TW201306359A - 結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其包括自動控制模組、環境調節設備及供電單元。自動控制模組具有供使用者設定溫度、濕度及光照度設定值的操作界面。環境調節設備受自動控制模組的控制，而依據溫度、濕度及光照度設定值進行運轉。供電單元包括微生物燃料電池組、太陽能光電模組，及用以將電能轉換為供應所需電源形式的電能轉換供應模組。

Description

結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統

本發明係有關於一種結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，尤指一種透過綠色電能的供應下，以對設施結構體內之作物或是菌類進行溫度、溼度及光照度進行調節，俾能營造為有利於作物栽種或菌類培養的環境者。

由於1970~1980年代出現石油能源危機，使得生物燃料電池再次受到重視，於1966年，Williams(1966)以稻米外殼作為生物燃料電池的燃料，可以產生40mA、6 V的電力，這是由於稻米外殼為木質纖維素的潛能來源，因此經由發酵可產生很多有用的酵素與生物燃料(如乙醇)，所以能應用於生物燃料電池。1986年，Karube等人(1986)以Anabaena為生物燃料電池的菌種來源，並使用磷酸做電解液，可以產生約300 mA的電流。至於Bennetto團隊，所研究的連續流式生物燃料電池，已經使用不同微生物及載具系統，開發及實驗展示改良的生物燃料電池，並發現載具可以提高電子轉移的效率以及反應的速率(Bennetto et al.,1981；Thurston et al.,1985；Allen and Bennetto,1993)。

直到最近，Chaudhuri and Lovely(2003)研究指出，R. ferrireducens菌種能在Fe³⁺環境下，不需載具就可由葡萄糖的氧化反應來獲得電子，效率更高達83%。對於微生物燃料電池的發展，開展了一個新的契機。具體而言，微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFCs)是藉由微生物的催化反應，將化學能轉換為電能的組件。微生物燃料電池是由陽極和陰極，以及一片質子交換膜所構成，微生物於陽極分解氧化燃料，並同時產生電子和質子，電子可經由外部電路到達陰極，而質子則通過質子交換膜到陰極，在陰極會消耗電子和質子與氧結合產生水，如第三圖所示。

至於光合菌製氫的研究方面，1974年貝內曼觀察到柱孢魚腥藻(Anabaenacylndrica異形胞種類)，可以吸收光能後裂解水，產生氫氣和氧氣；另外，伽夫羅也發現了珊藻(Scenedesmus)也有能力進行光裂解水產生氫氣。所知的光合細菌具有產氫速率快、底物利用充分、能將產氫與太陽能利用、有機廢棄物的處理相結合等諸多的優點；惟，光合細菌利用有機廢棄物進行細胞新陳代謝的產氫過程屬於放熱回應，會造成產氫系統熱量累積，進而影響菌體的產氫效率，而且光合細菌產氫系統熱量的累積還會使光合反應槽產生溫度應力變形，從而大大降低光合反應槽的技術開發意願，因此，光合菌製氫的技術層面仍有迫切需要改善之處。

另一方面，一般的植物工廠是一種高精密環境控制溫室的延伸，在乾燥地區可以使用風機水霧法(Mist and Fan)，或是風機濕簾法(Pad and Fan)等冷卻成本低廉的蒸發冷卻設備，但在高溫高濕的台灣，多種降溫方法的併用為必要的手段。一般而言，控制環境因子諸如包括加溫、降溫、補光、二氧化碳濃度、施肥等，惟，控制環境因子愈多則設施的成本相對愈高。當暗期過長而影響作物的生長發育時，應對作物進行人工光週期補光(如冬天或是陰雨天候)，補光時間及光照強度必須考量植物種類、天氣狀況等地理條件。且為抑制短日照而影響作物的生長，一般傳統的做法是在早晚補光4小時，使暗期短於7小時。光照環境的調節則是根據作物的種類及生育階段而調節光照條件，藉以創造較佳化的光照環境，以提高作物的光合效率。

