专利名称：用于能源藻类培养的太阳能保温系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微生物培养领域，尤其涉及一种用于能源藻类培养的太阳能保温系统。
背景技术：
在能源藻类养殖和培养的过程中，合适的温度和充足的光照能促进能源藻类生长的速率和提高能源藻类的质量，例如理想的能源藻类培养温度希望使水温保持在20摄氏度到60摄氏度之间，同时还需要保持足够的光照。在我国一些冬季气温较低的地区，大面积的能源藻类培养池暴露在低温空气之中，因此散发了大量热量使培养池内水温变低，而低温的生长环境会使能源藻类生长变慢甚至死亡。为了在这些地区进行能源藻类培养，能源藻类培养者们借鉴了日光温室的技术， 即将能源藻类培养池置于温室大棚内部进行生产。这样一方面能保持能源藻类生长的环境温度，另一方面阳光也可以透过温室大棚被能源藻类所利用。传统的温室大棚冬季能耗大，为了保持大棚内的温度，需要消耗大量的化石能源， 一方面，使用化石能源供暖使能源藻类培养的运行成本提高，不利于能源藻类的大规模培养；另一方面，使用化石能源会排放二氧化碳等温室气体，其投入产出的能量和碳平衡指标不佳，还消耗了不可再生能源。能源藻类是通过基因改造技术制备的，能够进行光合作用，利用阳光、淡水或咸水、二氧化碳生产乙醇等替代能源产品的藻类。能源藻类为解决玉米乙醇、纤维素乙醇等传统生物能源技术的规模、产量和成本瓶颈提供了新的方法，能够适应中国耕地、淡水资源缺乏而太阳能资源丰富的国情。利用光合作用生产替代能源的基因工程蓝藻一方面可以部分替代石油基燃料和化工燃料，缓解我国石油进口压力，另一方面可以有效利用工厂排放的二氧化碳，有助于达到节能减排目标。对能够利用阳光、淡水或咸水、二氧化碳通过光合作用生产乙醇的能源藻类，例如基因工程蓝藻，寻找可替代化石能源的低成本环保热源，高效地、低成本地培养已成为能源藻类培养者们所关心的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能保温系统，使用清洁环保的热源，并提高能源藻类培养池的保温效果，以控制能源藻类培养的成本，提高能源藻类培养的产出。本发明还提供了使用太阳能保温系统培养能源藻类和生产乙醇的方法。为达到上述目的，本发明提供了用于能源藻类培养的太阳能保温系统，该系统包括保温培养室、储热水箱和太阳能集热器，其中所述保温培养室包括保温棚、和至少一个培养池，所述至少一个培养池置于所述保温棚内部，所述保温棚由透光保温材料搭建形成，所述培养池具有一个透光保温层，其可拆卸地覆盖所述培养池的上开口；
所述培养池和所述储热水箱流体连通，所述储热水箱和所述太阳能集热器流体连通，所述培养池内具有用于培养能源藻类的培养液，部分所述培养液经由所述储热水箱进入所述太阳能集热器内加热，该加热后的培养液回流至所述储热水箱中，并最终由所述储热水箱中回流至所述培养池内。本发明还提供了使用太阳能保温系统培养能源藻类和生产乙醇的方法。该方法采用前述太阳能保温系统对能源藻类进行培养。本发明的方法可在寒冷室外温度条件下采用，特别是在可在平均室外温度低于零度的情况下采用。在本发明的一个方面，所述能源藻类是通过基因工程改造，能够利用阳光、淡水或咸水、二氧化碳通过光合作用生产乙醇的蓝藻。本发明提供的用于能源藻类培养的太阳能保温系统使用太阳能作为保持能源藻类培养环境温度的热量来源，利用比热较高的培养液进行循环以传递温度，以控制水温使其适于能源藻类培养；将培养池置于保温棚内与外部冷空气隔离，并在培养池之上覆盖透光保温层，双重的保温手段使能源藻类培养池散失的热量更小，更有利于保持能源藻类培养的合适温度。使用本发明提供的太阳能保温系统培养能源藻类可以控制冬季能源藻类培养的成本，提高冬季能源藻类培养的产出。同时，本发明提供的用于能源藻类培养的系统还给能源藻类提供充足的阳光以及二氧化碳，使得能源藻类能够大量和高效地利用光合作用生产乙醇等替代能源。
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显图I是根据本发明的太阳能保温系统的一种具体实施方式
的结构示意图；图2是根据本发明的太阳能保温系统的另一种详细具体实施方式
