主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
薄型稳压输出微藻太阳能电池
小类:
能源化工
简介:
薄型稳压输出微藻太阳能电池,可固定CO2并将光能转化为电能,不消耗能源物质,不增加碳排放,并可回收微藻油脂。传统微藻太阳能电池输出电压极低且欠稳定,本组通过菌种诱变,电驯化,构造、溶液体系及离子传递装置改进等措施,较明显的提高了其电压输出,最高可达1.326V,但仍不稳定。本组首次采用稳压升压电路,使其恒定输出3.3V电压,能驱动部分小型家电。与已报导相比,本电池体积小输出电压高,更具实用价值。
详细介绍:
一、电池主体部分设计原理 微藻太阳能电池是以光合微生物——微藻——作为催化剂,将底物中的化学能转化为电能的装置。经分析,太阳能MFC中主要机理: 光合作用:CO2+H2O→yCH2O+H2O (1)阳极: H2O→2H++1/2O2+2e− yCH2O+yH2O→yCO2+4yH++4ye− (2)阴极 1.铁氰化钾电解质溶液微藻太阳能电池 阴极半反应如下: Fe(CN)63-+e-=Fe(CN)64- 2.高锰酸钾电解质溶液微藻太阳能电池 阴极半反应如下: MnO4-+4H++3e-=MnO2(s)+2H2O 我们对电池的构造、电极、电极液和离子传递介质等进行了改进。结果显示:在保持电极面积相同、电池容积相同的不变的情况下,经过改进,电池的可显著的提高电池输出,但是我们也注意到电池输出电压并不稳定,例如体积约0.5L的小型电池最高输出电压仅为1.3V且不稳定,在日常生活中用途极为有限。 二、辅助稳压升压电路系统设计原理 微生物的代谢特点决定了微藻太阳能电池与传统生物太阳能电池相同,输出电压极低且不稳定。本着高效节能和经济实用的原则,为将小型微生物太阳能实用化,本组结合电池的特性设计了升压稳压电路。其主要部件为NCP1400或NCP1402。在使用过程中,需根据微藻太阳能电池产生电压范围选择相应的升压稳压电路。 稳压升压电路设计完成之后,本组将其接入电池装置,结果显示当体积约0.5L的电池自身输出电压达到0.9V及以上时直流升压稳压系统开始工作,恒定输出3.3V大小的电压,可广泛的用于电子表、闹钟、小风扇、发光二极管等小型家电供电。 三、实验创新及成果意义: 首次与电子技术相结合,采用直流稳压升压电路系统克服生物代谢所造成的电压不稳定现象,并提高电压,相对于传统生物电池更加稳定、高效;采用薄型装置,具有简易、方便、实用的特性;成本低于太阳能硅片电池。使其应用成为可能 基于其自养特性,太阳能电池中的微藻在转化太阳能为电能的同时,完成自我繁殖,以达到可再生、扩大化、回收再利用的生产使用途径,同时符合国家低碳方向需求及节能减排理念。

作品图片

  • 薄型稳压输出微藻太阳能电池
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  • 薄型稳压输出微藻太阳能电池

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

1、作品设计 (1)本太阳能电池装置采用薄型玻璃设计; (2)采用铜片、铝箔、碳毡等电极材料; (3)采用KCl盐桥、质子交换膜作为离子交换介质 (4)电池阳极采用微藻培养基,阴极采用铁氰化钾、高锰酸钾、过硫酸钾作为电子受体。 (5)采用直流稳压升压电路系统以弥补生物代谢活动波动而导致产电性能的不稳定性。 2、发明目的: (1)克服多数微生物燃料电池需要消耗葡萄糖等能源物质的弊端; (2)摆脱生物因新陈代谢的不稳定性而导致电压的不稳定; (3)搭建一种实用型的微藻太阳能电池装置; (4)希望缓解国家电能紧缺的现状,提高太阳能的利用率。 3、基本思路 水样采集→藻种分离→纯化→扩大培养→接种入电池装置→电驯化 →进入产电周期→数据记录→数据分析→适当改进装置→接入直流稳压升压电路 4、创新点和主要技术指标 (1)首次与电子技术相结合,采用直流升压稳压电路弥补生物代谢活动波动而导致电压的不稳定性(现阶段可将电压恒定至3.3V),使其应用成为可能; (2)采用薄型玻璃设计增大受光面积可以大幅度提高电压,而且电压最高可达1.326V;具有简易、方便、实用特性; (3)阴极采用用铁氰化钾、高锰酸钾过硫酸钾等作为电子受体; (4)装置大部分采用玻璃制作,成本低,便于转化。