此外，光合遮陽主要目的是降溫與減弱光照的強度，依據目前所知，傳統的遮陽方法多是採用黑紗網、無紡布或綴鋁遮陽網進行內遮陽或外遮陽，或是於玻璃溫室玻璃表面上覆設一層白灰，或是對玻璃表面進行噴水，藉以達到遮陽與降溫的效果，惟，其不具自動控制光遮功能，故必須以人力方式操作，因而增加人力成本的支出。

再者，由上述傳統技術及文獻中得知，尚未發現揭示有可以整合自然資源、微生物產氫技述以及光電技術以達到節能減碳功效之電力供應技術的文獻或是專利被提出，因此，本發明整體技術特徵內容確實具備新穎性與進步性。

本發明第一要目的，在於提供一種結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，主要是減緩能源日益短缺，以及解決氫氣獲得不易與成本過高等難題，不僅可以結合自然資源、生物產氫及光電轉換技術以達到綠色能源節能減碳的電力供應目的，而且不受環境的限制，不僅在自然光源的條件下即可產生源源不絕的電能，而且可將生物燃料電池反應產生的水予以回收再利用，並可與設施結構體做一完美結合，藉以營造出有利於作物栽種、菌類培養，甚至是適合人類居住的環境空間。

本發明達成上述功效採用之技術手段，係對一設施結構體內的溫度、溼度及光照度進行調節，設施結構體具有可供作物栽種或是菌類培養的環境空間，生物輔生系統則包括自動控制模組、環境調節設備及供電單元，自動控制模組包含一供使用者設定包括溫度、濕度及光照度設定值的操作界面，環境調節設備則可受自動控制模組的控制而依據溫度、濕度及光照度設定值進行運轉，使環境空間可被營造為有利於作物栽種或菌類培養的環境，供電單元則包括一可受光照作用而產生氫氣並與氧氣結合而產生第一電能的微生物燃料電池組、一可受光照作用而產生第二電能的太陽能光電模組，及一用以將第一電能及第二電能轉換為供應所需電源形式的電能轉換供應模組。

本發明第二目的，在於提供一種可依據作物或菌類生長特性而控制設施結構體之光穿透率的生物輔生系統，故可在光照充足時，透過遮覆調變技術使設施結構體之透明光罩為完全透光、部分透光或是完全不透光，並可在光照不足時，以人工光源進行補光。

本發明達成上述功效採用之技術手段係以一光穿透調變裝置來實現，其是包含有一固定於該設施結構體頂部一端的馬達、一用以遮覆該透明光罩的遮廉、一捲筒及一渦捲彈簧，該捲筒穿軸樞設於該設施結構體頂部的另端，該渦捲彈簧一端固定於該軸，另端則固定於該捲筒上，該遮廉一端固定在該捲筒上，另端則與該馬達連接，當該馬達受該自動控制模組的控制而以一方向轉動而拉出該遮廉時，該遮廉則拉動該捲筒旋轉，進而拉緊該渦捲彈簧而產生一回捲彈力，當該馬達受該自動控制模組的控制而以另一方向轉動時，可藉回捲彈力而使該捲筒回轉並捲收該遮廉，該遮廉具有複數連續相連且具不同程度之透光率的遮覆面，藉由捲動不同透光率之遮覆面來遮覆該透明光罩，使該該環境空間內的光照度維持在該光照度預設值得範圍內；光源燈組是以一架設手段架設在環境空間以及微生物燃料電池組的上方，光源燈組的具體實施例則包含複數個發光二極體(RGB LED)，可依據該自動控制模組的控制而發出特定光度以及特定色溫的光源。

壹．本發明的技術概念與特點

請參看第一至三圖及第九圖所示，本明主要技術概念是由自然光中收取光能量，一方面供給光能微生物，另一方面藉由太陽能光電模組將光能轉換為電能，光能微生物則經由能量與養分的供給後自然產生氫氣，而氫氣成為燃料電池的能源，進而將化學能轉換為另一電能，藉以輸出二種環保綠色的電能；又，本發明所欲解決的課題，在於減緩能源日益短缺，以及解決氫氣獲得不易與成本過高等難題。

