CN111565561A - 可持续生长系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，可持续水培生长系统包括：至少一个水培生长单元；藻类生长单元，其配置成产生藻类生物质；生物燃料系统，其配置成处理所述海藻生物质以产生生物乙醇燃料；及固体氧化物燃料电池，其配置成使用所述生物乙醇燃料作为至少一个燃料源以产生供所述至少一个水培生长单元使用的电力。在一个实施例中，所述固体氧化物燃料电池另外配置成产生充当所述至少一个水培生长单元及/或所述藻类生长单元的水源的蒸汽。

Description

可持续生长系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及非土壤生长系统且更具体地说，涉及可持续生长系统和方法。
背景技术
水培生长为一种室内农业类型，其中植物生长于基于水的富含营养物质的溶液中而非土壤中。在典型的水培生长系统中，植物的根部由例如珍珠岩的惰性培养基负载且富含营养物质的溶液通过泵循环到根部。水培生产作物的益处包含对气候(温度、湿度、光/暗循环)的总控制，不需要可耕田地，更快速的作物生长且几乎不需要农药和除草剂。水培生长系统通常还需要比传统农业更少的水和空间。但水培生长系统需要有效量的电以给灯光、泵和气候控制系统提供动力来为生产中的特定作物创建理想的生长环境。在不存在土壤的情况下还必须提供植物生长所需的营养物质。
典型的水培生长系统所需要的大量电力可能花费较大且导致所生产作物的利润减少。减小对传统电力的依赖的一些努力，例如使用现场产生的太阳能可以减少这类花费。但其它减小电力成本的方案可能不适合于水培农业。举例来说，有可能不适合于参与电力设施的需求反应系统的典型水培生长系统，这是因为在高需求时段期间减少能量使用率可以破坏气候控制系统，所述气候控制系统维持最优的温度和湿度条件以用于作物生产。因此，需要更高效节能的水培生长系统。
发明内容
在一个实施例中，可持续水培生长系统包括：至少一个水培生长单元；藻类生长单元，其配置成产生藻类生物质；生物燃料系统，其配置成处理所述藻类生物质以产生生物乙醇燃料；和固体氧化物燃料电池，其配置成使用所述生物乙醇燃料作为至少一个燃料源以产生供所述至少一个水培生长单元使用的电力。在一个实施例中，所述固体氧化物燃料电池另外配置成产生充当所述至少一个水培生长单元及/或所述藻类生长单元的水源的蒸汽。
在一个实施例中，可持续生长方法包括：操作固体氧化物燃料电池以产生电力和水；将所述电力的一部分提供到水培生长单元且将所述水的一部分提供到生物燃料反应器；使藻类生物质生长且将所述藻类生物质提供到所述生物燃料反应器；由所述生物燃料反应器处理所述藻类生物质以产生生物乙醇；和重整所述生物乙醇以产生氢作为所述固体氧化物燃料电池的燃料。在一个实施例中，所述方法进一步包括将所述水的一部分提供到所述水培生长单元及/或用于生长所述藻类生物质的藻类生长单元。
在一个实施例中，可持续水培生长系统包括：至少一个作物生长单元；藻类生长单元，其配置成产生藻类生物质；生物反应器，其配置成处理所述藻类生物质以产生生物乙醇燃料；和固体氧化物燃料电池，其配置成至少处理所述生物乙醇燃料以产生供所述至少一个作物生长单元使用的电力。在一个实施例中，所述固体氧化物燃料电池系统配置成将水输出到所述至少一个作物生长单元、到所述藻类生长单元及/或所述生物反应器。在一个实施例中，所述固体氧化物燃料电池系统包括配置成至少重整所述生物乙醇燃料以产生氢气的重整器和配置成处理所述氢气以产生电力的固体氧化物燃料电池。
附图说明
图1为根据本发明的可持续生长系统的一个实施例的方框图。
图2为根据本发明的图1的可持续生长系统的燃料电池系统的一个实施例的方框图。
图3为根据本发明的图1的可持续生长系统的生物燃料系统的一个实施例的方框图。
图4为根据本发明的图1的可持续生长系统的作物及藻类系统的一个实施例的方框图。
图5为根据本发明的一个实施例的用于持续生长作物的方法步骤的流程图。
具体实施方式