科学性、先进性

科学性 1、微藻太阳能电池是一种可再生的绿色环保新能源,一般在常温、常压的环境中工作,因而易于操作、控制和维护; 2、通常的菌种产生电子是靠呼吸作用消耗能源物质才能发电;而微藻太阳能电池将光能转化为电能对外发电,能量一次性转化,使其具有比常规MFC高效率的库伦效率和产点能力; 3、微藻以光为能源固定二氧化碳并能将光能转化为电能对外发电,既没有消耗能源物质又能缓解二氧化碳对环境产生的温室效应。 先进性 1、经过对电池的构造、电极、电极液和离子传递介质等方面的改进,显著的提高电池输出电压; 2、采用薄型玻璃设计,极大降低电池制作成本; 3、采用直流升压稳压电路使输出电压恒定至3.3V。

获奖情况及鉴定结果

作品在2010年我校化学工程学院进行审评; 作品在2011年5月5日在教育部科技查新工作站L24,东北师范大学科技查新咨询中心进行查新。

作品所处阶段

本作品现处于实验室阶段

技术转让方式

无转让

作品可展示的形式

实物、模型、现场演示、图片、录像

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

一、使用说明 1、电池需要在较柔和的室内光下工作 2、电池需要在室内温度在20℃至30℃之间工作 3、太阳能电池辅助升压稳压系统,其最小工作电压为0.9V,(只有微藻太阳能电池产电量电压达到0.9V以上才能使用) 4、电池正极(红端)接入升压稳压系统输入端(红端) 电池负极(黑端)接入升压稳压系统输入端(黑端) 5、升压稳压系统输出端(红端)接用电器正极 升压稳压系统输出端(黑端)接用电器负极 二、作品的技术特点和优势及适应范围 能电池所需原料简单、广泛、操作条件温和;将之与电子技术相结合,采用直流稳压升压电路系统保持供电的稳定性,预计可将改进后的微藻太阳能电池做成玻璃门窗,应用于更多的低电流家庭小型家用电器。本作品可充分利用太阳能,节省国家部分能源,缓解电能紧张的状况最终达到节能减排的效益。电池制作成本较低,具有一定的实用价值,适于应用推广。

同类课题研究水平概述

1.国外同类课题研究水平 自诞生以来,微生物燃料电池即因其输出功率低、不稳定而迟迟无法推广,为使其早日应用,各国科学家做出了大量努力。例如在提高输出功率方面,Angenent于2006年将两极设计成了U形,以增大了反应的表面积、缩短了阴极和阳极之间的距离,成功减少了因电阻而产生的功率损耗,然而其电压输出仍较低,距离实用需求甚远。 在输出功率、电压迟迟无法提高的情况下,某些科学家转向将MFC的其他应用,例如美国宾夕法尼亚州立大学的教授Bruce Logon 所领导的研究项目在2004年撰文指出,一种处于早期开发阶段的新型微生物燃料电池可以将废水中的高浓度有机污染物转变成能源,如果10 万人产生的废水中所有的能量都能回收,则可以发电2300kW,可供1500 户人家用电.然而迄今,宾夕法尼亚州大学正在研究的燃料电池发出的电只可发动一台电扇。 在众多尝试失败的同时,科学家不断的构思新应用,有研究者预计以血中的葡萄糖为能源的酵母细胞有一天会驱动置入人体内的起博器等电子装置。这种活生生的动力能自我产生,从而取代定期更换电池的常规手术。还有研究者推测当细胞开始分解食物时,就直接“盗取”细胞所产生的电子。这一办法在“电子中介”的帮助下能实现。此新燃料电池由酿酒酵母组成,这些酵母封存在由聚二甲硅氧烷(PDMS)材料制成的胶囊中,共同构成了此燃料电池。 2.国内同类课题研究水平 国内开展MFC研究时间较晚,但部分课题和研究已达到国际先进水平,例如哈工大水资源与水环境国家重点实验室副主任冯玉杰教授带领的MFC小组在国家自然基金的支持下,在国内较早的开展了MFC应用基础研究(2005-今)。 中国海洋大学-付玉彬小组以应用为导向重点研究海底沉积物燃料电池,目的在于充分发挥材料科学在燃料电池研究中的作用,促进微生物燃料电池事业的发展。 清华大学环境科学与工程系-黄霞小组课题组自2005年开始对微生物燃料电池(MFC)开展研究,主要研究方向涉及MFC材料、构型、产电微生物以及应用研究等方面。 尽管研究开展较多,然而小型的家用微生物燃料电池却始终未有报导,本作品通过优化、外电路辅助等方法,利用体积小于0.5L的MFC为LED灯等小型家电供电。
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