的结构示意图。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。首先请参考图1，图I是根据本发明的太阳能保温系统的一种具体实施方式
的结构示意图，该太阳能保温系统包括保温培养室、储热水箱200和太阳能集热器300，其中所述保温培养室包括保温棚110和至少一个培养池120，所述至少一个培养池120 置于保温棚110内部，例如一个保温棚110内部设置20个培养池120。保温棚110由透光保温材料(例如玻璃或阳光板)搭建形成，透光保温层(图中未示出)可拆卸地覆盖培养池120的上开口 ；培养池120和储热水箱200流体连通，储热水箱200和太阳能集热器300流体连通，培养池120内具有用于培养能源藻类的培养液，通常地，该培养液的主要成分是淡水， 除此之外所述淡水中添加了能源藻类生长所需的营养元素等。若培养的能源藻类是经过盐水适应性培育的能源藻类，该培养液也可以类似于海水成分。部分所述培养液经由储热水箱200进入太阳能集热器300内加热，太阳能集热器300设计为可利用太阳能的结构，受阳光照射即可收集热能用于加热所述培养液。该加热后的培养液回流至储热水箱200中，并和储热水箱200中的培养液混合，并最终由储热水箱 200中回流至培养池120内。为了进一步说明本发明提供的太阳能保温系统，请参考图2，图2是根据本发明的太阳能保温系统的另一种详细具体实施方式
的结构示意图，下面分别对图2中示出的系统的各部分进行说明。类似于图I示出的具体实施方式
，该太阳能保温系统包括保温培养室、储热水箱 200和太阳能集热器300。首先介绍保温培养室如图所示，保温培养室包括保温棚110、培养池120和透光保温层122，具体地，可以选用钢铝合金搭建形成保温棚110的骨架，该钢铝合金支撑至少一层阳光板，使保温棚110内部形成相对封闭结构，可以使保温棚110内部的空气与棚外的冷空气隔离避免热传递。优选地，可以选用厚度为3mm 8mm、透光率达到80%及以上的双层阳光板作为构成保温棚110侧壁及顶部的透光保温材料。这样的双层阳光板具有较佳的透光性和保温性。在本发明的一个方面，保温棚110的尖顶脊高和侧壁的高度的比例为2 I到 3 1，优选2 I。在本发明的又一个方面，保温棚110的两侧壁之间的距离范与搭建成型的保温棚110两顶端之间的长度的比例为8 I到10 1，优选10 I。在本发明的一个具体实施方式
中，保温棚110的尖顶脊高范围为2m 4m，例如3m ;侧壁高度选择Im 2m， 例如I. 5m ;两侧壁之间的距离范围为5m 20m，例如IOm ;搭建成型的保温棚110两顶端之间的长度范围为50m 100m,例如100m。本领域的技术人员可以根据能源藻类培养的规模和其他需求在本发明的范围内修改上述具体数值。可选地，为了使保温棚110在夏季温度较高时也可使用，可以在保温棚110的侧壁上预留通风窗，冬季将其关闭保温，夏季打开可以通风降温。进入夜晚后气温会下降，为了达到使保温棚110内的保温效果增强，可以在保温棚外表可拆卸地覆盖一层保暖层，例如不透光的化纤、棉质纺织层等；白天拆卸掉该保暖层使阳光进入保温棚110内部供能源藻类生长所用，入夜后使该保暖层覆盖保温棚110的外表面增强保温棚110内部的保温效果。培养池120设置在保温棚110内。可以使用传统的砖石结构修建该培养池120。 培养池120的池壁和池底的厚度范围在15cm 30cm之间。为了适应能源藻类对阳光的接收，培养池120的从顶部到池底的深度范围在 15cm 30cm之间,优选在20cm 25cm之间。在本发明的一个实施方式中，修建成型的培养池120的深度范围在15cm 20cm之间，其俯视的形状为矩形，宽度范围是Im 5m，长度范围在5m 50m之间。透光保温层122可拆卸地覆盖培养池120的上部开口，例如可以在培养池120的池口周围安装橡胶垫槽和紧固件，用于支持置于其上的透光保温层122。本发明的透光保温层122的材料要选用透光率在85%以上的材料，优选的，透光率在90-95%。本发明的一个方面，透光保温层122是玻璃。在本发明的又一个方面，可以选用透光率在90%以上的浮法白玻璃，厚度范围是2_ 5_。另外，也可以采用多层较薄的超白平板玻璃叠加，但必需保持透光率在90%以上的要求。