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基本信息

項(xiàng)目名稱：
薄型穩(wěn)壓輸出微藻太陽能電池
小類：
能源化工
簡介：
薄型穩(wěn)壓輸出微藻太陽能電池，可固定CO2并將光能轉(zhuǎn)化為電能，不消耗能源物質(zhì)，不增加碳排放，并可回收微藻油脂。傳統(tǒng)微藻太陽能電池輸出電壓極低且欠穩(wěn)定，本組通過菌種誘變，電馴化，構(gòu)造、溶液體系及離子傳遞裝置改進(jìn)等措施，較明顯的提高了其電壓輸出，最高可達(dá)1.326V，但仍不穩(wěn)定。本組首次采用穩(wěn)壓升壓電路，使其恒定輸出3.3V電壓，能驅(qū)動(dòng)部分小型家電。與已報(bào)導(dǎo)相比，本電池體積小輸出電壓高，更具實(shí)用價(jià)值。
詳細(xì)介紹：
一、電池主體部分設(shè)計(jì)原理 微藻太陽能電池是以光合微生物——微藻——作為催化劑，將底物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。經(jīng)分析，太陽能MFC中主要機(jī)理： 光合作用：CO2+H2O→yCH2O+H2O （1）陽極： H2O→2H++1/2O2+2e? yCH2O+yH2O→yCO2+4yH++4ye? （2）陰極 1.鐵氰化鉀電解質(zhì)溶液微藻太陽能電池 陰極半反應(yīng)如下： Fe（CN）63-+e-=Fe（CN）64- 2.高錳酸鉀電解質(zhì)溶液微藻太陽能電池 陰極半反應(yīng)如下： MnO4-+4H++3e-=MnO2（s）+2H2O 我們對(duì)電池的構(gòu)造、電極、電極液和離子傳遞介質(zhì)等進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果顯示：在保持電極面積相同、電池容積相同的不變的情況下，經(jīng)過改進(jìn)，電池的可顯著的提高電池輸出，但是我們也注意到電池輸出電壓并不穩(wěn)定,例如體積約0.5L的小型電池最高輸出電壓僅為1.3V且不穩(wěn)定，在日常生活中用途極為有限。 二、輔助穩(wěn)壓升壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 微生物的代謝特點(diǎn)決定了微藻太陽能電池與傳統(tǒng)生物太陽能電池相同，輸出電壓極低且不穩(wěn)定。本著高效節(jié)能和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，為將小型微生物太陽能實(shí)用化，本組結(jié)合電池的特性設(shè)計(jì)了升壓穩(wěn)壓電路。其主要部件為NCP1400或NCP1402。在使用過程中，需根據(jù)微藻太陽能電池產(chǎn)生電壓范圍選擇相應(yīng)的升壓穩(wěn)壓電路。 穩(wěn)壓升壓電路設(shè)計(jì)完成之后，本組將其接入電池裝置，結(jié)果顯示當(dāng)體積約0.5L的電池自身輸出電壓達(dá)到0.9V及以上時(shí)直流升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)開始工作，恒定輸出3.3V大小的電壓，可廣泛的用于電子表、鬧鐘、小風(fēng)扇、發(fā)光二極管等小型家電供電。 三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新及成果意義： 首次與電子技術(shù)相結(jié)合，采用直流穩(wěn)壓升壓電路系統(tǒng)克服生物代謝所造成的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，并提高電壓，相對(duì)于傳統(tǒng)生物電池更加穩(wěn)定、高效；采用薄型裝置，具有簡易、方便、實(shí)用的特性；成本低于太陽能硅片電池。使其應(yīng)用成為可能 基于其自養(yǎng)特性，太陽能電池中的微藻在轉(zhuǎn)化太陽能為電能的同時(shí)，完成自我繁殖，以達(dá)到可再生、擴(kuò)大化、回收再利用的生產(chǎn)使用途徑，同時(shí)符合國家低碳方向需求及節(jié)能減排理念。

