專利名稱：：增強(qiáng)光合作用的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及ー種利用廢ニ氧化碳和廢熱來促進(jìn)光合生物培養(yǎng)的多層系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明涉及一種并入上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料以及適合于增強(qiáng)光合生物生長的其它組件的多層系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：溫室效應(yīng)主要是由于地球大氣內(nèi)積累過多ニ氧化碳而產(chǎn)生的。ニ氧化碳與水蒸汽、甲烷和其它所謂的溫室氣體一起吸收來自陽光的紅外輻射，并同時(shí)阻止熱量散逸至外太空。截留在大氣層中的一些熱量會(huì)被轉(zhuǎn)移至海洋中，同時(shí)也提高了海洋的溫度。最終導(dǎo)致了全球變暖。大氣層中二氧化碳的増加主要是由于例如煤、石油和天然氣等礦物燃料的使用。土壤的耕耘和森林的砍伐也會(huì)間接地增加大氣中二氧化碳的含量。光合作用是ー種自然過程，生命系統(tǒng)可以通過所述過程來除去大氣中的ニ氧化碳并將其轉(zhuǎn)變成有機(jī)含碳化合物。在碳循環(huán)中，主要的光合生物是植物、浮游生物、海藻和藍(lán)藻。它們不僅在食物鏈中扮演了重要的角色，即將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，從而為高等真核生物提供食物；而且在通過光合作用消耗ニ氧化碳從而維持大氣中二氧化碳含量的過程中也是重要的。姆年大約有1000億噸的碳通過光合作用被轉(zhuǎn)變成碳化合物。陽光是光合作用中進(jìn)行光依賴性反應(yīng)的必需要素。從物理上來說，陽光可被分解為大的連續(xù)輻射波譜，稱電磁波譜。每種特定波長的輻射都擁有與其相伴隨的特征量的能量。光譜，展現(xiàn)出不同波長的光對于特定需光過程的相對效率的光譜被稱為作用光譜。光依賴性反應(yīng)主要發(fā)生在電磁波譜的約380nm與約750nm之間的波段內(nèi)，即電磁波譜的可見光部分。在此波段之外的電磁波(如紫外線(UV)和紅外線(IR))不僅對光合作用無益，甚至對光合生物有害。為了在光合生物中將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，光首先必須被稱為色素的物質(zhì)所吸收。但是，并不是所有波長的光都能被吸收。光合生物中的大部分色素只吸收適合于進(jìn)行光合作用的特定波長的光，而其它波長的光則被反射或透射。色素的光吸收模式被稱為所述物質(zhì)的吸收譜。當(dāng)ー種色素的光吸收譜與ー個(gè)特定需光過程的作用光譜在模式上相似吋，這種色素即被認(rèn)為是對此特定需光過程有效。例如，葉綠素的光吸收譜與光合作用的作用光譜相似，因此，葉綠素被認(rèn)為是光合作用的主要色素。具體地說，葉綠素α是所有光合真核生物和藍(lán)藻進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用所必不可少的；葉綠素的其它亞型，如葉綠素b(綠藻類、裸藻類和大多數(shù)植物中的ー種輔助色素)、葉綠素c(褐藻類和硅藻類中葉綠素b的替代物)、細(xì)菌葉綠素(在諸如紫菌的一些細(xì)菌中)和綠菌葉綠素(chlorobiumchlorophyll)(在綠色硫黃菌(greensulfurbacteria)中)，是葉綠素α基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的化學(xué)變體，其在吸收譜上有細(xì)微差別。另外兩類在捕獲光能中所涉及的色素是類胡蘿卜素和藻膽色素，前者主要負(fù)責(zé)防止葉綠素分子受到光氧化損害，而后者主要存在于藍(lán)藻和紅藻中。為了充分利用陽光的全波譜，近年來上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料(UCL)和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料(DCL)已被用于將不可見光轉(zhuǎn)變成適合于光合生物的可見光，以便于光合生物可最大限度地進(jìn)行光依賴性反應(yīng)。通過使用這些發(fā)光材料，光合生物能夠以合適的波長吸收最大量的光能。美國專利第6，883，271號(hào)中公開了ー種將紫外光轉(zhuǎn)變成用于植物(plant或vegetable)生長的生長增強(qiáng)光的裝置。但是，此裝置只限于轉(zhuǎn)變紫外光，并且不能將大范圍的不可見光轉(zhuǎn)變成特定光合生物所使用的特定波長的可見光。此裝置不是用于生長例如藻類等光合生物的自我維持系統(tǒng)，因?yàn)樵孱愒耘嘈枰蜖I養(yǎng)循環(huán)系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)。雖然美國專利第7，008,559號(hào)中公開了將UCL材料和DCL材料作為溫室環(huán)境中的光轉(zhuǎn)換材料，但是其設(shè)計(jì)并不能有效地將可見光從不同角度傳送至多層建筑的每ー層，而且還受限于草本植物和木本植物的生長。除了除去大氣中多余的ニ氧化碳，上述光合生物還可成為替代能源的候選物，因?yàn)槠涓碑a(chǎn)物和/或生物質(zhì)可被轉(zhuǎn)變?yōu)樯锶剂?。