本發明可與設施結構體做一完美結合，如第一至三圖所示，將需要較多光照的作物及生物燃料電池擺置在最上層的頂樓，並將僅需少量光源的菌類(如菇類)擺置在樓下，如此即可營造出有利於作物栽種或是菌類培養環境空間；另一方面，為提供人類居住的環境空間目的，甚至可將設施結構體建置成三個樓層，將一樓營造為適合人類居住的環境空間，二、三樓則如上述方式擺置，如此不僅可以結合自然資源、生物產氫及光電轉換技術以達到綠色能源之節能減碳效果，而且不受環境的限制，不僅在自然光源的條件下即可產生源源不絕的電能，而且可將生物燃料電池反應產生的水予以回收再利用，因此，即使在荒漠中也能經由本發明的運作而栽種作物或是培養菌類，同時亦能提供人類居住的環境空間。

貳．本發明基本實施例

請參看第一至三圖所示，基於上述功效目的，本發明發基本實施例係對一設施結構體(1)內的溫度、溼度及光照度進行調節，且設施結構體(1)具有可供作物栽種或是菌類培養的環境空間；另，本發明生物輔生系統係包括一自動控制模組(10)、一環境調節設備(20)及一供電單元(30)，自動控制模組(10)則包含一供使用者設定包括溫度、濕度、供水量及光照度等設定值的操作界面；至於環境調節設備(20)則可受自動控制模組(10)的控制而依據溫度、濕度及光照度等設定值進行運轉，進而使上述之環境空間可被營造為有利於作物栽種或菌類培養的環境；又，供電單元(30)係包括一可受光照作用而產生氫氣並與氧氣結合而產生第一電能的微生物燃料電池組(30a)、一可受光照作用而產生第二電能的太陽能光電模組(36)，及一用以將第一電能及第二電能轉換為供應所需電源形式的電能轉換模組(37)，具體的連結示意如六、七圖所示。

參．本發明技術特徵的具體實施例 3.1環境調節設備

請參看第一至三圖所示，本發明設施結構體(1)係指頂部具有透明光罩(230)的一般居家住宅、作物栽培設施、菌類栽培室或是植物工廠而言。且為提升微生物燃料電池組(30a)的光照產氫效能，故微生物燃料電池組(30a)係設於上述設施結構體(1)之環境空間內而可受光照的位置上。具體而言，請參看第八圖所示，本發明環境調節設備(20)的具體實施例係包括一水份供給裝置(21)、一空調裝置(22)及一光照調節機構(23)等技術元件，且上述水份供給裝置(21)可受自動控制模組(10)的控制而依據濕度設定值或是供水量設定值所設定的水量供給作物或是菌類；至於空調裝置(22)可受自動控制模組(10)的控制而使環境空間內的溫度調節在溫度設定值的範圍內；另一方面，光照調節機構(23)則可受自動控制模組(10)的控制而使環境空間內的光照度調節在光照度設定值的範圍內。

整體而言，水份供給裝置(21)可以是由泵浦、供水管路及灑水器組成或是造霧器或是加溼器；而空調裝置(22)可以是冷暖氣設備、熱泵裝置或是循環風扇的其中一種；另，光照調節機構(23)則是一種包括一透明光罩(230)、一光穿透調變裝置(231)及至少一光源燈組(232)。又，上述透明光罩(230)是設置於設施結構體(1)頂部對應環境空間及微生物燃料電池組(10a)的位置，使作物或是菌類可以獲得充分的光照，如第一至三圖所示；至於光穿透調變裝置(231)則是包含有一固定於設施結構體(1)頂部一端的馬達(233)、一用以遮覆透明光罩(230)的遮廉(234)、一捲筒(235)及一渦捲彈簧(236)，捲筒(235)穿軸(237)樞設於設施結構體(1)頂部的另端，渦捲彈簧(236)一端固定於該軸(237)，另端則固定於捲筒(235)上，遮廉(234)一端固定在捲筒(235)上，另端則與馬達(233)之轉軸連接，當馬達(233)受自動控制模組(10)的控制而以一方向轉動而拉出遮廉(234)時，遮廉(234)則拉動捲筒(235)旋轉，進而拉緊渦捲彈簧(236)而產生一回捲彈力；反之當馬達(233)受自動控制模組(10)的控制而以另一方向轉動時，可藉回捲彈力而使捲筒(235)回轉並捲收遮廉(234)，且遮廉(234)具有複數連續相連且具不同程度之透光率的遮覆面(234a)，藉由捲動不同透光率之遮覆面(234a)來遮覆透明光罩(230)，使環境空間內的光照度維持在該光照度預設值的範圍內，如第四、五圖所示。

