一种基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统

技术领域

本发明涉及绿化屋顶技术领域，具体涉及一种基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统。

背景技术

气候变化和城市化是当前人们普遍关注的话题。由于经济的快速增长，许多国家的城市化进程日益加快，使得自然景观和城市周边环境遭到破坏。绿色屋顶是在基质上种植不同植物的屋顶，这一设计旨在通过建筑物顶部的植被获得多种社会、经济和环境效益。由于其美化环境、调节局部微气候、调蓄降水、降低能耗等多重好处，许多国家正在推进绿色屋顶建设，并对屋顶绿化的实施及其性能进行更多优化设计。

现代绿色屋顶始于20世纪60年代初的德国，由于能源危机的出现，德国人开始建造绿色屋顶来降低建筑能耗。此后德国景观设计学会发布了建造绿色屋顶的指南。绿色屋顶的植被和基质层具有储存水的能力，改变了现代建筑屋顶不透水面在下雨天“即下即流”的状况，因此绿色屋顶可以削减和延后地表径流峰值，具有良好的雨水调蓄作用。绿色屋顶中的基质和植被层在吸收雨水中的污染物方面也发挥着重要的作用，基质可以吸收雨水中的污染物和重金属从而提高水质。此外，降低建筑表面温度也是城市绿色屋顶的重要功能，由此可以实现建筑节能和碳减排。在夏季，通过植物叶片、冠层的遮阴、蒸腾作用，减少建筑物表面吸收的太阳辐射，改变环境的热、湿平衡，降低建筑空调制冷负荷；在冬季，屋顶绿植可以起到风屏作用，减少冷风渗透量，降低建筑供暖热负荷。植物绿化隔热方式相较于利用普通的反射、通风、机械控温等方式,更有利于室内外热环境品质的根本改善。

近年来，绿色屋顶的改造和优化设计促进了其在全球的推广应用。蓝绿屋顶是一种新型绿色屋顶改造形式，与传统绿色屋顶相比，这种屋顶在设计中增加了具有开放水面的蓄水池，有助于在土壤蓄水层和蓄水池中截流和储存更多降水。蓄水池中储存的雨水可用于屋顶植被灌溉，也可用于冲厕、室内清洁等一般生活用水。

混合光伏绿色屋顶是绿色屋顶产业的一个新方向。光伏电池板为绿地系统运行提供电能，并有助于屋顶遮阳。但是光伏发电受天气影响很大，无法24小时持续产能，因此通常并不能满足屋顶系统的蓄电量，仍需要额外供电的支持。在这种情况下，如何探索一种适用于屋顶绿地系统、清洁无污染的能源利用方式，构建低碳、减排且自动化程度高的自动化蓝绿屋顶系统，这是本领域急需解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的是现有技术中光伏电池无法完全满足屋顶绿地系统运行所需的技术问题，进而提供一种清洁无污染、能够有效节能减排且自动化程度高的自动化蓝绿屋顶系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统，包括：种植层，在所述种植层设置有植物微生物燃料电池模块，所述植物微生物燃料电池模块与蓄电装置连接；蓄水支撑层，位于所述种植层的下方；蓄水池，与所述蓄水支撑层连通；滴灌装置，通过输水管道与所述蓄水池连通，在所述管道上设置有输水装置；太阳能发电组件，与所述蓄电装置连接。

所述蓄电装置用于向所述自动化蓝绿屋顶系统中的用电装置供电。

所述植物微生物燃料电池模块包括阴极电极板和阳极电极板，其中所述阴极电极板暴露于空气中，所述阳极电极板位于土壤的底部，在所述阳极电极板处固定有产电菌。

所述植物微生物燃料电池模块呈矩形箱体，所述矩形箱体内填充有土壤并种植有植物，所述阴极电极板为所述矩形箱体的侧板，所述阳极电极板为所述箱体的底板。

所述植物微生物燃料电池模块有多个，多个所述植物微生物燃料电池模块并联设置，相邻两个植物微生物燃料电池模块之间设置有间隙。

所述滴灌装置包括多个滴灌支路，在每个所述滴灌支路上安装有喷头和第一电磁阀；在所述滴灌装置与所述蓄水池之间的输水管道上安装有稳压阀和流量计。

还设置有水肥混合器，所述水肥混合器包括混合罐，在所述混合罐上设置有进水口、出液口和进料口，在混合罐内安装有搅拌器；所述输水管道通过水流支管与水肥混合器的进水口连通，所述水肥混合器的出液口通通过回流支管与所述输水管道连通。

