CN208735488U - 一种基于植物照明发电的家用应急照明系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于植物照明发电的家用应急照明系统。该系统包括微生物燃料电池和外接电路，外接电路包括电荷泵、N型场效应管、P型场效应管和储能电容，微生物燃料电池与电荷泵的电源输入端连接，储能电容的输入端与电荷泵的启动电容器连接端连接，储能电容的输出端与P型场效应管的漏极相连接，P型场效应管的源极与稳压模块的输入端连接，P型场效应管的栅极与N型场效应管的漏极相连接，N型场效应管的栅极与电荷泵的输出端相连接，根据储能电容输入的电压值与电荷泵的内置关断设定值进行比较，控制储能电容的充放电。本实用新型提供的基于植物照明发电的家用应急照明系统，既能减少二氧化碳对环境的影响，又能提供清洁能源用于照明。
Description
技术领域
本实用新型涉及植物发电领域，特别是涉及一种基于植物照明发电的家用应急照明系统。
背景技术
随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，对清洁的再生能源的开发利用，越来越受到各国的高度重视，低噪声、零排放、有效的新能源越来越得到了人们的青睐。目前，能源危机和环境问题愈演愈烈，由于化石燃料的燃烧造成的温室效应以及化石燃料价格的不断攀升，使得人们迫切的希望开发新的高效清洁能源。因此，开发可靠的、可再生的能源，如太阳能和生物质能成了当务之急。
植物在进行光合作用过程中，不但能把水分解为氢和氧，而且还能把氢分解为带正负电荷的粒子，现有技术中，可以利用植物体在光合作用过程中产生的正负电荷的粒子，形成电流并对外发电。但是，植物体在光合作用过程中形成的电流大小与植物体吸收的水量有关，这就需要用户经常检测培养植物体的土壤中的含水量是否合适，其效率较低，掌控土壤中的含水量比较困难。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)技术打破了传统有机废水处理的概念，在处理废弃物、生物质的同时回收电能，是解决能源危机和环境污染问题的最有前景的途径之一。植物微生物燃料电池(PMFC)是将植物引入到 MFC中，利用其根际分泌物作为阳极微生物的″燃料″。2008年，Strik等利用植物微生物燃料电池进行试验，证明了这种方案的可行性，但是目前关于 PMFC的研究还处于起步阶段。在PMFC系统中，植物的作用可以分为两大类，一种是植物摄取周围环境中的物质，比如污水中氮磷等营养物质和重金属等有毒有害物质，起到净化环境的作用，另一方面植物通过发达的根部向环境中输出物质，比如根际分泌物等有机物以及氧气等。
研究人员也验证过植物叶绿素发电的可行性，把以菠菜叶内提取的叶绿素与卵磷脂混合，涂在透明的氧化锡结晶片上，用它正极安置在“透明电池”中，当它被太阳光照射时，就会产生电流研究表明，用叶绿素制造的电池能把太阳能的30％转换成电能。缺陷：不能持久发电。因为用于制造电池的叶绿素与卵磷脂都是以植物中提取出来的有机物，离开植物的存活环境后会分解而失去吸收太阳能的功效。
发明内容
本实用新型提供一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，既能减少二氧化碳对环境的影响，又能提供清洁能源用于照明。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于：包括微生物燃料电池和外接电路，所述微生物燃料电池设置在植物光伏栽培装置内，所述微生物燃料电池与所述外接电路相连接，所述外接电路包括电能收集装置，所述电能收集装置包括电荷泵、N型场效应管、P型场效应管、储能电容和稳压模块，所述微生物燃料电池与所述电荷泵的电源输入端相连接，所述储能电容的输入端与所述电荷泵的启动电容器连接端相连接，所述储能电容的输出端与所述P型场效应管的漏极相连接，所述P型场效应管的源极与所述稳压模块的输入端相连接，所述P型场效应管的栅极与所述N型场效应管的漏极相连接，所述N型场效应管的栅极与所述电荷泵的输出端相连接，根据所述储能电容输入的电压值与所述电荷泵的内置关断设定值进行比较，控制所述场效应管的开或关，从而控制储能电容的充放电。
可选的，所述电荷泵的内置关断设定值为2.2V，当储能电容两端的电压值≥2.2V时，所述电荷泵的输出端为高电平，N型场效应管导通，P型场效应管导通，储能电容开始放电；当储能电容两端的电压值＜2.2V时，所述电荷泵的输出端为低电平，N型场效应管截止，P型场效应管截止，储能电容开始储存电能。