例如，來源于油料種子植物(如大豆、向日葵和油棕櫚樹等)(Durrett等人，2008)或微藻類(Hu等人，2008)中的三?；视偷挠涂杀恢瞥缮锊裼汀Ｔ孱愂巧锶剂细鼮閮?yōu)選的來源，因?yàn)樽罱末`項(xiàng)研究掲示與生物燃料的其它來源相比，藻類擁有固有的優(yōu)勢，例如產(chǎn)率更高、細(xì)胞分裂速度更快以及質(zhì)量更好(Robert,2009)。因此，本領(lǐng)域中需要一種改進(jìn)的系統(tǒng)來處理不想要的ニ氧化碳和廢熱，并且在光合生物的培養(yǎng)中對光進(jìn)行有效利用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種用于處理廢ニ氧化碳和廢熱并產(chǎn)生可用于(但不專門)生物燃料生產(chǎn)的光合生物的多層系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明涉及ー種利用上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料(upconvertinganddownconvertingluminescentmaterials)將陽光中的小可見光轉(zhuǎn)變成具有適合于光合生物生長的波長的可見光的多層系統(tǒng)。在示例性實(shí)施方案中，所述多層系統(tǒng)可以自我維持或可經(jīng)配置以并入其它系統(tǒng)/基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中。在本發(fā)明的一方面中，多層系統(tǒng)包含以下部件的ー個(gè)或多個(gè)(I)ニ氧化碳/廢熱接收部件；(2)光轉(zhuǎn)換部件；(3)光收集和分布部件；和(4)生物反應(yīng)器。本發(fā)明的ニ氧化碳/廢熱接收部件可包括與ー個(gè)或多個(gè)發(fā)電廠或ニ氧化碳/廢熱排放源相連的管路。ニ氧化碳/廢熱接收部件可包括ー個(gè)以上的與多層系統(tǒng)的任何部件相連的管路，其中二氧化碳和廢熱可以從多層系統(tǒng)再循環(huán)回ニ氧化碳/廢熱接收部件中，并進(jìn)ー步進(jìn)入生物反應(yīng)器中。ニ氧化碳/廢熱接收部件還可包括純化和濃縮系統(tǒng)，用于提取對光合生物有害的任何氣體，并在ニ氧化碳轉(zhuǎn)移至生物反應(yīng)器之前將其濃縮。本發(fā)明的ニ氧化碳/廢熱接收部件還可包括ー個(gè)或多個(gè)熱泵。在一個(gè)實(shí)施方案中，熱泵是電カ閉路循環(huán)壓縮熱泵(electricclosed-cyclecompressionheatpump),其能夠?yàn)楸景l(fā)明的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)提供冷卻和加熱作用。在其它實(shí)施方案中，機(jī)械式蒸汽再壓縮熱泵可以利用廢熱來蒸餾海水，從而為生物反應(yīng)器提供潔凈水，以供光合生物生長。本發(fā)明的光轉(zhuǎn)換部件可包含ー層或多層下轉(zhuǎn)換和/或上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。在ー個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明中使用的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是量子點(diǎn)，所述量子點(diǎn)是選自半導(dǎo)體、無機(jī)或金屬材料的納米顆粒。每個(gè)下轉(zhuǎn)換發(fā)光層可包含一種或多種類型的量子點(diǎn)。一般來說，量子、點(diǎn)被用于吸收包括紫外光在內(nèi)的高能量光，并發(fā)射在約30011111至2，00011111范圍內(nèi)的波長較窄的低能量光。根據(jù)已選定的特定生物內(nèi)的光合色素的吸收譜，可以通過使用量子點(diǎn)的不同組合來選擇特定波長的光。本發(fā)明的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以是納米顆粒或塊體形式(inabulkform),且選自摻雜了鑭系元素離子的金屬氧化物、或過渡金屬化合物。在本發(fā)明中，更優(yōu)選納米顆粒形式的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，因?yàn)槠浔葔K體形式的同種材料在光散射方面更低，且發(fā)光效率更高。一般來說，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料被用于吸收紅外光或近紅外光，并發(fā)射在約400nm至SOOnm范圍內(nèi)的具有較短波長的能量更高的可見光。與本發(fā)明的量子點(diǎn)層結(jié)合時(shí)，來自本發(fā)明的上轉(zhuǎn)換發(fā)光層的上轉(zhuǎn)換發(fā)射可部分或全部被量子點(diǎn)層所吸收，并重新發(fā)射所需波長的光。上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料層還可被ー個(gè)或多個(gè)透明層所覆蓋。這些材料至少構(gòu)成頂部的一部分、本發(fā)明的生物反應(yīng)器的至少ー個(gè)表面以及任選地多層系統(tǒng)側(cè)壁的一部分。本發(fā)明的多層系統(tǒng)可還包含日光照明裝置，此裝置包含光管和/或ー個(gè)或多個(gè)定日鏡(heliostat)。