图1为根据本发明的可持续生长系统100的一个实施例的方框图。可持续生长系统100包含(但不限于)生物燃料系统112、燃料电池系统114和作物及藻类系统116。燃料电池系统114接收来自燃料源120的例如天然气或甲烷的燃料、来自水源122的水和来自空气源124的空气。燃料电池系统114通过连接件134输出热空气和二氧化碳、通过连接件136输出热水及/或蒸汽，且通过连接件138将直流电(DC)功率输出到作物及藻类系统116。燃料电池系统114还通过连接件132将蒸汽输出到生物燃料系统112。燃料电池系统114在下文结合图2进一步描述。
生物燃料系统112通过连接件150接收来自作物及藻类系统116的藻类生物质。生物燃料系统112使用来自燃料电池系统114的蒸汽处理藻类生物质以产生通过连接件130输出到燃料电池系统114的生物乙醇。在一个实施例中，由生物燃料系统112产生的生物乙醇补充燃料源120的燃料。在另一实施例中，由生物燃料系统112产生的生物乙醇为用于燃料电池系统114的单一燃料源。生物燃料系统112还产生通过连接件140、142、144输出到作物及藻类系统116的营养物质、水和二氧化碳。生物燃料系统112在下文结合图3进一步描述。作物及藻类系统116接收来自种子及营养物质源126的种子和营养物质。作物及藻类系统116产生输入到生物燃料系统112的藻类生物质且产生一或多种例如水果、蔬菜或药草的作物(未显示)。作物及藻类系统116在下文结合图4进一步描述。
如图1中所示，除了将电能提供到作物及藻类系统116之外，燃料电池系统114将其能量转换处理的包含水和热量的副产物提供到作物及藻类系统116和生物燃料系统112。可持续生长系统100使用通常被认为是燃料电池系统114的废物产物的物质作为作物及藻类系统116和生物燃料系统112的资源。类似地，可持续生长系统100使用生物燃料系统112的副产物(包含例如生物炭和生物油的营养物质、水和二氧化碳)作为作物及藻类系统116的资源。生物燃料系统112提供生物乙醇供应源作为可持续的燃料源以至少部分地给燃料电池系统114产生电力提供动力。在一个实施例中，生物燃料系统112的生物油副产物进一步精炼以提供供燃料电池系统114使用的例如生物柴油的生物燃料。
图2为根据本发明的图1的可持续生长系统100的燃料电池系统114的一个实施例的方框图。燃料电池系统114包含(但不限于)蒸汽重整器210、锅炉212、固体氧化物燃料电池214、热交换器216和混合器218。锅炉212加热来自水源122的水以产生输入到蒸汽重整器210的蒸汽。蒸汽重整器210将例如来自燃料源120的含有甲烷的天然气及/或来自生物燃料系统112的生物乙醇的燃料蒸汽重整以产生氢气。在一个实施例中，由生物燃料系统112产生的生物乙醇补充燃料源120的燃料。在另一实施例中，由生物燃料系统112产生的生物乙醇为输入到蒸汽重整器210的单一燃料源。固体氧化物燃料电池214接收来自蒸汽重整器210的氢气且接收来自空气源124的含氧空气。固体氧化物燃料电池214通过电化学地合并氢气燃料与含氧空气来将氢气转化成电能和热量。在固体氧化物燃料电池214中，氧化物离子与氢合并以形成蒸汽和二氧化碳，从而释放提供输出到连接件138的DC电力的电子。固体氧化物燃料电池214通过连接件132将蒸汽输出到生物燃料系统112，且将蒸汽和二氧化碳输出到热交换器216。固体氧化物燃料电池214还将热空气输出到混合器218。在一个实施例中，固体氧化物燃料电池214为额定功率为约500W的管状燃料电池；然而，其它类型的固体氧化物燃料电池(例如平面燃料电池)和其它类型的燃料电池(例如质子交换膜(PEM)电池)在本发明的范围内。
热交换器216接收来自水源122的水且利用来自固体氧化物燃料电池214的蒸汽将所述水加热到优选地约30-35℃范围内的温度。热交换器216通过连接件136将热水输出到作物及藻类系统116。热交换器216还将二氧化碳输出到混合器218，所述混合器218将二氧化碳与来自固体氧化物燃料电池214的空气混合。混合器218通过连接件134将空气与二氧化碳的混合物输出到作物及藻类系统116。在一个实施例中，燃料电池系统114不包含热交换器216或混合器218，且固体氧化物燃料电池214产生的空气、二氧化碳和蒸汽直接输出到作物及藻类系统116。