作品圖片

  • 薄型穩(wěn)壓輸出微藻太陽能電池
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1、作品設(shè)計(jì) （1）本太陽能電池裝置采用薄型玻璃設(shè)計(jì)； （2）采用銅片、鋁箔、碳?xì)值入姌O材料； （3）采用KCl鹽橋、質(zhì)子交換膜作為離子交換介質(zhì) （4）電池陽極采用微藻培養(yǎng)基，陰極采用鐵氰化鉀、高錳酸鉀、過硫酸鉀作為電子受體。 （5）采用直流穩(wěn)壓升壓電路系統(tǒng)以彌補(bǔ)生物代謝活動(dòng)波動(dòng)而導(dǎo)致產(chǎn)電性能的不穩(wěn)定性。 2、發(fā)明目的： （1）克服多數(shù)微生物燃料電池需要消耗葡萄糖等能源物質(zhì)的弊端； （2）擺脫生物因新陳代謝的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定； （3）搭建一種實(shí)用型的微藻太陽能電池裝置； （4）希望緩解國家電能緊缺的現(xiàn)狀，提高太陽能的利用率。 3、基本思路 水樣采集→藻種分離→純化→擴(kuò)大培養(yǎng)→接種入電池裝置→電馴化 →進(jìn)入產(chǎn)電周期→數(shù)據(jù)記錄→數(shù)據(jù)分析→適當(dāng)改進(jìn)裝置→接入直流穩(wěn)壓升壓電路 4、創(chuàng)新點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo) （1）首次與電子技術(shù)相結(jié)合，采用直流升壓穩(wěn)壓電路彌補(bǔ)生物代謝活動(dòng)波動(dòng)而導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定性（現(xiàn)階段可將電壓恒定至3.3V），使其應(yīng)用成為可能； （2）采用薄型玻璃設(shè)計(jì)增大受光面積可以大幅度提高電壓，而且電壓最高可達(dá)1.326V；具有簡易、方便、實(shí)用特性; （3）陰極采用用鐵氰化鉀、高錳酸鉀過硫酸鉀等作為電子受體； （4）裝置大部分采用玻璃制作，成本低，便于轉(zhuǎn)化。

科學(xué)性、先進(jìn)性

科學(xué)性 1、微藻太陽能電池是一種可再生的綠色環(huán)保新能源，一般在常溫、常壓的環(huán)境中工作，因而易于操作、控制和維護(hù)； 2、通常的菌種產(chǎn)生電子是靠呼吸作用消耗能源物質(zhì)才能發(fā)電；而微藻太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外發(fā)電，能量一次性轉(zhuǎn)化，使其具有比常規(guī)MFC高效率的庫倫效率和產(chǎn)點(diǎn)能力； 3、微藻以光為能源固定二氧化碳并能將光能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外發(fā)電，既沒有消耗能源物質(zhì)又能緩解二氧化碳對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。 先進(jìn)性 1、經(jīng)過對(duì)電池的構(gòu)造、電極、電極液和離子傳遞介質(zhì)等方面的改進(jìn)，顯著的提高電池輸出電壓； 2、采用薄型玻璃設(shè)計(jì)，極大降低電池制作成本； 3、采用直流升壓穩(wěn)壓電路使輸出電壓恒定至3.3V。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

作品在2010年我校化學(xué)工程學(xué)院進(jìn)行審評(píng)； 作品在2011年5月5日在教育部科技查新工作站L24，東北師范大學(xué)科技查新咨詢中心進(jìn)行查新。