在所述水流支管上设置有控制所述混合罐内液位高度的液位控制阀和第二电磁阀；在所述回流支管上设置有防回流装置。

所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统，还设置有灌溉监测系统，所述灌溉监测系统包括：数据采集装置，包括空气温度传感器和土壤湿度传感器；中央处理装置，与所述数据采集装置连接，接收所述土壤湿度传感器传递的数据信息并进行判断；所述中央处理装置同时分别与所述输水装置、所述滴灌支路上的电磁阀连接，根据判断结果控制所述输水装置和所述电磁阀的动作。

在所述蓄水池内设置有水位传感器，所述蓄水池通过补液管道与市政管道连通，在所述补液管道上安装有补液泵和第三电磁阀，所述水位传感器与所述补液泵分别与所述中央处理装置连接，所述中央处理装置接收所述水位传感器传递的数据信息并根据数据信息控制所述补液泵的动作。

本发明所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统，优点在于：

本发明所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统，设置有植物微生物燃料电池模块(P-MFC)，该模块的发电方式可以作为太阳能发电的补充，应用于屋顶系统的灌溉监测系统、输水装置、电磁阀等设备的供电。相比于传统以绿化为主要功能的绿色屋顶，充分利用了微生物分解产能，，以大米草为例，每500平方米年平均产能能力可以达到290kWh。相比于太阳能发电装置，微生物燃料电池受光照等因素影响小，可以24h不断工作，在光照强度低的情况下可用于对太阳能发电进行补充。同时，本发明所述的屋顶系统对清洁能源的利用也有助于提高碳减排的效果，同时绿色植物吸收空气中的二氧化碳，有效缓解了城市热岛效应。

此外，本发明中的灌溉装置所需水源主要来自对雨水的收集，将位于种植层下方的蓄水支撑层与蓄水池连通，可增大蓄水面积，有效实现建筑屋面雨水的循环利用。

本发明所述的灌溉监测系统，利于将土壤湿度维持在一个稳定的数值。这样设置的作用在于，一方面采用土壤湿度传感器来检测植物根系周围土壤湿度，再将检测出的湿度数据传入到中央处理装置中进行计算。若检测到土壤湿度值小于设定值时，通过继电器控制电磁阀打开进行自动灌溉，直到传感器检测到土壤湿度值大于等于土壤持水量，在通过继电器控制电磁阀关闭，从而保证植物生长良好。另一方面，土壤湿度影响植物微生物燃料电池内部电子的转移，通过与灌溉装置协作将土壤湿度维持在60％左右，可保证阴阳离子的顺利转移。除了土壤湿度，产电菌密度和活性也会对植物微生物燃料电池性能产生影响，由于土壤微生物的不确定性，应用中可通过采取抽样计数方法了解土壤中大致细菌种类和数量，适当补充脱硫球茎菌属、根瘤菌、地杆菌等产电菌。

为了使本发明所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步的说明。

附图说明

如图1所示是本发明所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统的结构示意图；

如图2所示是本发明所述的植物微生物燃料电池模块的结构示意图；

如图3所示是本发明所述的相邻两个植物微生物燃料电池模块的结构示意图。

其中，附图标记为：

1-种植层；111-植物微生物燃料电池模块；112-隔板；113-阴极电极板；114-阳极电极板；2-过滤层；3-蓄水支撑层；4-防根穿刺层；5-防水层；6-蓄水池；9-滴灌支路；10-空气温度传感器；11-土壤湿度传感器；12-中央处理装置；13-输水管道；14-太阳能发电组件；16-输水水泵；17-进料口；18-水肥混合器；19-回流支管；20-水流支管；21-蓄电装置。

具体实施方式

本实施方式提供了一种基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统，如图1所示，所述屋顶系统包括：种植层1，在所述种植层1的土壤层中设置有植物微生物燃料电池模块111，所述植物微生物燃料电池模块111与蓄电装置21连接；如图2和3所示，本实施方式中优选所述植物微生物燃料电池模块111有多个，多个所述植物微生物燃料电池模块111在电学连接关系上呈并联设置且，多个所述植物微生物燃料电池模块111排列成多排。相邻两个植物微生物燃料电池模块111之间设置有间隙，用于布设电路并形成流水间隙，便于水流穿过。每个所述植物微生物燃料电池模块111呈矩形箱体，所述矩形箱体内填充有土壤并种植有植物，每个所述矩形箱体内的空间高度为35cm，长为27.5cm、宽为19.5cm。每个所述植物微生物燃料电池模块111包括一组阴极电极板113和阳极电极板114，其中所述阴极电极板113暴露于空气中，所述阳极电极板114位于种植层1的内部，具体位于土壤层的底端，在所述阳极电极板114处固定有产电菌，所述产电菌采用脱硫球茎菌属、根瘤菌、地杆菌等产电菌中的一种或者多种。所述阴极电极板113为所述矩形箱体的一个侧板，所述阳极电极板114则为所述箱体的底板。作为优选的实施方式，在一排植物微生物燃料电池模块111中，相邻两个所述植物微生物燃料电池模块111的阴极电极板113位于同一平面上，且相邻两个所述植物微生物燃料电池模块111之间设置有隔板112，将所述箱体隔离开。