可选的，所述微生物燃料电池包括阳极、阴极和质子交换膜，所述质子交换膜将栽培盒分成阳极反应室和阴极反应室，所述阳极反应室填充有土壤，所述土壤内栽种有植物，所述阳极埋在植物根系处，所述阴极反应室填充有阴极反应溶液，所述阴极反应溶液设置有阴极。
可选的，所述阳极采用的电极为碳基电极，所述阴极反应溶液为液态铁氰化钾溶液。
可选的，所述质子交换膜采用的为全氟硫酸交换膜。
可选的，所述外接电路还包括电能存储装置，所述电能存储装置包括蓄电池，所述蓄电池与所述稳压模块输出端相连接。
可选的，所述外接电路还包括电能使用装置，所述电能使用装置包括照明设备，所述照明设备与所述蓄电池相连接。
可选的，所述电荷泵采用的型号为S-882Z22，所述P型场效应管采用的型号为SI3499DV，N型场效应管采用的型号为SI3460BDV，所述稳压模块采用的型号为L6920DB。
该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
本实用新型提供的一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，所述微生物燃料电池产生的电能通过电荷泵传输给储能电容充电，所述电荷泵的内置关断设定值为2.2V，当储能电容两端的电压值≥2.2V时，所述电荷泵的输出端为高电平，N型场效应管导通，P型场效应管导通，储能电容开始放电；当储能电容两端的电压值＜2.2V时，所述电荷泵的输出端为低电平，N型场效应管截止，P型场效应管截止，储能电容开始储存电能，从而实现储能电容自动循环的充放电，蓄电池隔一段时间充电一次，然后经过稳压模块，电压转换成3.3V或者5V，提供给蓄电池，蓄电池的输出端与照明设备连接，用于应急照明。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例植物发电的家用应急照明系统结构示意图；
图2为本实用新型实施例植物光伏电池产生电能原理图；
图3为本实用新型实施例电池采集电能结构示意图；
图4为本实用新型实施例电能收集电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，既能减少二氧化碳对环境的影响，又能提供清洁能源用于照明。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本实用新型实施例植物发电的家用应急照明系统结构示意图，如图 1所示，一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，包括微生物燃料电池7 和外接电路，所述微生物燃料电池7设置在植物光伏栽培装置内，所述微生物燃料电池7与所述外接电路相连接，所述外接电路包括电能收集装置5、电能存储装置6和电能使用装置12，电能存储装置6外接有电极3，电能存储装置 6通过电极3与电能使用装置12相连接，所述微生物燃料电池7包括阳极、阴极和质子交换膜，所述质子交换膜将栽培盒分成阳极反应室4和阴极反应室2，所述阳极反应室4填充有土壤，所述土壤内栽种有植物1，所述阳极埋在植物根系处，所述阴极反应室2填充有阴极反应溶液，所述阴极反应溶液设置有阴极。所述阳极采用的电极为碳基电极，所述阴极反应溶液为液态铁氰化钾溶液。作为植物光伏电池的阳极材料，必须要导电性能好、孔隙要多、表面积要足够大、比较清洁、便宜、制作简单且较容易放大。微生物新陈代谢生成的电子必须从电极表面的生成处流动才能有电流的产生，电池的输出功率随着电阻的微量增加而极具降低。所以，导电率较高且不容易被腐蚀是作为阳极的必不可少的条件。因为这些必要的条件，大多数金属是不能成为电极材料的。通常在实验室或科研场所里，综合考虑，频繁被使用的阳极材料是碳基电极。诸如碳板、炭颗粒、碳毡、碳纤维等等这样的电极材料特性是非常好的，在全世界范围内都是有很大的来源。阴极是用来提供电子受体的，具有还原性的电子受体与从阳极传导来的电子发生还原反应。一些化学物质只要有还原性都可以作为阴极中的还原物质，电子受体会随着种类的变化而改变，因此电池的产电特性也会随着发生极大的变化。在科学研究中，通常选用液态的铁氰化钾溶液作为阴极的反应溶液。从溶液化学性质上考虑，液态铁氰化钾溶液的过电位并不高，这种特性使得阴极的工作电位与开路电压是比较相似的，基于这种性能的考虑，液态铁氰化钾作为接受电子的阴极溶液是非常理想的。