图3为根据本发明的图1的可持续生长系统100的生物燃料系统112的一个实施例的方框图。生物燃料系统112包含(但不限于)液化器310、混合器314、生物反应器318和蒸馏器320。来自作物及藻类系统116的藻类生物质被输入到液化器310，所述液化器使用来自水源312的水将藻类生物质液化。经液化藻类生物质输入到混合器314，所述混合器将经液化藻类生物质与来自酵母菌及葡萄糖/纤维素源316的酵母菌及葡萄糖及/或纤维素混合。混合器314将藻类-酵母菌-葡萄糖/纤维素混合物输出到生物反应器318。生物反应器318随后分解藻类-酵母菌-葡萄糖/纤维素混合物以释放其碳水化合物。生物反应器318使经分解藻类-酵母菌-葡萄糖/纤维素混合物发酵以产生输出到蒸馏器320的燃料液体。发酵过程将藻类及葡萄糖/纤维素中的碳水化合物(糖)转化成乙基醇(乙醇)。生物反应器218在高温下运行，其引起内部增压以加速反应器过程。蒸馏器320使用蒸馏方法将生物乙醇与燃料液体分隔开且将生物乙醇输出到燃料电池系统114。
来自生物反应器318的发酵过程的副产物被输出到作物及藻类系统116。生物反应器318将包含营养物质、二氧化碳和水的副产物与输出到蒸馏器320的燃料液体分隔开。例如生物炭(黑碳)的营养物质通过连接件140输出到作物及藻类系统。生物反应器318通过连接件142将二氧化碳且通过连接件144将水输出到作物及藻类系统116。
图4为根据本发明的图1的可持续生长系统100的作物及藻类系统116的一个实施例的方框图。作物及藻类系统116包含(但不限于)至少一个水培生长单元410、藻类生长单元412、水培营养物供应源414和电力及控制系统416。水培生长单元410产生一或多种例如蔬菜、水果或药草的作物。在一个实施例中，作物及藻类系统116包含多个水培生长单元410。水培生长单元410配置成使植物生长于基于水的富含营养物质的溶液中，在所述基于水的富含营养物质的溶液中，植物的根系统不由土壤支撑。任何类型的水培系统(例如深水培养系统、营养物质膜技术系统、气培法系统、潮汐灌溉系统(ebb and flow system)、芯吸系统、滴液系统或这些系统的组合)在本发明的范围内。水培生长单元410将来自水培营养物供应源414的营养物质与来自燃料电池系统114及生物燃料系统112的水混合以产生供生产中的作物使用的营养物溶液。水培营养物供应源414接收来自种子及营养物源126和来自生物燃料系统112的营养物质。水培生长单元410包含用于照明、营养物溶液循环、气候控制及监测生长条件的系统。
藻类生长单元412可以实施为用于生长藻类的任何适当的系统，例如露天池塘或封闭回路系统。藻类生长单元412接收来自燃料电池系统114及/或生物燃料系统112的水、空气和二氧化碳。生长任何具有高碳水化合物含量的藻类品系是在本发明的范围内。在一个实施例中，藻类生长单元412还包含用于自原始藻类提取油以产生输出到生物燃料系统112的干式藻类生物质的压榨机或其它机构(未展示)。
电力及控制系统416接收来自燃料电池系统114的DC电力且将电力及控制信号提供到用于藻类生长单元412和水培生长单元410的所有电力系统，包含(但不限于)照明、泵和气候系统。举例来说，电力及控制系统416为控制水培生长单元410中的温度和空气及二氧化碳循环的风扇(未展示)提供电力。电力及控制系统416还将电力及控制信号提供到泵(未展示)，所述泵将营养物溶液提供到正在水培生长单元410中生产的作物。
图5为根据本发明的一个实施例的用于持续生长作物的方法步骤的流程图。在步骤510中，操作燃料电池系统以产生电。在步骤512中，将由燃料电池系统产生的电提供到作物及藻类系统，且另外将由燃料电池系统产生的空气、二氧化碳和蒸汽作为副产物提供到作物及藻类系统。在步骤514中，将由燃料电池系统产生的蒸汽提供到生物燃料系统的生物反应器。在步骤516中，利用作物及藻类系统生长作物且产生藻类生物质。在一个实施例中，作物及藻类系统为包含藻类生长单元的水培生长系统。在步骤518中，将由作物及藻类系统产生的藻类生物质提供到生物燃料系统作为用于产生生物乙醇的原料。在步骤520中，生物燃料系统处理藻类生物质以产生生物乙醇及藻类副产物，例如生物炭、生物油、水和二氧化碳。在步骤522中，将生物乙醇提供到燃料电池系统作为其它燃料的补充及/或替换，例如甲烷，且将藻类副产物提供到作物及藻类系统。所述方法随后返回到燃料电池系统产生电的步骤510，所述电至少部分地由生物燃料系统产生的生物乙醇供应燃料。