光管可進(jìn)ー步包含ー個(gè)或多個(gè)以下組件棱鏡導(dǎo)光管(prismaticlightguide)、透鏡導(dǎo)光管(lensguides)、金屬反光管、鏡面管、光纖或其它光傳輸裝置。光管可位于多層系統(tǒng)內(nèi)部或與多層系統(tǒng)分開。在不例性實(shí)施方案中，定日鏡位于多層系統(tǒng)外的姆ー層。定日鏡可進(jìn)ー步包含一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器和/或擴(kuò)散器。光管或定日鏡可另外包覆一層或多層上轉(zhuǎn)換和/或下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。例如玻璃或反光鏡等額外反射元件可被用于將光從發(fā)射器或擴(kuò)散器引導(dǎo)至本發(fā)明的生物反應(yīng)器。光轉(zhuǎn)換部件可進(jìn)ー步包含一個(gè)或多個(gè)光伏器件，所述器件包含ー個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)層。來自光伏器件的能量可被用于驅(qū)動(dòng)水泵、空氣循環(huán)器等，從而使多層系統(tǒng)能夠自給自足。光合生物在本發(fā)明的生物反應(yīng)器中進(jìn)行生長。光合生物可包括油料種子植物和藻類。本發(fā)明的光合生物可以是能進(jìn)行光合作用的天然存在或遺傳修飾的生物。這些生物可被用于生產(chǎn)生物燃料和其它副產(chǎn)物。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中培養(yǎng)藻類。本發(fā)明的生物反應(yīng)器任選地包含ー個(gè)或多個(gè)水浴器，以控制生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度。本發(fā)明的生物反應(yīng)器可另外包含營養(yǎng)供給。本發(fā)明的生物反應(yīng)器的至少ー個(gè)表面可也被包覆一層或多層上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。本發(fā)明的另一方面是提供利用廢ニ氧化碳和廢熱培養(yǎng)光合生物的方法。本發(fā)明的處理廢ニ氧化碳/廢熱的方法可包括以下步驟從發(fā)電廠、制造設(shè)施或廢ニ氧化碳/廢熱的其它來源中收集ニ氧化碳/廢熱和/或從具有生物反應(yīng)器的多層系統(tǒng)再循環(huán)ニ氧化碳，將ニ氧化碳轉(zhuǎn)移至生物反應(yīng)器，為生物反應(yīng)器提供光合生物和養(yǎng)分，將不可見光轉(zhuǎn)變成可見光井將其傳送至生物反應(yīng)器以供光合生物生長，和將光合生物收集于ー個(gè)或多個(gè)用于收獲和精制的處理器中。所述處理器可位于多層系統(tǒng)內(nèi)部或與多層系統(tǒng)分開。本發(fā)明適用于高ニ氧化碳排放/廢熱場所，例如發(fā)電廠或其它高ニ氧化碳排放制造設(shè)施。此外，本發(fā)明中所產(chǎn)生的光合生物可任選地用于生物燃料的生產(chǎn)。本發(fā)明的這些和其它目的、方面和實(shí)施方案將在下文中參考以下附圖進(jìn)行詳細(xì)描述，其中圖I是描述了配備有用于培養(yǎng)光合生物的本發(fā)明系統(tǒng)的多層建筑及其與其它必要組件的相互作用的流程圖；圖2a圖示了本發(fā)明的光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中上轉(zhuǎn)換發(fā)光層和量子點(diǎn)層的組合；圖2b圖示了夾在兩個(gè)量子點(diǎn)層中間的上轉(zhuǎn)換發(fā)光層的組合；圖3圖示了多層系統(tǒng)的剖視圖；圖4圖不了多層系統(tǒng)的ー層的橫切面圖；圖5圖不了多層系統(tǒng)的另ー層的橫切面圖；圖6圖示了ー些自我維持型組件和定日鏡被并入多層系統(tǒng)中的情況；圖7圖示了配備有本發(fā)明系統(tǒng)的多層建筑的頂部的頂視圖；圖8是描述了多層系統(tǒng)的自我維持型模型的流程圖。具體實(shí)施例方式圖I是描述了多層生物反應(yīng)系統(tǒng)100與其它組件之間的相互作用的示意圖，所述其它組件用于系統(tǒng)中的光合生物進(jìn)行光合作用的光依賴性反應(yīng)，并同時(shí)產(chǎn)生生物燃料和其它副產(chǎn)物。多層系統(tǒng)100從發(fā)電廠110接收廢ニ氧化碳111和廢熱112。其它來源(圖中未顯示)也可以用于提供ニ氧化碳和/或廢熱。多層系統(tǒng)100也可以從海洋120或其它來源(圖中未顯示)接收海水，以供多層系統(tǒng)100中水浴器(圖中未顯示)和生物反應(yīng)器(圖中未顯示)的運(yùn)行。視生物反應(yīng)器中待生長的光合生物而定，海水源可以用淡水源來替代。不管利用海水源還是淡水源，對于所述系統(tǒng)皆可獲得待在生物反應(yīng)器中生長的光合生物。或者，光合生物也可以從其它來源獲取。多層系統(tǒng)100還需要陽光130或來自人造光源(圖中未顯示)的光，所述人造光源具備或不具備電磁輻射的全波譜。例如，此光源可以包括紫外光、紅外光或電磁輻射全波段內(nèi)可獲得的波長的任何輻射。多層系統(tǒng)100還包含一系列的光轉(zhuǎn)換和光傳送裝置(圖中未顯示)，用于將來自光源的光轉(zhuǎn)換成特定波長或波長范圍較窄的光井引導(dǎo)轉(zhuǎn)換后的光進(jìn)入系統(tǒng)中的生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器本身也包覆有光轉(zhuǎn)換裝置，用于將入射光轉(zhuǎn)換成合適波長以供反應(yīng)器中微生物進(jìn)行光合作用。