(μ*t) (I)
其中：
-C(t)＝抽取时间(t)(以小时为单位表示)处藻类生物质的浓度(g/m3)；
-C(t°)＝在栽培开始时的时间(t°)(以小时为单位表示)处藻类生物质的浓度(g/m3)；
-μ＝比生长(sec-1)
获得以下结果：
-K141[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.020sec-1；
-K140[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.020sec-1；
-K143[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.017sec-1；
-K142[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.019sec-1；
-K145[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.022sec-1；
-K144[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.026sec-1；
-K131[不使用“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)]：μ＝0.020sec-1；
-K130[使用“黄色”发光太阳能聚光器(LSC)]：没有观察到生长。
由上述数据可以推断，在可用于光合作用的光谱中(红+蓝)采用相同的到达光生物反应器(FBR)的光能量，在行为上没有显著的差异。绿光没有效果，即使将其送至培养上，不使用绿光。
光合作用数据
用Heinz Walz GmbH的WATER-PAM荧光计进行荧光测量，并使用Phyto Win的Phyto-Win Rapid Light Curve软件进行分析，加上通过遵循Phyto Win软件方案重新适应黑暗来恢复光合作用产率[产率-(％)]。
该方案设想使用具有最高大约2500μE/m2/sec的渐增强度的光合活性光。各步骤持续10秒，安排了八个步骤，在每个步骤结束时，发送几毫秒的饱和脉冲。
从光生物反应器(FBR)中采取待分析样品并用软化水稀释以使其适于该测量仪器(Water PAM)，这要求在既定范围内的样品的基本荧光。
对于试验K143[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]和K142[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：采用由光源发射的相同光强度，对应于865μE/m2/s，光抑制的典型值，对于不使用发光太阳能聚光器(LSC)的试验，借助Water PAM荧光装置的表征显示非光化学猝灭值(NPQ)的升高趋势：这意味着该培养物更趋向于保护自身免受光抑制和以热的形式安置额外能量，该可用能量不会提高光合作用产率。
对于试验K145[不使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]和K144[使用“红色”发光太阳能聚光器(LSC)]：采用由光源发射的相同光强度，对应于616μE/m2/s，在可用于光合作用的光谱中(红+蓝)采用相同的到达光生物反应器(FBR)的光能量，在行为上没有显著的差异。

Claims (10)

1.用于栽培植物和生产电能的集成方法，包括：
-在包含其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)的栽培区域中栽培所述植物，获得植物与电能；
-回收所述植物；
-回收所述电能；
其中所述栽培区域是温室；且通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能用于上述用于栽培植物的方法中，
其中所述发光太阳能聚光器包含至少一种光致发光化合物，所述光致发光化合物具有在太阳辐射范围内的能够激活光合作用的吸收范围(光合有效辐射——PAR.s：400nm-700nm)，以及能够激活所述光伏电池(或太阳能电池)的发射范围，所述发射范围可与该光伏电池(或太阳能电池)的最大量子效率区域重叠，
其中所述光致发光化合物选自：并苯化合物；苯并噻二唑化合物；用苯并二噻吩基团二取代的苯并杂二唑化合物；用苯并二噻吩基团二取代的萘并杂二唑化合物；用噻吩基团二取代的萘并噻二唑化合物；苝化合物，
其中所述发光太阳能聚光器(LSC)包含用透明材料制成的基质，所述透明材料选自：透明聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚烯丙基二甘醇碳酸酯、聚甲基丙烯酰亚胺、聚碳酸酯醚、苯乙烯-丙烯腈、聚苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物、聚醚砜、聚砜、三乙酸纤维素、或其混合物；透明玻璃如二氧化硅、石英、氧化铝、氧化钛、或其混合物，
其中所述光致发光化合物以每表面单位0.1克至每表面单位5克的量存在于所述发光太阳能聚光器(LSC)中，所述表面单位指的是以m2表示的透明材料基质的表面，
其中所述方法获得植物和电能，而不会不利地干扰植物生长。
2.权利要求1的集成方法，其中通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能用于管理温室。
3.权利要求1的集成方法，其中通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能用于温室的通风或加热。
4.用于栽培藻类和生产电能的集成方法，包括：
-在含水培养基的存在下在包含其中至少一个光伏电池(或太阳能电池)位于其外侧的至少一侧上的至少一个发光太阳能聚光器(LSC)的栽培区域中栽培至少一种藻类，获得藻类生物质的含水悬浮液与电能；
-从所述藻类生物质的含水悬浮液中回收所述藻类生物质；
-回收所述电能；
其中所述栽培区域选自：开放式池塘(OP)、光反应器(FR)、光生物反应器(FBR)或其组合；和
通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能用于上述用于栽培藻类的方法中，
其中所述发光太阳能聚光器包含至少一种光致发光化合物，所述光致发光化合物具有在太阳辐射范围内的能够激活光合作用的吸收范围(光合有效辐射——PAR.s：400nm-700nm)，以及能够激活所述光伏电池(或太阳能电池)的发射范围，
其中所述光致发光化合物选自：并苯化合物；苯并噻二唑化合物；用苯并二噻吩基团二取代的苯并杂二唑化合物；用苯并二噻吩基团二取代的萘并杂二唑化合物；用噻吩基团二取代的萘并噻二唑化合物；苝化合物，
其中所述发光太阳能聚光器(LSC)包含用透明材料制成的基质，所述透明材料选自：透明聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚烯丙基二甘醇碳酸酯、聚甲基丙烯酰亚胺、聚碳酸酯醚、苯乙烯-丙烯腈、聚苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物、聚醚砜、聚砜、三乙酸纤维素、或其混合物；透明玻璃如二氧化硅、石英、氧化铝、氧化钛、或其混合物，
其中所述光致发光化合物以每表面单位0.1克至每表面单位5克的量存在于所述发光太阳能聚光器(LSC)中，所述表面单位指的是以m2表示的透明材料基质的表面，
其中所述方法获得藻类生物质水性悬浮液和电能，而不会不利地干扰植物生长。
5.权利要求4的集成方法，其中通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能用于开放式池塘(OP)、光反应器(FR)、光生物反应器(FBR)。
6.权利要求4的集成方法，其中通过所述发光太阳能聚光器(LSC)回收的电能用于搅拌在生长过程中形成的藻类生物质的悬浮液，用于液体和气体的分布，以及用于微藻类收集、浓缩和化学或热化学地转化为生物燃料前体的设备的运行。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的集成方法，其中在所述栽培区域与太阳光之间插入所述发光太阳能聚光器(LSC)。
8.根据权利要求7所述的集成方法，其中在所述栽培区域与太阳光之间插入所述发光太阳能聚光器(LSC)以完全或部分地覆盖所述栽培区域。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的集成方法，其中所述发光太阳能聚光器(LSC)是所述栽培区域的集成部分。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的集成方法，其中所述发光太阳能聚光器(LSC)至少部分或完全构成所述温室的屋顶或至少部分或完全构成所述温室的墙壁。
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