於一種更為具體的實施例中，上述遮覆面(234a)包含一完全透光的第一遮覆面(如第四圖所示)、一部分透光的第二遮覆面、一不透光的第三遮覆面(如第五圖所示)，及至少一僅供特定色溫光波穿透的第四遮覆面，且馬達(233)是一種步進馬達，可由順向或逆向轉動格數來推算，讓微處理器獲悉遮覆透明光罩(230)的是何種遮覆面，且微處理器內建有驅動各種遮覆面的轉動格數值的程式碼，而可依據光照預設值而控制步進馬達轉動格數，如此即可控制相應的遮覆面(234a)遮覆透明光罩(230)，以達到調整日光穿透之光照度目的。

此外，請參看第一至三圖所示，值得注意的是，水份供給裝置(21)、光穿透調變裝置(231)及光源燈組(232)是以一種架設手段(40)架設在環境空間的上方，此架設手段(40)的具體實施例可以是一種具鏤空部的棚架，藉以達到作物或是菌類的供水、調節日光穿透率、補光或是調整色溫等諸多目的。且上述光源燈組(232)的具體實施例係包含複數個發光二極體(RGB LED)，可依據該自動控制模組(10)的控制而發出特定光強度或是特定色溫的光源，當光照不足時，則以發光二極體(RGB LED)之人工光源進行補光，至於光源之強弱控制可以脈波寬度調變技術(PWM)加以實現；當作物需要特定色溫的光波時，則可透過RGB三色發光混合比例來加以實現，例如需要紅色光源時，僅需將R發光二極體(RGB LED)之R腳位增加導通時間，同時減少其他如G、B腳位的導通時間，如此即可調節環境空間的色溫。

3.2自動控制模組

請參看第八圖所示，本發明自動控制模組(10)主要是控制環境調節設備(20)的運轉，其包含一用以感測環境空間之溼度狀態的溼度感測器(11)、一用以感測該環境空間之溫度狀態的溫度感測器(12)、一用以感測該環境空間之光照度的光照度感測器(13)、一微處理器(14)及至少一驅動電路(15)，當溼度狀態低於溼度預設值時，微處理器(14)則觸發驅動電路(15)以啟動水份供給裝置(21)，以供給作物或菌類所需的水份及溼度，當溫度狀態低於溫度預設值時，微處理器(14)則觸發驅動電路(15)以啟動空調裝置(22)，使環境空間溫度維持在溫度預設值的範圍內，當光照度低於光照度預設值時，微處理器(14)則觸發驅動電路(15)使光照調節裝置(23)調節環境空間維持在該光照度預設值的範圍內。