此外，也可并入光伏器件(圖中未顯示)以將來自光源的光能轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)或其它操作需要的電能。多層系統(tǒng)100還需要營養(yǎng)源140。營養(yǎng)源140可為光合生物進(jìn)行光合作用提供氮、磷、鉀、鋅和任何其它必要元素。此營養(yǎng)源可以從任何廢物處理廠(圖中未顯示)獲取，或者通過從可能位于廠區(qū)外的生物燃料廠(未顯示)的副產(chǎn)物再循環(huán)來獲取。位于每個(gè)生物反應(yīng)器中的光合生物產(chǎn)生氧氣150。將直接由光合作用產(chǎn)生的生物燃料160或含有生物燃料160的光合生物的生物質(zhì)送到一個(gè)或多個(gè)處理器或設(shè)備，以便進(jìn)一步處理成生物燃料和/或其它副產(chǎn)物。任選地，處理器可包含于多層系統(tǒng)內(nèi)或可在獨(dú)立的設(shè)施中。在多層系統(tǒng)100中，光轉(zhuǎn)換裝置是ー系列的發(fā)光材料，其可以將低能量光上轉(zhuǎn)換或?qū)⒏吣芰抗庀罗D(zhuǎn)換成連續(xù)的或特定波長的光，這些光可被光合生物中的色素吸收以用于進(jìn)行光合作用。這些材料位于多層系統(tǒng)的頂部、生物反應(yīng)器的表面和任選地壁的至少一部分。為了實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換，不同種類的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料被使用。圖2a中，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料層210位于三種不同量子點(diǎn)的三個(gè)層220、230、240上，形成了發(fā)光材料層的夾層結(jié)構(gòu)。第一量子點(diǎn)層220由多個(gè)第一量子點(diǎn)納米顆粒組成。第二量子點(diǎn)層230由多個(gè)第二量子點(diǎn)納米顆粒組成。第三量子點(diǎn)層240由多個(gè)第三量子點(diǎn)納米顆粒組成。量子點(diǎn)納米顆粒的不同種類可以通過材料的差異、粒徑的差異或者粒徑分布的差異來進(jìn)行區(qū)分。換句話說，三個(gè)不同的量子點(diǎn)納米顆粒層可由相同的材料制成，但是粒徑或粒徑分布卻不同。例如，第一量子點(diǎn)層可能由直徑為5.Onm的CdSe量子點(diǎn)納米顆粒組成，以發(fā)射中心波長大約為625nm的福射，而第二量子點(diǎn)層則由直徑為2.2nm的CMSe量子點(diǎn)納米顆粒組成，以發(fā)射中心波長大約為500nm的福射。圖2b中，上轉(zhuǎn)換發(fā)光層210被夾在第一量子點(diǎn)層220和第二量子點(diǎn)層230之間。量子點(diǎn)層和上轉(zhuǎn)換層按不同組合和順序使用會(huì)導(dǎo)致不同的轉(zhuǎn)換特征。上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光層還被位于夾心結(jié)構(gòu)頂部和底部的玻璃層250(其可以由聚合材料或任何透明材料所替代)所覆蓋，用于保護(hù)上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換層。從微觀的角度來看，每個(gè)量子點(diǎn)納米顆粒任選地包含核和覆蓋層。核主要由選自IIA-VIA、IIA-VA、IVA-IVA和IVA-VIA半導(dǎo)體的半導(dǎo)體制成。核的大小范圍是約Inm至50nm,優(yōu)選約Inm至25nm,更優(yōu)選約Inm至IOnm,最優(yōu)選約Inm至5nm。覆蓋層的大小范圍是約O.Inm至IOnm,更優(yōu)選約O.Inm至5nm,最優(yōu)選約O.Inm至2nm。覆蓋層通過提供寬帶隙(widebandgap)而使核鈍化。為了在核的周圍形成潛在的屏障,覆蓋層的材料也與核不同。例如，覆蓋層可能由CdS制成,而核則由CdSe制成。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料典型地選自摻有鑭系元素離子(如Er3+、Tm3+和Yb3+)的金屬氧化物。但是，諸如過渡金屬化合物(例如，摻有CsMnCl3的Yb3+)的其它材料也可以使用。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以是納米顆粒形式或塊體形式。與塊體形式相比，納米顆粒上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的光散射更低，且發(fā)光效率更高。圖3是多層系統(tǒng)300的剖視圖。光管310位于系統(tǒng)的中軸線上，伸向陽光可以到達(dá)的頂部并延伸至生物反應(yīng)器316所在的較低層。多層系統(tǒng)的頂部301和任選地壁的至少一部分被光轉(zhuǎn)換材料所覆蓋，包括(但不限干)呈例如圖2所描述的結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換和/或下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。