上文已参考特定实例实施例描述本发明。然而，显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，应在说明性意义上而非限制性意义上看待前述说明书和图式。

Claims (20)

1.一种水培生长系统，其包括：
至少一个水培生长单元；
藻类生长单元，其配置成产生藻类生物质；
生物燃料系统，其配置成处理所述藻类生物质以产生生物乙醇燃料；和
固体氧化物燃料电池，其配置成使用所述生物乙醇燃料作为至少一个燃料源以产生供所述至少一个水培生长单元使用的电力。
2.根据权利要求1所述的水培生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池另外配置成产生充当所述至少一个水培生长单元的水源的蒸汽。
3.根据权利要求1所述的水培生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池另外配置成产生充当所述藻类生长单元的水源的蒸汽。
4.根据权利要求1所述的水培生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池另外配置成产生供所述生物燃料系统使用以处理所述藻类生物质的蒸汽。
5.根据权利要求1所述的水培生长系统，其中所述生物燃料系统配置成将生物反应器的副产物输出到所述至少一个水培生长单元。
6.根据权利要求5所述的水培生长系统，其中所述生物反应器的所述副产物包含营养物质、水和二氧化碳中的一者或多者。
7.一种方法，其包括：
操作固体氧化物燃料电池以产生电力和水；
将所述电力的一部分提供到水培生长单元且将所述水的一部分提供到生物燃料反应器；
使藻类生物质生长且将所述藻类生物质提供到所述生物燃料反应器；
利用所述生物燃料反应器处理所述藻类生物质以产生生物乙醇；和
重整所述生物乙醇以产生氢作为所述固体氧化物燃料电池的燃料。
8.根据权利要求7所述的方法，其另外包括将所述水的一部分提供到所述水培生长单元。
9.根据权利要求7所述的方法，其另外包括将所述水的一部分提供到藻类生长单元以供所述藻类生物质生长。
10.根据权利要求7所述的方法，其另外包括在由所述生物燃料反应器处理之前将所述藻类生物质与葡萄糖或纤维素混合。
11.根据权利要求7所述的方法，其另外包括将所述电力的一部分提供到藻类生长单元以供所述藻类生物质生长。
12.根据权利要求7所述的方法，其另外包括将所述生物反应器的副产物提供到所述水培生长单元。
13.一种生长系统，其包括：
至少一个作物生长单元；
藻类生长单元，其配置成产生藻类生物质；
生物反应器，其配置成处理所述藻类生物质以产生生物乙醇燃料；和
固体氧化物燃料电池系统，其配置成至少处理所述生物乙醇燃料以产生供所述至少一个作物生长单元使用的电力。
14.根据权利要求13所述的生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池系统另外配置成产生供所述藻类生长单元使用的电力。
15.根据权利要求13所述的生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池系统配置成将水输出到所述至少一个作物生长单元。
16.根据权利要求13所述的生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池系统配置成将水输出到所述藻类生长单元。
17.根据权利要求13所述的生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池系统配置成将水输出到所述生物反应器。
18.根据权利要求13所述的生长系统，其中所述生物反应器另外配置成将发酵过程的副产物提供到所述至少一个作物生长单元。
19.根据权利要求18所述的生长系统，其中所述发酵过程的所述副产物包含营养物质、水和二氧化碳中的一者或多者。
20.根据权利要求13所述的生长系统，其中所述固体氧化物燃料电池系统包括配置成至少重整所述生物乙醇燃料以产生氢气的重整器和配置成处理所述氢气以产生电力的固体氧化物燃料电池。
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