冬季气温较低的时候，使用透光保温层122覆盖培养池120， 既不影响培养池120中的能源藻类利用阳光，又可以达到保温的效果；夏季气温较高，则可移除透光保温层122，将培养池120内的环境温度控制在合适的范围内。如图所示，阳光透过保温棚110和透光保温层122，依然可以到达培养池120的内部。培养池120内已注入用于培养能源藻类的培养液121,在本实施例中，该培养液 121是淡水121，出水管123连接至培养池内部，淡水121通过出水管123进入保温管道(该保温管道可以是管外壁覆盖保温材料的PVC管，即使暴露在冬季的室外也不会损失太多的热量)中，然后被首先输送至辅助换热器400，如图所示，辅助换热器400设置在培养池120 与储热水箱200之间，并与培养池120和储热水箱200流体连通(优选地，在本文中所提及两部分之间流体连通均是通过上述保温管道连接实现，后文中不再特别说明)，来自培养池 120的淡水121经由辅助换热器400后进入储热水箱200，来自培养池120的淡水121是培养池120中大量培养液中的一部分，这部份淡水121吸收辅助换热器400的热源410提供的热能以提高自身温度。优选地，热源410包括热电发电中需冷却的热源、化工生产中需冷却的热源、水泥生产中需冷却的热源、热力管网热源或其组合，淡水121吸收上述工业热源产生的热能。通常地，电厂汽轮机组循环冷却水能达到40摄氏度，化工厂的冷却水温度能达到60摄氏度以上，均是可以加以利用的热能。在冬季出现极端低的气温的情况下，为防止能源藻类培养的损失，也可以人为提供热源410，以保持培养池120内的水温。围了达到比较好的加热效果，辅助换热器400可以选用液-液螺旋板式换热器。一般地，从辅助换热器400中流出的淡水121可以达到30摄氏度左右的水温。下一步，可选地，通过水泵500增能可以使培养池120内的淡水121强制循环，从辅助换热器 400中流出的淡水121进入储热水箱200中，在本实施例中，太阳能集热器300与储热水箱 200集成为一体，两者之间的换热器可以选用液-液螺旋板式换热器。太阳能集热器300可以是热管式真空管、平板式真空管、玻璃管真空管或其组合，在本实施例中优选地选用热管式真空管。相应地，根据计算可知，每公顷的培养液121水面需要提供300平方米 500平方米的集热器面积用于供热。此外，在本实施例中，储热水箱200的外表覆盖保温材料，其内部为双层结构，储热水箱200的内层水箱连通太阳能集热器300，存储太阳能集热器300的蓄热介质，储热水箱200的外层水箱接收来自培养池120的循环水。相应地，所述每公顷的培养液121水面需要提供5吨 15吨的内层水箱容积，以及每公顷的培养液121水面需要提供10吨 30 吨的外层水箱容积。储热水箱200的箱体可以选用不锈钢材料。在储热水箱200中，来自培养池120的淡水121 (培养液)被加热至至少达到40摄氏度，然后经过水泵500的增能通过保温管道回流至培养池120的进水管124，最后回流至培养池120内，其具有的热能可以保持培养池120内的温度。通过调节水泵500的功率，可以控制循环的培养液121占整体培养液的百分比，以达到控制水温的目的。在本发明的一个方面，每日循环的培养液121 占整体培养液的百分比的范围在1% 10%之间，在某些极端低度的冬季气温下，可能会出现更高的百分比。需要说明的是，不仅一个保温棚110内可以设置多个培养池120，多个培养池120 也可以共用一个辅助换热器400、共用一个储热水箱200或共用一个太阳能集热器300，只需提供一根主干管道将来自不同培养池的循环水汇集起来输入值辅助换热器400即可。本发明的系统具有太阳能集热器300，使用了太阳能作为提供保温的热源。根据在冬季最冷月份平均气温和太阳辐射能等条件，选取合适的参数修建太阳能集热器300。该太阳能保温系统可以满足能源藻类培养所需温度条件。进一步地，本发明可加入辅助换热器 400，该系统对能源藻类培养的供暖保障率可以达到100%。利用辅助换热器400可以回收工业排放的无用热能，清洁环保并有利于产业的可持续发展。本发明的系统中，培养池120内的培养液温度保持在20 40摄氏度之间,是适合能源藻类产出的温度范围，在冬季极端低温的条件下，例如气温-10摄氏度，培养液的水温仍然能不低于20摄氏度；在夏季气温较高的情况下，移除例如透光保温层122等辅助的保温部件并保持保温棚110内通风降温，该太阳能保温系统也可以在夏季使用。