光管在靠近頂部的地方包含ー級(jí)光學(xué)元件311和ニ級(jí)光學(xué)元件312。一級(jí)光學(xué)元件311可以是具有凹面的反射鏡、或會(huì)聚鏡，用于采集陽光，然后反射到ニ級(jí)光學(xué)元件312上。ニ級(jí)光學(xué)元件312可以是光學(xué)反射鏡或反射器。ニ級(jí)光學(xué)元件優(yōu)選還能夠從聚焦光線中吸收至少一部分熱量并使光線朝向光管重新定向。ー級(jí)光學(xué)元件或ニ級(jí)光學(xué)元件任選地另外包含ー個(gè)或多個(gè)光伏電池(圖中未顯示)，用于將陽光轉(zhuǎn)換成電能以供設(shè)備(例如用于生物反應(yīng)器的水泵)運(yùn)行。光管310可以是ー個(gè)或多個(gè)棱鏡導(dǎo)光管的形式(圖中未顯不)。這些棱鏡導(dǎo)光管是帶有矩形或環(huán)形橫切面并具有由薄棱鏡制成的邊界曲面的中空管。棱鏡導(dǎo)光管的棱形部分位于光管中主引導(dǎo)管的外側(cè)；而其內(nèi)表面是光滑平整的。棱鏡導(dǎo)光管的內(nèi)表面可與高反射率的多層介電薄膜一起排列。光線順著中空管向下傳播，觸到平滑表面并被部分反射和折射。反射光沿著光管的主引導(dǎo)管繼續(xù)向下；而折射光在通過一段短距離后在棱鏡邊緣被完全內(nèi)部反射，然后再次進(jìn)入棱鏡導(dǎo)光管的中空內(nèi)表面。在多層系統(tǒng)的每ー層，光管310另外包含孔穴(aperture)和/或發(fā)射器313?？籽ê?或發(fā)射器313用于去除在不同高度穿過多層建筑的光?？籽ê?或發(fā)射器可以由分散系統(tǒng)314所替代，此分散系統(tǒng)具有與光管的主引導(dǎo)管相連的延長管道。分散系統(tǒng)314用于將一部分光傳送到離光管的主引導(dǎo)管較遠(yuǎn)的區(qū)域。在光管的主引導(dǎo)管的末端包含擴(kuò)散器315，用于使光漫射并給多層系統(tǒng)中包含生物反應(yīng)器的最底層提供均勻照明(因?yàn)槔绲孛婊虻叵碌纫粋€(gè)或多個(gè)較低層用于容納各種設(shè)備，如泵、離心機(jī)或用于收獲光合生物的超聲或過濾系統(tǒng)、有或沒有浮選的絮凝沉淀池等)。擴(kuò)散器315可以是凸透鏡或任何放大鏡。擴(kuò)散器315以與分散系統(tǒng)314相類似的方式發(fā)揮功能，但系統(tǒng)的有效部分有區(qū)別。如果期望，孔穴/發(fā)射器/擴(kuò)散器/分散裝置或光管的任何部分可以用本發(fā)明中闡述的光轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行覆蓋。在多層系統(tǒng)300的每ー層中都有ー組生物反應(yīng)器316。為了維持生物反應(yīng)器的溫度適于光合生物生長，生物反應(yīng)器316的周圍可任選地放置水浴器317。在姆個(gè)生物反應(yīng)器316中，光合生物在必要養(yǎng)分和ニ氧化碳的存在下被保持和生長。生物反應(yīng)器316上也可以包覆一層或多層上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。具體光合生物可選自藍(lán)藻(Cyanophyceae)、綠藻(Chlorophyceae)、娃藻(BaciIIariophycea)、黃綠藻(Xanthophyceae)、金藻(Chrysophyceae)、紅藻(Rhodophyceae)、揭藻(Phaeophyceae)、溝鞭藻(Dinophyceae)或超微型浮游生物(pico-plankton)(青綠藻(Prasinophyceae)和大眼藻(Eustigmatophyceae))或任何其它光合材料,其能夠在本發(fā)明的環(huán)境中生長并可以用于制造燃料或食物或兩者的組合。ニ氧化碳是由ニ氧化碳排放源(圖中未顯示)如發(fā)電廠或焚燒廠提供，或從多層系統(tǒng)本身循環(huán)到每個(gè)生物反應(yīng)器，典型的是通過氣體擴(kuò)散器引入到生物反應(yīng)器的液體中。但是，根據(jù)所選的光合生物，從多層結(jié)構(gòu)中的大氣吸收ニ氧化碳可以是足夠的。水浴器317中任選地用于控制生物反應(yīng)器316溫度的媒介可以是海水、淡水或系統(tǒng)其它部分的循環(huán)水。水浴器317可以與生物反應(yīng)器316分開。繼續(xù)向下到達(dá)多層系統(tǒng)的底層302(和任選地ー個(gè)或多個(gè)地下層)，系統(tǒng)內(nèi)并入處理系統(tǒng)318以用于控制物質(zhì)的輸入和輸出。此處理系統(tǒng)318還通過使用ー個(gè)或多個(gè)泵來控制系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的循環(huán)。此外，這個(gè)/這些層上可包含絮凝沉淀池、離心機(jī)或用于收獲光合生物的超聲或過濾系統(tǒng)、光合生物的生物質(zhì)的脫水或干燥裝置，及油提煉和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等。另夕卜，處理系統(tǒng)318可還具有電カ儲(chǔ)存裝置(圖中未顯示)，用于儲(chǔ)備從系統(tǒng)的光伏器件所產(chǎn)生的但未使用的電能。任選地，由于生物反應(yīng)器不在層，因此底層的外壁使用不透明的耐熱材料進(jìn)行覆蓋。圖4是多層系統(tǒng)中某層的剖面圖。