3.3供電單元

請參看第六、七圖所示，本發明供電單元(30)除包含微生物燃料電池組(30a)、太陽能光電模組(36)及電能轉換模組(37)之外，更包含至少一可接受第二電能充電的二次電池(360)，及一用以感測日光照度的光控開關電路(361)，當日光照度高於一預設值時，光控開關電路(361)則驅使二次電池(360)對電能轉換模組(37)輸出第二電能，當日光照度低於預設值時，光控開關電路(361)則驅使微生物燃料電池組(30a)對電能轉換模組(37)輸出第一電能。具體而言，如第七圖所示，電能轉換模組(37)的具體實施例更包含一直-直流轉換器(370)、一直-交流轉換器(371)、一電力感測單元(372)及一切換電路(373)，透過直-直流轉換器(370)可將第一電能或是第二電能能轉換成自動控制模組(10)或是環境調節設備(20)所需形式的直流電；至於直-交流轉換器(371)則是將直流電轉換成環境調節設備(20)所需形式的交流電；另，電力感測單元(372)則是用來感測直流電或是交流電的電力狀態，如七第圖所示，係感測二次電池(360)的電力輸出狀態；又，當電力狀態高於一電力預設值時，切換電路(373)則受自動控制模組(10)的控制而驅使電能轉換模組(37)供電；反之當電力狀態低於電力預設值時，切換電路(373)則受自動控制模組(10)的控制而選擇以市電交流系統(AC)(即台電之供電網路)供電。

3.3.1微生物燃料電池組

請參看第六、七圖及第九圖所示，本發明微生物燃料電池組主要是受光照作用而產生氫氣，並與空氣中的氧氣結合而產生第一電能，同時產生可以回收再利用的水。基於前述目的功效，微生物燃料電池組的具體實施例係包含一微生物產氫模組(31)，及一燃料電池組(34)，微生物產氫模組(31)包含一反應槽(32)及一氫氣採集組件(33)，該反應槽(32)可供置入包括至少一光合菌，及至少一為該光合菌所需的生長碳源，而可藉由光照作用產生氫氣，該氫氣採集組件用以將該微生物產氫單元產生之該氫氣予以採集儲存，至於燃料電池組(34)則可接受氫氣採集組件(33)的氫氣供應而與空氣中的氧氣結合，進而產生上述第一電能。

再請參看第九圖所示，上述之氫氣採集組件(33)的具體實施例又包含一第一軟管(330)、一第二軟管(331)、一裝填有水溶液的容槽(332)及一套管(333)，此套管(333)一端具有一開口(334)，另端則具有一出氣孔(335)，第一軟管(330)一端連接反應槽(33)，另端自套管(333)之開口(134)伸入而位於水溶液中，而可利用排水集氣法將氫氣收集在套管(133)的另端，第二軟管(331)一端與出氣孔(335)連接，另端則與燃料電池組(34)的氫氣入口連接。

肆．本發明實驗例的施作

本發明採用有機酸類物質作為光合菌的生長碳源，而可配合光照作用將有機酸進一步地分解產生氫氣，此類有機酸類物質的具體實施例可以是酪酸鹽(butyrate)或是醋酸鹽(acetate)。此外，本發明採用之光合菌則為球形紅假單胞菌(Rhodobacter sphaeroides)或是莢膜紅細菌(Rhodobacter capsulatus)，其產氫原理為，以球形紅假單胞菌(Rhodobacter sphaeroides)為例，其細胞質內具備一種光吸收錯化物(light-harvesting complexes)與光吸收色素(light-harvesting pigment)相輔的反應機制，當光吸收色素接收到光源時可迅速將能量傳遞至反應中心(reaction center)並刺激其反應，此類反應大多伴隨NADH/NAD+的能量轉移因而在代謝碳源的同時產生氫氣。

光合菌的光合作用所需的波長範圍約在400~700nm之間，由於光合菌可將有機酸類做進一步的代謝產生氫氣，所以除可收集產生的氫氣作為能源外，並可一併降低廢水中的有機酸類。在一般的情況下，氫氣的產量約在100~400 mL/day/L之間。光合菌於初始溫度攝氏27℃產氫時，熱量累積使產氫量可以增加304 mL，當初始溫度大於攝氏30℃時，熱量累積反而不利於光合菌產氫，當初始溫度為攝氏30與攝氏33℃時，光合菌熱量累積使產氫量分別減少了152mL、120 mL；此外，當光照強度在500Lx～3000Lx範圍時，所有累積熱量都有助於產氫量的增加；換言之，光照強度越大，光合菌的生長代謝愈迅速，累積熱量愈多，當光合菌接種比例在5%～50%時，其累積熱量有助於產氫量的增加，其中光合菌接種比例在5%、10%和20%接種的產氫量分別增加43 mL、89 mL及103 mL，至於光合菌接種比例在50%時，產氫量僅增加30 mL左右。