作品所處階段

本作品現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

實(shí)物、模型、現(xiàn)場演示、圖片、錄像

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

一、使用說明 1、電池需要在較柔和的室內(nèi)光下工作 2、電池需要在室內(nèi)溫度在20℃至30℃之間工作 3、太陽能電池輔助升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)，其最小工作電壓為0.9V，（只有微藻太陽能電池產(chǎn)電量電壓達(dá)到0.9V以上才能使用） 4、電池正極（紅端）接入升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)輸入端（紅端） 電池負(fù)極（黑端）接入升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)輸入端（黑端） 5、升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出端（紅端）接用電器正極 升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出端（黑端）接用電器負(fù)極 二、作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢及適應(yīng)范圍 能電池所需原料簡單、廣泛、操作條件溫和；將之與電子技術(shù)相結(jié)合，采用直流穩(wěn)壓升壓電路系統(tǒng)保持供電的穩(wěn)定性，預(yù)計(jì)可將改進(jìn)后的微藻太陽能電池做成玻璃門窗，應(yīng)用于更多的低電流家庭小型家用電器。本作品可充分利用太陽能，節(jié)省國家部分能源，緩解電能緊張的狀況最終達(dá)到節(jié)能減排的效益。電池制作成本較低，具有一定的實(shí)用價(jià)值，適于應(yīng)用推廣。

同類課題研究水平概述

1.國外同類課題研究水平 自誕生以來，微生物燃料電池即因其輸出功率低、不穩(wěn)定而遲遲無法推廣，為使其早日應(yīng)用，各國科學(xué)家做出了大量努力。例如在提高輸出功率方面，Angenent于2006年將兩極設(shè)計(jì)成了U形，以增大了反應(yīng)的表面積、縮短了陰極和陽極之間的距離，成功減少了因電阻而產(chǎn)生的功率損耗，然而其電壓輸出仍較低，距離實(shí)用需求甚遠(yuǎn)。 在輸出功率、電壓遲遲無法提高的情況下，某些科學(xué)家轉(zhuǎn)向?qū)FC的其他應(yīng)用，例如美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的教授Bruce Logon 所領(lǐng)導(dǎo)的研究項(xiàng)目在2004年撰文指出,一種處于早期開發(fā)階段的新型微生物燃料電池可以將廢水中的高濃度有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成能源,如果10 萬人產(chǎn)生的廢水中所有的能量都能回收,則可以發(fā)電2300kW,可供1500 戶人家用電.然而迄今,賓夕法尼亞州大學(xué)正在研究的燃料電池發(fā)出的電只可發(fā)動(dòng)一臺(tái)電扇。 在眾多嘗試失敗的同時(shí)，科學(xué)家不斷的構(gòu)思新應(yīng)用，有研究者預(yù)計(jì)以血中的葡萄糖為能源的酵母細(xì)胞有一天會(huì)驅(qū)動(dòng)置入人體內(nèi)的起博器等電子裝置。這種活生生的動(dòng)力能自我產(chǎn)生，從而取代定期更換電池的常規(guī)手術(shù)。還有研究者推測當(dāng)細(xì)胞開始分解食物時(shí)，就直接“盜取”細(xì)胞所產(chǎn)生的電子。這一辦法在“電子中介”的幫助下能實(shí)現(xiàn)。此新燃料電池由釀酒酵母組成，這些酵母封存在由聚二甲硅氧烷(PDMS)材料制成的膠囊中，共同構(gòu)成了此燃料電池。 2.國內(nèi)同類課題研究水平 國內(nèi)開展MFC研究時(shí)間較晚，但部分課題和研究已達(dá)到國際先進(jìn)水平，例如哈工大水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任馮玉杰教授帶領(lǐng)的MFC小組在國家自然基金的支持下，在國內(nèi)較早的開展了MFC應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2005-今）。 中國海洋大學(xué)-付玉彬小組以應(yīng)用為導(dǎo)向重點(diǎn)研究海底沉積物燃料電池，目的在于充分發(fā)揮材料科學(xué)在燃料電池研究中的作用，促進(jìn)微生物燃料電池事業(yè)的發(fā)展。 清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系-黃霞小組課題組自2005年開始對(duì)微生物燃料電池（MFC）開展研究，主要研究方向涉及MFC材料、構(gòu)型、產(chǎn)電微生物以及應(yīng)用研究等方面。 盡管研究開展較多，然而小型的家用微生物燃料電池卻始終未有報(bào)導(dǎo)，本作品通過優(yōu)化、外電路輔助等方法，利用體積小于0.5L的MFC為LED燈等小型家電供電。
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