包含生物反應(yīng)器的水浴器410通過多層系統(tǒng)的覆蓋層420或從光管430直接吸收光。覆蓋層420用圖2中的光轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行包覆，并且是透明或半透明的。反射鏡或透鏡440靠近光管的開ロ放置，將來自光管430的孔穴(圖中未顯示)的光引導(dǎo)至生物反應(yīng)器接收最大光強(qiáng)度的方向。水浴器450可與生物反應(yīng)器分開，以作為多層系統(tǒng)其它部分的總溫控系統(tǒng)。圖5是多層系統(tǒng)中另一層的剖面圖。在這ー層中，水浴器520占據(jù)了平面圖的大部分并包圍多個(gè)生物反應(yīng)器510，其在此實(shí)施例中具有細(xì)長的剖面圖。在光管530的出口設(shè)置了多個(gè)反射鏡或透鏡540用于引導(dǎo)光進(jìn)入生物反應(yīng)器。細(xì)長的生物反應(yīng)器510平行排列，使得每個(gè)生物反應(yīng)器細(xì)長側(cè)與穿過多層系統(tǒng)覆蓋層550的陽光相垂直。這是因?yàn)樯锓磻?yīng)器面向光線的表面越大，光合生物吸收的光強(qiáng)度就越高。覆蓋層550用圖2的光轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行包覆，并且是透明或半透明的。從外部來源如發(fā)電廠(圖中未顯示)傳輸?shù)臒帷墓夥姵?圖中未顯示)產(chǎn)生的熱或從多層系統(tǒng)中任何部分再循環(huán)的熱都可以用于提高水浴器的溫度。對于藻類的生長，水浴器中的溫度優(yōu)選控制在10°C與35°C之間，且最佳溫度視生物反應(yīng)器中藻類的種類而定。圖6中，光伏電池610位于多層系統(tǒng)600頂部的邊緣，其中光伏電池任選地由光轉(zhuǎn)換裝置620覆蓋，從而提高光伏電池的電輸出。光伏電池610主要用于吸收陽光，并通過使用由吸收的光與電池活性層的成分相互作用而產(chǎn)生的電流將陽光轉(zhuǎn)換成電。光伏電池610的活性層(圖中未顯示)選自有機(jī)材料、無機(jī)材料或兩者的組合。光轉(zhuǎn)換裝置620可以通過在波導(dǎo)管中使用量子點(diǎn)層作為光伏電池的聚能器而在光伏電流效率上有所幫助，并且使進(jìn)入光伏器件的光發(fā)生紅移。此外，光伏電池可任選地位于壁上(例如，壁的接合處)以滿足系統(tǒng)的電カ需求。多層系統(tǒng)600還包含ー個(gè)或多個(gè)定日鏡630，用于跟蹤、收集和校準(zhǔn)陽光，使其進(jìn)入光分布系統(tǒng)640，然后進(jìn)一歩將光傳送至期望生物反應(yīng)器中。定日鏡630可以是單個(gè)循跡反光鏡(trackingmirror)，或凹面循跡反光鏡和ニ級(jí)平面鏡的組合。兩者都用于將來自多層建筑側(cè)面的陽光引導(dǎo)至系統(tǒng)中的ー個(gè)或多個(gè)較低層。在光分布系統(tǒng)的沿線或末端，可存在發(fā)射器650和/或擴(kuò)散器660用于去除穿過系統(tǒng)的各種光，井分別為生物反應(yīng)器670提供均勻照明。如果期望，發(fā)射器或擴(kuò)散器可用本發(fā)明的圖2的光轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行覆蓋。定日鏡可用于高度高于30米(高于大約10層)的多層建筑。在多層系統(tǒng)的底層，地下水管680和水溫度調(diào)節(jié)裝置690—起與處理系統(tǒng)相連。為了冷卻來自水浴器675或生物反應(yīng)器670的循環(huán)水，地下水管680被配置成從地下穿過。這通常被應(yīng)用于夏季或溫暖氣候區(qū)域。廢熱回收蒸煮裝置作為水溫度調(diào)節(jié)裝置690的一部分被整合到多層系統(tǒng)中，用于加熱來自水源(圖中未顯示)的海水或淡水，所述裝置可在冬季中寒冷天氣中使用?；蛘?，可安裝熱泵作為水溫調(diào)節(jié)裝置690，其典型地是以廢熱為熱源的電カ閉路循環(huán)壓縮熱泵，為多層系統(tǒng)供冷供熱。其它可能的用于協(xié)助處理ニ氧化碳(例如，電廠排放物中毒煙的去除)和生產(chǎn)生物燃料的系統(tǒng)可任選地并入多層系統(tǒng)600中。圖7顯示圖6的實(shí)施例中多層系統(tǒng)的頂視圖。從此頂視圖可以看出，光伏電池710(具有任選的光轉(zhuǎn)換覆蓋層)位于多層系統(tǒng)700頂部的邊緣。光伏電池的數(shù)量視系統(tǒng)的需求而定，主要是電カ需求。如上文實(shí)施方案所描述的，多層系統(tǒng)的頂部由本發(fā)明圖2中闡述的光轉(zhuǎn)換裝置覆蓋。此實(shí)施方案中光伏電池710的位置是為了避免被引導(dǎo)至覆蓋于頂部表面上的光轉(zhuǎn)換裝置的陽光產(chǎn)生陰影。圖8是顯示多層系統(tǒng)不同部件中的物質(zhì)的流程的流程圖。發(fā)電廠810是廢ニ氧化碳和廢熱815的ー個(gè)來源。ニ氧化碳被引入生物反應(yīng)器的液體中以供光合生物的生長，而廢熱被轉(zhuǎn)移至一個(gè)或多個(gè)熱泵820。光伏電池830吸收陽光或來自光轉(zhuǎn)換裝置中量子點(diǎn)層(圖中未顯示)的紅移光來產(chǎn)生電835，并為熱泵820供電。本
技術(shù)領(lǐng)域：