本發明於氫氣採集施作時，首先將消毒過的第一容器裝入400重量份的水、2.5重量份的大豆蛋白腖(Soytone)、2.5重量份的氯化鈉(NaCl)以及7.5重量份的胰化腖(Tryptone)，並利用一加熱攪拌器進行攪拌，攪拌均勻後則進行酸鹼值(PH)的檢測，當酸鹼值(PH)無法達到7.3時，則加入調和液進行調和，直至酸鹼值(PH)達到7.3為止；再於第一容器裝入100重量份的水，以製備出溶液，再由第一容器取出300重量份的溶液與4.5重量份的洋菜(Agar)裝入一第二容器中，同時進行加熱攪拌；並將剩餘之200重量份的溶液以同等份量分別置入於一第三容器及一第四容器，以製備為液態培養基；再將第二容器、第三容器及第四容器一起放入一高溫高壓器中進行高溫高壓滅菌約一小時；於滅菌待冷卻後，再將第二容器溶液分裝一培養皿中，當培養皿中的溶液凝固後，即可製備成為一固態培養基。

另一方面，將適量的光合菌置於固態培養基中，並以數天的日曬進行培養，同時將反應槽(33)消毒後裝入液態培養基中，再將固態培養基中的光合菌株與液態培養基予以混合，再以數天的日曬進行培養，經光照作用後，如此即可於反應槽(33)內產出適量的氫氣，再透過氫氣採集組件(33)將氫氣輸送至燃料電池組(34)內而與氧氣結合；進一步來說，燃料電池組(34)包括一氫氣入口(340)、一氧氣入口(341)及一電解質(342)，其運作原理是將氫氣經由氫氣採集組件(33)送達陽極，並在陽極發生氫原子解離成一個質子(即帶正電之氫離子)與一個電子的反應，至於帶負電的電子在電動勢的驅使下流向陽極(-)，遂形成供電迴路產生可作功的直流電流，質子則經由電解質(342)流向陰極(+)，如此即可產生可供利用的第一電能。

伍．結論

因此，藉由上述技術特徵的設置，本發明確實具有下列的特點：

1.本發明可以解決能源日益短缺以及氫氣獲得不易與成本過高的難題，不僅可以結合自然資源、生物產氫及光電轉換技術以達到綠色能源之節能減碳效果，而且不受環境的限制，不僅在自然光源的條件下即可產生源源不絕的電能，而且可將生物燃料電池反應產生的水予以回收再利用。

2.本發明可由自然光中收取光能量，一方面供給光能微生物，另一方面藉由太陽能光電模組將光能轉換為電能，光能微生物則經由能量與養分的供給後自然產生氫氣，而氫氣成為燃料電池組的能源，故此將化學能轉換為另一電能，藉以輸出二種可供應用的電能。

3.本發明可與設施結構體做一完美結合，藉以營造出有利於作物栽種、菌類培養或是適合人類居住的環境空間，並可依據作物或菌類生長特性而控制設施結構體之光穿透率，故而可在光照充足時，透過遮覆調變技術使設施結構體之透明光罩為完全透光、部分透光或是完全不透光，並可在光照不足時，以人工光源進行補光。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