图2为本实用新型实施例植物光伏电池产生电能原理图，如图2所示，对于植物微生物燃料电池7部分，附着在阳极上的微生物利用阳极反应室4里的有机物进行自身的新陈代谢，有机物被氧化产生电子和质子，游离的电子在溶液中移动到电极上，电子经过外接电子电路传导到电池另一极，而相同量的质子透过质子交换膜从阳极室向阴极室迁移，在阴极处，质子和电子进行还原反应伴随着水的生成。在阳极处，连续氧化有机物质同时在阴极处不断还原含有氧化性的物质，当外电路连接负载时就会获得稳定的能量输出。在阳极反应室 4中，微生物利用阳极液中的有机物进行新陈代谢，过程中会发生氧化反应释放电子，电子传递到阳极上，通过外接回路传输到阴极。在阴极反应室2中溶液里的电子接受体会与电子结合发生还原反应，最终的产物为水，整个过程属于有机物的氧化还原过程。阳极反应室4中的微生物不断利用有机物进行新陈代谢，释放电子，通过外部的回路传输就产生了电能。
在植物光伏电池的阳极和阴极之间会选择使用膜材料。阴阳极两个反应室中有机溶液被膜材料分隔开，只有需要的离子才能通过。与化学燃料电池相相近，在微生物燃料电池中使用较频繁的膜材料是质子交换膜PEM(Proton Exchange Membrane)。所述质子交换膜采用的为全氟硫酸交换膜，质子交换膜PEM可以选择性通过质子，阻止电子通过，完成植物光伏电池内部的传导作用，使电荷平衡。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。质子交换膜 PEM的离子导电率较好，并且比较稳定，非常耐用，也可以存在强酸强碱的溶液中并且柔韧性也好，因此质子交换膜PEM在植物光伏电池中的使用也是比较理想的选择。
图3为本实用新型实施例电能收集结构示意图，如图3所示，对于电能的收集部分，采用基于电荷泵8的电池电能收集。电荷泵8，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容来储能的DC-DC(变换器)。微生物燃料电池7通过电荷泵为储能电容9充电，所述储能电容9为超级电容，当储能电容9电压达到设定阈值时，电荷泵8输出控制信号，使场效应管开关10闭合，储能电容9开始放电，通过稳压模块11变换成负载需要的电压。当储能电容9电压降到设定阈值时，场效应管开关10断开，实现储能电容9自动循环充放电，负载间歇的充电。其中电荷泵8需适合微生物燃料电池7的输入，这也是电路的关键。微生物燃料电池9产生的电能通过电荷泵 8给储能电容9充电，当电容两端电压达到2.2V时，电荷泵8的输出引脚输出为高电平，场效应管开关10打开，储能电容9开始放电，经过稳压模块11 变换，电压转换成3.3V或者5V，提供给电能存储装置6，所述电能存储装置 6包括蓄电池，所述蓄电池与所述稳压模块11输出端相连接。所述蓄电池通过电极3与所述电能使用装置12相连接，所述电能使用装置12包括照明设备或者其它用电设备。
图4为本实用新型实施例电能收集电路原理图，如图4所示，所述电能收集装置包括电荷泵8、N型场效应管、P型场效应管和储能电容9，微生物燃料电池7输出稳定的电能后，连接至电荷泵8，电荷泵8采用的型号为 S-882Z22；S882Z电荷泵8是一种在低电压输入时就能运行的电能采集电路。它采用完全耗尽技术，在输入0.3V和0.5mA时电荷泵就能运行，符合微植物光伏电池的输出要求。储能元件C1是3F的超级电容；开关使用的是P型场效应管和N型场效应管，P型场效应管采用的型号为SI3499DV，N型场效应管采用的型号为SI3460BDV；所述微生物燃料电池与所述电荷泵的电源输入端相连接，所述储能电容的输入端与所述电荷泵8的启动电容器连接端相连接，所述储能电容9的输出端与所述P型场效应管的漏极相连接，所述P型场效应管的源极与所述稳压模块11的输入端相连接，所述稳压模块11的输出端与所述电能储能装置6输入端相连接，所述电能储能装置6的输出端与电能使用装置12相连接。所述P型场效应管的栅极与所述N型场效应管的漏极相连接，所述N型场效应管的栅极与所述电荷泵的输出端相连接，所述N型场效应管的源极与地相连接，根据所述储能电容9输入的电压值与所述电荷泵8 的内置关断设定值进行比较，控制所述场效应管的开或关，从而控制储能电容的充放电。所述电荷泵8的内置关断设定值为2.2V，当储能电容9两端的电压值≥2.2V时，所述电荷泵8的输出端为高电平，N型场效应管导通，P型场效应管导通，储能电容9开始放电；当储能电容两端的电压值＜2.2V时，所述电荷泵的输出端为低电平，N型场效应管截止，P型场效应管截止，储能电容9开始储存电能。储能电容9两端电压达到设定值2.2V时，场效应管开关导通，储能电容9放电经稳压模块11升压成5V输出，所述稳压模块11采用的型号为L6920DB。