中的絕大多數(shù)熱泵都依據(jù)蒸汽壓縮循環(huán)的原理來運(yùn)行。在這些熱泵的ー個(gè)實(shí)例中，從熱排放源(即當(dāng)前模型中的廢熱815)中提取廢熱以用于在泵中對循環(huán)物質(zhì)進(jìn)行蒸煮。然后壓縮機(jī)(圖中未顯示)壓縮循環(huán)物質(zhì)，并將其壓カ和溫度提高到其能量變得可用的程度。熱傳遞至冷凝器，然后泵送至重沸器(圖中未顯示)。壓縮機(jī)的運(yùn)行需要從外部輸入電，此電優(yōu)選由多層系統(tǒng)中的光伏電池830來供應(yīng)。機(jī)械式蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)820可以從海水中蒸餾出水，從而為生物反應(yīng)器和/或水浴器(圖中未顯示)提供潔凈水825，因?yàn)橥ㄟ^使用熱泵系統(tǒng)通?？梢允拐麴s的高能耗要求得到降低。任選地，另外ー種以廢熱為熱源的熱泵裝置820也可以對多層系統(tǒng)提供冷卻和加熱作用。典型地安裝電カ閉路循環(huán)壓縮熱泵，但是ー些吸熱泵和熱變換器也可以用于水的加熱和冷卻。生物反應(yīng)器中光合作用的副產(chǎn)物和光合生物845的生物質(zhì)、收獲、收集并在ー個(gè)或多個(gè)處理器850中處理。剩余的細(xì)胞和廢水855將被轉(zhuǎn)移至循環(huán)系統(tǒng)860中，該系統(tǒng)中對廢水和細(xì)胞855消毒的ー種方法是紫外線。循環(huán)系統(tǒng)860將滅菌后的水和細(xì)胞865供給生物反應(yīng)器，作為光合生物另一生長周期的物質(zhì)輸入的一部分。此流程圖證實(shí)了多層系統(tǒng)是高度自我維持的，并充分地利用廢ニ氧化碳、自然光源和廢熱來變?yōu)榛瘜W(xué)能(所收獲的光合生物)。如果需要，本文討論的不同功能可按照不同的順序和/或彼此同時(shí)進(jìn)行。此外，如果需要，上文所述的功能中的一種或多種可以是任選的，或可以組合。雖然本發(fā)明的各個(gè)方面在獨(dú)立權(quán)利要求中闡明，但是本發(fā)明的其它方面包括所述實(shí)施方案和/或從屬權(quán)利要求的特征與獨(dú)立權(quán)利要求的特征的其它組合，且不僅僅是所述權(quán)利要求中明確闡明的組合。本文中還應(yīng)注意，盡管上文描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，但是這些描述不應(yīng)理解為具有限制性。相反，可以進(jìn)行若干變化和修改而不超出如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求1.一種多層生物反應(yīng)系統(tǒng),其包含并入光轉(zhuǎn)換材料的頂部，所述光轉(zhuǎn)換材料包括一層或多層的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和一層或多層的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；支撐所述頂部的側(cè)壁，其至少部分并入所述光轉(zhuǎn)換材料，所述光轉(zhuǎn)換材料包括一層或多層的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和一層或多層的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；具有位于所述頂部附近的收集器的光管，所述收集器用于收集陽光，并通過位于所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的光導(dǎo)管將所述光傳送至所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的多個(gè)層；多個(gè)生物反應(yīng)器，用于容納處于包含養(yǎng)分的培養(yǎng)基中的光合生物，并被定位成從所述光管和光導(dǎo)管接收光以進(jìn)行光合作用；管道，被定位成連通廢二氧化碳排放源和廢熱排放源與所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)部，從而為所述生物反應(yīng)器提供二氧化碳和熱。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述光合生物是藻類。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其另外包含包圍一個(gè)或多個(gè)生物反應(yīng)器的一個(gè)或多個(gè)水浴器，用于將所述生物反應(yīng)器維持在選定溫度或溫度范圍。4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其另外包含位于所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面上的一個(gè)或多個(gè)定日鏡，用于通過定日鏡集光器來收集陽光，并通過光導(dǎo)管將來自所述定日鏡集光器的所述陽光傳送至所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的較低層。