(1)．．．設施結構體

(10)．．．自動控制模組

(11)．．．溼度感測器

(12)．．．溫度感測器

(13)．．．光照度感測器

(14)．．．微處理器

(15)．．．驅動電路

(20)．．．環境調節設備

(21)．．．水份供給裝置

(22)．．．空調裝置

(23)．．．光照調節機構

(230)．．．透明光罩

(231)．．．光穿透調變裝置

(232)．．．光源燈組

(233)．．．馬達

(234)．．．遮廉

(234a)．．．遮覆面

(235)．．．捲筒

(236)．．．彈簧

(237)．．．軸

(30)．．．供電單元

(30a)．．．微生物燃料電池組

(31)．．．微生物產氫模組

(32)．．．反應槽

(33)．．．氫氣採集組件

(330)．．．第一軟管

(331)．．．第二軟管

(332)．．．容槽

(333)．．．套管

(334)．．．開口

(335)．．．出氣孔

(34)．．．燃料電池組

(340)．．．氫氣入口

(341)．．．氧氣入口

(342)．．．電解質

(36)．．．太陽能光電模組

(360)．．．二次電池

(361)．．．光控開關電路

(370)．．．直-直流轉換器

(371)．．．直-交流轉換器

(372)．．．電力感測單元

(373)．．．切換電路(373)

(40)．．．架設手段

第一圖係係本發明於日間運作的實施示意圖。

第二圖係本發明於夜間運作的實施示意圖。

第三圖係本發明啟動供水與空調的實施示意圖。

第四圖係日光穿透實施的第一圖局部放大示意圖。

第五圖係遮蔽日光實施的第一圖局部放大示意圖。

第六圖係本發明供電單元的電路方塊示意圖。

第七圖係本發明供電單元更為具體的電路方塊示意圖。

第八圖係本發明自動控制模組與環境調節設備連結的方塊示意圖。

第九圖係本發明微生物燃料電池組的實施示意圖。

(1)．．．設施結構體

(10)．．．自動控制模組

(21)．．．水份供給裝置

(22)．．．空調裝置

(23)．．．光照調節機構

(230)．．．透明光罩

(231)．．．光穿透調變裝置

(232)．．．光源燈組

(233)．．．馬達

(234)．．．遮廉

(30)．．．供電單元

(30a)．．．微生物燃料電池組

(36)．．．太陽能光電模組

(40)．．．架設手段

Claims (10)