本实用新型提供的一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，所述微生物燃料电池产生的电能通过电荷泵传输给储能电容充电，所述电荷泵的内置关断设定值为2.2V，当储能电容两端的电压值≥2.2V时，所述电荷泵的输出端为高电平，N型场效应管导通，P型场效应管导通，储能电容开始放电；当储能电容两端的电压值＜2.2V时，所述电荷泵的输出端为低电平，N型场效应管截止，P型场效应管截止，储能电容开始储存电能，从而实现储能电容自动循环的充放电，蓄电池隔一段时间充电一次，然后经过稳压模块，电压转换成3.3V或者5V，提供给蓄电池，蓄电池的输出端与照明设备连接，用于应急照明。本实用新型提供一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，既能减少二氧化碳对环境的影响，又能提供清洁能源用于照明。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (8)
1.一种基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于：包括微生物燃料电池和外接电路，所述微生物燃料电池设置在植物光伏栽培装置内，所述微生物燃料电池与所述外接电路相连接，所述外接电路包括电能收集装置，所述电能收集装置包括电荷泵、N型场效应管、P型场效应管、储能电容和稳压模块，所述微生物燃料电池与所述电荷泵的电源输入端相连接，所述储能电容的输入端与所述电荷泵的启动电容器连接端相连接，所述储能电容的输出端与所述P型场效应管的漏极相连接，所述P型场效应管的源极与所述稳压模块的输入端相连接，所述P型场效应管的栅极与所述N型场效应管的漏极相连接，所述N型场效应管的栅极与所述电荷泵的输出端相连接，根据所述储能电容输入的电压值与所述电荷泵的内置关断设定值进行比较，控制所述场效应管的开或关，从而控制储能电容的充放电。
2.根据权利要求1所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述电荷泵的内置关断设定值为2.2V，当储能电容两端的电压值≥2.2V时，所述电荷泵的输出端为高电平，N型场效应管导通，P型场效应管导通，储能电容开始放电；当储能电容两端的电压值＜2.2V时，所述电荷泵的输出端为低电平，N型场效应管截止，P型场效应管截止，储能电容开始储存电能。
3.根据权利要求1所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述微生物燃料电池包括阳极、阴极和质子交换膜，所述质子交换膜将栽培盒分成阳极反应室和阴极反应室，所述阳极反应室填充有土壤，所述土壤内栽种有植物，所述阳极埋在植物根系处，所述阴极反应室填充有阴极反应溶液，所述阴极反应溶液设置有阴极。
4.根据权利要求3所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述阳极采用的电极为碳基电极，所述阴极反应溶液为液态铁氰化钾溶液。
5.根据权利要求3所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述质子交换膜采用的为全氟硫酸交换膜。
6.根据权利要求1所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述外接电路还包括电能存储装置，所述电能存储装置包括蓄电池，所述蓄电池与所述稳压模块输出端相连接。
7.根据权利要求6所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述外接电路还包括电能使用装置，所述电能使用装置包括照明设备，所述照明设备与所述蓄电池相连接。
8.根据权利要求1所述的基于植物照明发电的家用应急照明系统，其特征在于，所述电荷泵采用的型号为S-882Z22，所述P型场效应管采用的型号为SI3499DV，N型场效应管采用的型号为SI3460BDV，所述稳压模块采用的型号为L6920DB。
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