本实施方式中的阴极电极板113和阳极电极板114采用石墨毡电极板，在使用前，对阳极电极板114进行酸和热处理，以增加其亲水性和碳纳米纤维的粗糙度。本实施方式中优选采用蔬菜和大米草作为植物微生物燃料电池模块111中种植的植物，蔬菜作为可食用植物，可以产生生态和经济双重效益；大米草是具有高产电效能的作物，每500平方米大米草-土壤微生物燃料电池年平均产能能力可以达到290kWh。

本实施方式中所述蓄电装置21采用150Ah/12V的蓄电池，所述植物微生物燃料电池模块111的阴极电极板113和阳极电极板114通过外接导线接在所述蓄电池上，将产生的电流通过蓄电池储存。

在所述种植层1的下方依次设置有过滤层2和蓄水支撑层3，本实施方式中所述过滤层2采用聚酯无纺布层。位于过滤层2下方的所述蓄水支撑层3内则设置有支撑网架，起到承载支撑的作用，同时通过过滤层2下渗的雨水可在蓄水支撑层3内进行存储。在所述蓄水支撑层3的底面上依次铺设有防根穿刺层4和位于防根穿刺层4下方的防水层5。其中所述防根穿刺防水层5采用高聚物改性沥青防水卷材、聚氯乙烯防水卷材、热塑性聚烯烃防水卷材中的任意一种，从而兼具耐根穿刺和防水双重性能。

所述屋顶系统设置有蓄水池6，所述蓄水池6与所述蓄水支撑层3连通，用于存储余量的雨水。本实施方式中，所述蓄水池位于所述蓄水支撑层3的上方，且位于所述种植层的中间位置，从而节约了占地面积。当所述蓄水支撑层3的水满时，则继续利用蓄水池6存储雨水。作为可选择的实施方式，所述蓄水池6也可以设置在种植层的外部。所述蓄水池6同时通过输水管道13与滴灌装置连通，在所述输水管道13上设置有输水装置，所述输水装置为输水水泵16。所述滴灌装置包括多个滴灌支路，在每个所述滴灌支路上设置有滴灌口，并安装有第一电磁阀；在所述滴灌装置与所述蓄水池6之间的输水管道13上安装有稳压阀和流量计。

本实施方式所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统，还设置有水肥混合器18，所述水肥混合器18包括混合罐，在所述混合罐上设置有进水口、出液口和进料口17，在混合罐内安装有搅拌器；所述输水管道13通过水流支管20与水肥混合器18的进水口连通，所述水肥混合器18的出液口通过回流支管19再回流至所述输水管道13，在所述水流支管上设置有控制所述混合罐内液位高度的液位控制阀和第二电磁阀；在所述回流支管上设置有防回流装置，所述防回流装置采用止回阀。所述输水管道13上安装的稳压阀和流量计位于所述水流支管的上游。

蓄水池6中的水经过所述输水管道13时，在稳压阀的作用下以恒定压力流动，并通过流量计监测水量。所述蓄水池6设置有溢流口，在水位较高时可排水。本实施方式在所述蓄水池6内设置有水位传感器，所述水位传感器位于所述蓄水池6的内侧壁面上，所述蓄水池6设置有补水口，补水口通过补液管道与市政管道连通，在所述补液管道上安装有补液泵和第三电磁阀，所述水位传感器与所述补液泵分别与中央处理装置12连接，所述中央处理装置12接收所述水位传感器传递的数据信息并根据数据信息控制所述补液泵的动作。所述蓄水池6主要以雨水作为水源，当雨水较少时通过外接市政管道的补水口进行补水。当蓄水池6内侧壁面上的水位传感器监测到蓄水池6水位低于5cm时，水位传感器的信号传至中央处理装置12，控制补液泵和第三电磁阀打开，待蓄水池6的水重新达到指定高度5cm时，控制补液泵和第三电磁阀关闭，停止补水。