1. 一種結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其係對一設施結構體內的溫度、溼度及光照度進行調節，該設施結構體具有一可供作物栽種或是菌類培養的環境空間，該生物輔生系統包括：一自動控制模組，其包含一操作界面，該操作界面可供一使用者依據該作物或是該菌類生長特性而設定包括有溫度、濕度及光照度設定值；一環境調節設備，其可受該自動控制模組的控制而依據該溫度、該濕度及該光照度設定值進行運轉，使該環境空間可被營造為有利於該作物栽種或該菌類培養的環境；及一供電單元，其包括：一微生物燃料電池組，可受光照作用而產生氫氣，並與空氣中之氧氣結合而產生第一電能；一太陽能光電模組，可受光照作用而產生第二電能；及一電能轉換供應模組，用以將該第一電能及該第二電能轉換為供應該自動控制模組及該環境調節設備所需的電源形式。
2. 如請求項1所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該微生物燃料電池組設於該設施結構體之該環境空間內可受光照的位置，該操作界面可供設定一供水量設定值，該環境調節設備包括：一水份供給裝置，其可受該自動控制模組的控制而依據該濕度設定值或是該供水量設定值所設定的水量供給該作物或該菌類；一空調裝置，其可受該自動控制模組的控制而使該環境空間內的溫度調節在該溫度設定值的範圍內；及一光照調節機構，其可受該自動控制模組的控制而使該環境空間內的光照度調節在該光照度設定值的範圍內。
3. 如請求項2所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該光照調節機構包括：一透明光罩，其設置於該設施結構體頂部對應該環境空間及該微生物燃料電池組的位置；一光穿透調變裝置，其包含一固定於該設施結構體頂部一端的馬達、一用以遮覆該透明光罩的遮廉、一捲筒及一渦捲彈簧，該捲筒穿軸樞設於該設施結構體頂部的另端，該渦捲彈簧一端固定於該軸，另端則固定於該捲筒上，該遮廉一端固定在該捲筒上，另端則與該馬達連接，當該馬達受該自動控制模組的控制而以一方向轉動而拉出該遮廉時，該遮廉則拉動該捲筒旋轉，進而拉緊該渦捲彈簧而產生一回捲彈力，當該馬達受該自動控制模組的控制而以另一方向轉動時，可藉回捲彈力而使該捲筒回轉並捲收該遮廉，該遮廉具有複數連續相連且具不同程度之透光率的遮覆面，藉由捲動不同透光率之遮覆面來遮覆該透明光罩，使該該環境空間內的光照度維持在該光照度預設值得範圍內；及至少一光源燈組，其係以一架設手段架設在該環境空間以及該微生物燃料電池組的上方，該光源燈組包含複數個發光二極體(RGB LED)，可依據該自動控制模組的控制而發出特定光度以及特定色溫的光源。
4. 如請求項3所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該遮覆面包含一完全透光的第一遮覆面、一部分透光的第二遮覆面、一不透光的第三遮覆面，及至少一僅供特定色溫光波穿透的第四遮覆面。
5. 如請求項3所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該自動控制模組包含一用以感測該環境空間之溼度狀態的溼度感測器、一用以感測該環境空間之溫度狀態的溫度感測器、一用以感測該環境空間之光照度的光照度感測器、一微處理器及至少一驅動電路，當溼度狀態低於該溼度預設值時，該微處理器則觸發該驅動電路以啟動該水份供給裝置，以供給該作物或該菌類所需的水份及溼度，當溫度狀態低於該溫度預設值時，該微處理器則觸發該驅動電路以啟動該空調裝置，使該環境空間溫度維持在該溫度預設值的範圍內，當光照度低於該光照度預設值時，該微處理器則觸發該驅動電路使該光照調節裝置調節該環境空間維持在該光照度預設值的範圍內。
6. 如請求項1所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該微生物燃料電池組包含：一微生物產氫模組，其包含一反應槽及一氫氣採集組件，該反應槽可供置入包括至至少一光合菌，及至少一為該光合菌所需的生長碳源，而可藉由光照作用產生氫氣，該氫氣採集組件用以將該微生物產氫單元產生之該氫氣予以採集儲存；及一燃料電池組，其可接受該氫氣採集組件的氫氣供應而與氧氣結合，進而產生該第一電能。
7. 如請求項6所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該氫氣採集組件包含一第一軟管、一第二軟管、一裝填有水溶液的容槽及一套管，該套管一端具有一開口，另端則具有一出氣孔，該第一軟管一端連接該反應槽，另端自該套管之開口伸入而位於該水溶液中，而可利用排水集氣法將該氫氣收集在該套管的另端，該第二軟管一端與該出氣孔連接，另端則與該燃料電池的氫氣入口連接。
8. 如請求項6所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該光合菌係以有機酸類物質作為該生長碳源，而可配合光照作用將該有機酸進一步地分解產生氫氣，該有機酸類物質係選自酪酸鹽(butyrate)以及醋酸鹽(acetate)的其中一種，該光合菌係選自球形紅假單胞菌(Rhodobacter sphaeroides)以及莢膜紅細菌(Rhodobacter capsulatus)的其中一種。
9. 如請求項1所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該供電單元包含至少一可接受該第二電能充電的二次電池，及一用以感測日光照度的光控開關電路，當該日光照度高於一預設值時，該光控開關電路則驅使該二次電池對該電能轉換模組輸出該第二電能，當該日光照度低於該預設值時，該光控開關電路則驅使該微生物燃料電池組對該電能轉換模組輸出該第一電能。
10. 如請求項9所述之結合微生物燃料電池及照明裝置之生物輔生系統，其中，該電能轉換模組更包含：一直-直流轉換器，用以將該第一電能或是該第二電能能轉換成該自動控制模組及該環境調節設備所需形式的直流電；及一直-交流轉換器，用以將該直流電轉換成該環境調節設備所需形式的交流電；一電力感測單元，其用以感測該直流電或是該交流電的電力狀態；及一切換電路，當該電力狀態高於一電力預設值時，該切換電路則驅使該電能轉換模組供電，當該電力狀態低於該電力預設值時，該切換電路則選擇以一市電交流系統(AC)供電。