使用本发明提供的太阳能保温系统培养能源藻类可以控制冬季能源藻类培养的成本，提高冬季能源藻类培养的产出。本发明的系统在我国华北地区进行了小试和中试。在一月平均气温_5摄氏度，一月平均太阳辐射能7. 9MJ/平方米/日的条件下，本发明的系统中培养池120内的培养液温度保持在20 30摄氏度之间，是适合能源藻类产出的温度范围。而且在极端低温-10摄氏度，培养液的水温仍然能不低于20摄氏度。使用本发明提供的太阳能保温系统培养能源藻类大大提高了冬季能源藻类培养的产出。以上公开的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种用于能源藻类培养的太阳能保温系统，该系统包括保温培养室、储热水箱和太阳能集热器，其中所述保温培养室包括保温棚、和至少一个培养池，所述至少一个培养池置于所述保温棚内部，所述保温棚由透光保温材料搭建形成，所述培养池具有一个透光保温层，其可拆卸地覆盖所述培养池的上开口；所述培养池和所述储热水箱流体连通，所述储热水箱和所述太阳能集热器流体连通， 所述培养池内具有用于培养能源藻类的培养液，部分所述培养液经由所述储热水箱进入所述太阳能集热器内加热，该加热后的培养液回流至所述储热水箱中，并最终由所述储热水箱中回流至所述培养池内。
2.根据权利要求I所述的太阳能保温系统，其特征在于保温棚的骨架支撑至少一层阳光板，使保温棚内部形成相对封闭结构，可以使保温棚内部的空气与棚外的冷空气隔离避免热传递；优选地，使用厚度为3mm 8mm，透光率达到 80%及以上的双层阳光板作为构成保温棚侧壁及顶部的透光保温材料。
3.根据权利要求2所述的太阳能保温系统，其特征在于所述保温棚的尖顶脊高和侧壁的高度的比例为2 : I到3 : 1，优选2 I;以及所述保温棚的两侧壁之间的距离与搭建成型的保温棚110两顶端之间的长度的比例为 8 I 到 10 1，优选 10 I。
4.根据权利要求I所述的太阳能保温系统，其特征在于所述培养池从顶部到池底的深度范围在15cm 30cm之间,优选在20cm 25cm之间。
5.根据权利要求1-4中任一项的太阳能保温系统，其特征在于所述透光保温层是透光率在85%以上的玻璃，优选的，透光率在90-95%，更优选的， 所述透光保温层是浮法白玻璃，厚度范围为2mm 5mm。
6.根据权利要求I所述的水循环保温系统，其特征在于该系统还包括辅助换热器，该辅助换热器设置在所述培育池与所述储水箱之间，并与所述培育池和所述储水箱流体连通，来自所述培育池的培育液经由该辅助换热器后进入所述储水箱；所述辅助换热器具有热源，该热源用于加热经过所述辅助换热器的培育液。
7.根据权利要求6所述的太阳能保温系统，其特征在于，所述热源包括热电发电中需冷却的热源、化工生产中需冷却的热源、水泥生产中需冷却的热源、热力管网热源或其组合。
8.根据权利要求I所述的太阳能保温系统，其特征在于，所述太阳能集热器包括热管式真空管、平板式真空管、玻璃管真空管或其组合。
9.根据权利要求I所述的太阳能保温系统，其特征在于培养池内的培养液温度保持在20 40摄氏度之间。
10.使用权利要求1-9中任一项所述的太阳能保温系统培养能源藻类和生产乙醇的方法，优选的，所述方法可在寒冷室外温度条件下采用，更优选的，可在平均室外温度低于零度的情况下采用。
全文摘要
本发明提供了一种用于能源藻类培养的太阳能保温系统，该系统包括保温培养室、储热水箱和太阳能集热器，其中所述保温培养室包括保温棚、和至少一个培养池，所述至少一个培养池置于所述保温棚内部，所述保温棚由透光保温材料搭建形成，所述培养池具有一个透光保温层，其可拆卸地覆盖所述培养池的上开口。本发明还提供了还提供了使用太阳能保温系统培养能源藻类和生产乙醇的方法。本发明提供的方法和系统可以控制冬季能源藻类培养的成本，提高冬季能源藻类培养的产出。
文档编号C12N1/12GK102604814SQ201110021559
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者范文俊, 郑晓光 申请人:浙江齐成科技有限公司