本实施方式还设置有灌溉监测系统，所述灌溉监测系统包括：数据采集装置，包括空气温度传感器10和土壤湿度传感器11；中央处理装置12，与所述数据采集装置连接，接收所述土壤湿度传感器11传递的数据信息并进行判断；所述中央处理装置12同时分别与所述输水装置、所述滴灌支路9上的第一电磁阀、所述水流支管上的第二电磁阀和所述补液管道上的第三电磁阀及补液泵连接，根据判断结果控制所述输水装置和所述电磁阀的动作。本实施方式采用土壤湿度传感器11来检测植物根系周围土壤湿度，再将检测出的湿度数据传入到中央处理装置12中进行计算，所述中央处理装置12中存储有土壤湿度下限值、土壤湿度上限值和设定温度值，若检测到土壤湿度值小于土壤湿度下限值时，系统自动开启灌溉设施。中央处理装置12控制输水装置和第一电磁阀打开进行自动灌溉，直到传感器检测到土壤湿度值大于等于土壤湿度上限值，控制输水装置和第一电磁阀关闭，停止灌溉。

所述中央处理装置12设置有单片机，本系统所用的单片机为AT89S52单片机，是一种低功耗、高性能微控制器。所述土壤水分监测传感器采用直流供电，工作电压为10-30V，测量原理为土壤水分TDR方法，功率小于等于1W。所述空气温度传感器10同样为直流供电，工作电压为12-24V，最大功耗为0.4W，功率小于等于0.15W(12V DC，25℃条件下)。考虑到监测精准度和成本问题，将前述两传感器在每50m

本系统所用的电磁阀电压为12-14V，功率4W，在补水口处、水肥混合器18的水流支管20处、每条滴灌系统的支路管道上均设置一个电磁阀进行控制。

本实施方式中所述的屋顶系统还设置有太阳能发电组件14，所述太阳能发电组件14同样与所述蓄电装置21连接；所述蓄电装置21分别与系统中的各个用电装置连接，用于向其供电，用电装置所述输水装置、所述第一电磁阀、所述第二电磁阀和所述第三电磁阀、补液泵、中央处理器、空气温度传感器10和土壤湿度传感器11。由于蓄电装置21提供的是直流电，因此系统设置有转换器，对于交流电用电装置，经转换器将直流电转换为交流电后再向各用电装置供电。

本实施方式中所述的基于太阳能和微生物发电的自动化蓝绿屋顶系统的运行过程为：发生降雨时，雨水通过种植层1和过滤层2进入蓄水支撑层3，当雨水较大时。多余的雨水进入蓄水池6，储存在所述蓄水池6内。所述灌溉监测系统的空气温度传感器10和土壤湿度传感器11分别检测空气温度值和土壤湿度值，其中不同区域的土壤湿度传感器11可检测各自区域内的土壤湿度。所述空气温度传感器10和土壤湿度传感器将检测数据发至中央处理装置12，所述中央处理装置12根据接收到的数据信息进行判断，若某区域土壤湿度值小于土壤湿度下限值时，中央处理装置12控制输水装置和第一电磁阀打开进行自动灌溉，直到传感器检测到土壤湿度值大于等于土壤湿度上限值，控制输水装置和第一电磁阀关闭，停止灌溉。当需要对制备进行施肥时，通过所述中央处理装置12控制所述第二电磁阀开启，此时大部分水通过输水管道13流向滴灌支管灌溉植被，另外一小部分水流流向水肥混合器18，在电机驱动的搅拌装置作用下，和通过进料口17投加的肥料在混合罐中混合，当混合罐中的水位达到一定数值时,液位控制阀关闭蓄水池6与水肥混合器18之间的水流支管通道。混合管中的水肥混合液则通过回流支管再回流至输水管道13，此时，由于混合罐中的水位下降使液位控制阀打开，蓄水池6中的水又流向混合罐，进行下一阶段的水肥混合。

本实施方式中所述的植物微生物燃料电池模块111和光伏能发电组件均可产生电能。其中所述植物微生物燃料电池模块111可将植物产生的化学能转化为电能，植物在生长的过程通过光合作用将光能转化成化学能，以有机物的形式储存在内部，植物通过根部和土壤进行物质交换和运输的过程中向土壤释放有机酸，这些有机物质在土壤微生物的作用下被氧化分解，这个过程在阳极发生。同时，在阴极氧气发生还原反应，一个完整的氧化反应产生的电子在土壤中转移，从而形成微生物燃料电池。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。