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述定日鏡集光器被光轉(zhuǎn)換材料覆蓋，所述光轉(zhuǎn)換材料包括一層或多層的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和一層或多層的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述光管的收集器被光轉(zhuǎn)換材料覆蓋，所述光轉(zhuǎn)換材料包括一層或多層的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和一層或多層的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)生物反應(yīng)器中的每一個(gè)都被光轉(zhuǎn)換材料所覆蓋，所述光轉(zhuǎn)換材料包括一層或多層的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和一層或多層的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其另外包含多個(gè)沿著所述頂部和/或壁的邊緣定位的光伏電池，所述定位使得所述光伏器件不干擾被傳送入所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的所述陽光。9.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述光轉(zhuǎn)換裝置的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料包含量子點(diǎn)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述量子點(diǎn)的核包含一種或多種選自IIA-VIA、IIIA-VA、IVA-IVA和IVA-VIA半導(dǎo)體的材料。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其中所述量子點(diǎn)的所述核的大小范圍是Inm至50nm。12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其另外包含一個(gè)或多個(gè)熱泵，所述熱泵使用廢熱將所述一個(gè)或多個(gè)水浴器維持在選定溫度或溫度范圍。13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)，其另外包含一個(gè)或多個(gè)熱泵，所述熱泵使用廢熱蒸餾海水或廢水，從而為所述生物反應(yīng)器提供潔凈水以供所述光合生物的生長。14.一種用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其包括提供具有一層或多層的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和一層或多層的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)；接收穿過所述上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的光，使得所接收光的波長范圍基本上是在可用于光合作用的范圍內(nèi)；在位于所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)生物反應(yīng)器中容納光合生物，并接收穿過所述上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的光；和從外部來源為所述光合生物提供廢熱和廢二氧化碳，從而增強(qiáng)光合作用。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其中所述光合生物是用于生產(chǎn)生物燃料的前體生物。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其中所述光合生物是藻類。17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其中所述生物反應(yīng)器另外容納用于所述光合生物的水和養(yǎng)分。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其另外包括通過泵送來循環(huán)所述水和養(yǎng)分。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其中光伏電池為泵送所述水和養(yǎng)分提供至少一部分所需的能量。20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其另外包括通過光管將光從所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的最高表面提供給所述多層生物反應(yīng)系統(tǒng)的較低層。21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于增強(qiáng)光合生物培養(yǎng)的方法，其另外包括通過包括離心、絮凝、過濾或超聲波的方法來收獲所述藻類。全文摘要本發(fā)明提供了一種利用廢二氧化碳(111)和廢熱(112，815)的多層生物反應(yīng)系統(tǒng)(100，300，600)，其并入上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料以及適合于增強(qiáng)光合生物(845)生長的其它組件。文檔編號(hào)C12M3/00GK102652172SQ201180000770公開日2012年8月29日申請日期2011年1月17日優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日發(fā)明者王蘭申請人:王蘭