一种植物氮肥原位合成并施加的方法及系统 |
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| 申请号 | CN202011181597.6 | 申请日 | 2020-10-29 | 公开(公告)号 | CN112266273B | 公开(公告)日 | 2021-12-31 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 鲜于斌; 周德江; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 植物 施肥 领域，具体公开一种植物氮肥原位合成并施加的方法及系统，方法包括：在植物一侧，对 太阳能 电池 的输出 电能 进行储存和升压，并将得到的高 电压 施加到 电极 上，在强 电场 的作用下击穿空气形成放电 等离子体 ；等离子体与空气中的氮气、 氧 气以及由储 水 灌所释放到反应槽的水发生反应，生成氮肥并将其释放到植物根部。本发明利用太阳能、空气和水为原料，采用等离子体固氮技术生成含氮水溶液，并直接施加到植物根系，是一种在植物植株附近利用等离子体固氮作用生成含氮水溶液，并现场施加到植物根系的技术。方便快捷，节约 能源 ，成本低，是一种环境友好的施肥方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种植物氮肥原位合成并施加的系统，其特征在于，设置于植物一侧，包括：太阳能电池，蓄电池，高压模块，高压放电电极，耐高压绝缘线，反应槽，储水灌，以及施肥导管；还包括雨水收集器；所述雨水收集器收集雨水并通过单向阀向所述储水灌提供水源； |
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| 说明书全文 | 一种植物氮肥原位合成并施加的方法及系统技术领域背景技术[0002] 固氮是指将空气中游离的氮气转化为含氮物质，如氨、氮氧化物、硝酸盐等。对于植物来说，硝酸盐等氮肥是其健康生长所必需的养分，而植物本身却无法直接利用空气中的氮气合成自身所需的含氮化合物。因此人们不得不对植物(农作物)定期施加氮肥以保证其正常生长。对于现代农业来说，氮肥是一种不可或缺的基本化肥，每年的使用量极其巨大。氮肥的价格甚至直接影响到食品价格。 [0003] 然而，大规模使用氮肥带来了一系列的问题。一方面，氮肥生产的各个环节消耗了大量的能量，仅合成氨一项就消耗了全球每年消耗的总能源的2％。与此同时，化肥生产工业还排放了大量二氧化碳等温室气体和有害气体。其中合成氨工业的温室气体排放约占全球温室气体排放量的1.0％(约占全球二氧化碳排放量的1.4％)。同时，定期施加氮肥也增加了农业工作者的工作量和农业生产成本，推高了食品价格。 发明内容[0004] 本发明提供一种植物氮肥原位合成并施加的方法及系统，用以解决现有植物氮肥施加成本高的技术问题。 [0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种植物氮肥原位合成并施加的方法，包括： [0006] 在植物一侧，对太阳能电池的输出电能升压，并将得到的高电压施加到电极上，在强电场的作用下击穿空气形成放电等离子体；所述等离子体与空气中的氮气、氧气以及由储水灌所释放到反应槽的水发生反应，生成氮肥并将其释放到植物根部。 [0007] 本发明的有益效果是：利用太阳能、空气和水为原料，采用等离子体固氮技术生成含氮水溶液，并直接施加到植物根系，是一种在植物植株附近利用等离子体固氮作用生成含氮水溶液，并现场施加到植物根系的技术。方便跨界，节约能源，成本低，是一种对环境友好的施肥方法。 [0008] 上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。 [0009] 进一步，所述储水灌内的水为雨水。 [0010] 本发明的进一步有益效果是：降低成本，节约能源。 [0012] 进一步，所述方法还包括：实时监控所述储水罐中的液面高度，当检测到所述液面高度高于阈值时，控制储水罐中的水流向所述反应槽； [0013] 其中，所述阈值根据天气和土地肥沃度设置。 [0014] 本发明的进一步有益效果是：通过监控储水罐的液面高度，来给出使得储水罐中的水流向反应槽的触发调节，也便于远程控制操作。 [0016] 太阳能电池向所述蓄电池输出电能对所述蓄电池充电，所述蓄电池向高压模块输出电能，所述高压模块对电能升压，并将得到的高电压施加到高压放电电极，其中，耐高压绝缘线的一端与高压模块负极连接，另一端接地，所述高压放电电极在强电场的作用下击穿空气形成放电等离子体；所述等离子体与空气中的氮气、氧气以及由储水灌所释放到反应槽的水发生反应，生成氮肥并将其通过施肥导管释放到植物根部。 [0017] 本发明的有益效果是：利用太阳能电池、等离子体发生模块以及自然环境中的空气和水，构建一种微型便携式无人监管等离子体固氮装置，放置于植物附近，可收集并储存雨水，将阳光转化为电能驱动等离子体，通过等离子体与水和空气中的氮气、氧气作用，合成含氮水溶液，水溶液合成之后立即缓慢释放到植物根部，为单株或小范围内的多株植物施加氮肥和水，是一种置于植物植株附近、便携式、无人监管的系统。 [0018] 进一步，所述蓄电池和所述高压模块之间设置有控制电路，所述控制电路用于检测并根据储水罐中水量、蓄电池电量、气温、土壤湿度和土壤肥度，设置所述高压模块的开启阈值；所述控制电路还根据远程指令设置所述高压模块开启后的放电时间、放电电压以及所述储水灌向所述反应槽的出水速度。 [0019] 进一步，还包括雨水收集器；所述雨水收集器收集雨水并通过单向阀向所述储水灌提供水源。 [0020] 进一步，所述系统还包括液位控制单元，用于实时监控所述储水罐中的液面高度，当检测到所液面高度高于阈值时，控制储水罐中的水流向所述反应槽； [0023] 图2为本发明实施例提供的一种植物氮肥原位合成并施加的系统示意图； [0024] 图3为图2对应的施肥方法流程图。 [0025] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中： [0026] 1为低压部分，2为高压模块，3为高压放电电极，4为空气放电等离子体，5为反应槽，6为耐高压绝缘线，7为绝缘外壳，8为升压开关，9为雨水收集器，10为单向阀，11为储水罐，12为施肥导管，13为施肥阀门。 具体实施方式[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0028] 实施例一 [0029] 一种植物氮肥原位合成并施加的方法100，如图1所示，包括： [0030] S110、在植物一侧，对太阳能电池的输出电能升压，并将得到的高电压施加到电极上，在强电场的作用下击穿空气形成放电等离子体； [0031] S120、等离子体与空气中的氮气、氧气以及由储水灌所释放到反应槽的水发生反应，生成氮肥并将其释放到植物根部。 [0032] 等离子体是固体、液体、气体之外的第四种物质形态，是一种整体呈电中性的活性粒子聚集体，具有独特的物理、化学性质。随着对等离子体理论研究的深入和等离子体技术的发展，等离子体在很多方面都有着巨大的应用价值，其中包括等离子体固氮应用。氮气的结构中存在十分稳固的氮氮三键，这使得氮气的反应活性很低，参与反应的能量势垒很高，不容易发生反应。而等离子体中的高能电子可以与气体分子相互作用，将粒子转为激发态，甚至可以打破化学键使其变成高度活化的自由基，令原本难以自发进行甚至不能发生的反应得以进行。因此等离子体可以在常温常压下利用电能和空气、水进行固氮，将氮气转化为氨气、一氧化氮和二氧化氮。这些含氮小分子都极易溶解于水中，形成亚硝酸根离子、硝酸根离子以及铵根离子。含有这些离子的水溶液是很好的氮肥，可以直接被植物根系吸收。与此同时，等离子体固氮仅需要空气、水和电能。其中空气和水都是自然界广泛存在的。而电能则可以通过太阳能电池产生。因此等离子体技术完全有条件在无人工干预的条件下自动利用阳光、空气和水合成氮肥。 [0033] 本方法利用太阳能电池，将阳光转化为电能；利用可充电电池储存电能；利用升压模块将电池提供的低电压电能转化为高电压；高电压施加到电极上，在强电场的作用下击穿电极附近的空气形成放电等离子体；利用等离子体与空气中的氮气、氧气以及储水罐中缓慢释放出的水发生反应，生成含硝酸根离子、亚硝酸根离子、铵根离子的水溶液；通过导管将含氮水溶液释放到植物根部。 [0034] 利用太阳能、空气和水为原料，采用等离子体固氮技术生成含氮水溶液，并直接施加到植物根系的方法。具体来说，根据本方法，可以利用太阳能电池、等离子体发生模块以及自然环境中的空气和水，构建一种微型便携式无人监管等离子体固氮装置，放置于植物附近，可收集并储存雨水，将阳光转化为电能驱动等离子体，通过等离子体与水和空气中的氮气、氧气作用，合成含氮水溶液，水溶液合成之后立即缓慢释放到植物根部，为单株或小范围内的多株植物施加氮肥和水。一种置于植物植株附近、便携式、无人监管的方式。 [0035] 需要说明的是，合成氮肥有两种方式，一种是空气等离子体利用空气中的氮元素生产NO、NO2等溶于水得到，另一种是等离子体与水、空气中的氮元素形成硝酸盐。 [0036] 优选的，储水灌内的水为雨水。降低成本，节约能源。 [0037] 优选的，采用控制电路来控制电池输出电能并进行升压。可以远程控制，也可实地控制。 [0038] 具体的，控制电路可用于检测并根据储水罐中水量、蓄电池电量、气温、土壤湿度和土壤肥度，设置高压模块的开启阈值；控制电路还根据远程指令设置高压模块开启后的放电时间、放电电压以及储水灌向反应槽的出水速度，整个过程无须人工干预，以实现自动化。 [0039] 优选的，方法还包括：实时监控储水罐中的液面高度，当检测到液面高度高于阈值时，控制储水罐中的水流向反应槽；其中，阈值根据天气和土地肥沃度设置。 [0040] 本实施例方法合理利用太阳能，减少了传统氮肥合成过程中的温室气体及有害气体排放。减少了能量消耗，避免了传统氮肥生产及运输过程的固定资产投入及运行成本。提高了农业生产自动化程度，大幅减少了农业生产作业工序，有利于提高农业生产效率。通过将氮肥和水分直接施加到植物根部，提高了肥料和水分的利用效率。可扩展性强，后续可进一步引入土质检测传感器，自动针对不同土壤环境设置不同运行参数，实现更精细化的因地制宜，提高农业管理精细化程度。 [0041] 实施例二 [0042] 一种植物氮肥原位合成并施加的系统，设置于植物一侧，包括：太阳能电池，高压模块，高压放电电极，耐高压绝缘线，反应槽，储水灌，以及施肥导管； [0043] 太阳能电池向高压模块输出电能，高压模块对电能升压，并将得到的高电压施加到高压放电电极，其中，耐高压绝缘线的一端与高压模块负极连接，另一端接地，高压放电电极在强电场的作用下击穿空气形成放电等离子体；等离子体与空气中的氮气、氧气以及由储水灌所释放到反应槽的水发生反应，生成氮肥并将其通过施肥导管释放到植物根部。 [0044] 优选的，蓄电池和高压模块之间设置有控制电路，控制电路用于检测并根据储水罐中水量、蓄电池电量、气温、土壤湿度和土壤肥度，设置高压模块的开启阈值，无需人工干预；控制电路还可以进行远程通讯，根据远程指令设置高压模块开启后的放电时间、放电电压以及储水灌向反应槽的出水速度。 [0045] 优选的，装置还包括雨水收集器；雨水收集器收集雨水并通过单向阀向所述储水灌提供水源。 [0046] 图2给出了本实施例装置的结构简图，包括：1、低压部分，包括太阳能电池和可充电电池；2、高压模块，作用是对低压进行升压处理，以达到放电的目的，可以是直流升压模块，也可以是逆变交流升压模块，也可以是脉冲高压发生模块，也可以是任意波形高压发生模块；3、高压放电电极，其主体部分的材料可以是钢、铜、铝等导电金属，其表面可以涂布催化剂，其结构可以为针状、棒状、板状或者其他放电结构；4、空气放电等离子体；5、反应槽，为槽式或者皿式，采用玻璃或耐腐蚀高分子材料，不用金属材质，因为硝酸盐溶液会腐蚀金属；6、耐高压绝缘线，一段接高压模块的负极，另一端放入容器的溶液内；7、绝缘外壳，其可以是塑料等材料；8、升压开关，在低压模块与高压模块之间，控制装置的工作状态，可以采用机械开关，或者远程无线控制开关；9、雨水收集器，用于收集雨水；10、单向阀，用于封闭下方的储水罐，防止水份蒸发；11、储水罐，用于储存收集的雨水并缓慢释放到反应槽5内；12、施肥导管，用于将等离子体处理生成的含氮水溶液导流到植物根部，13为用于控制反应槽中生产的氮肥流向植物的施肥阀门。 [0047] 如图3所示，首先在装置底端的容器(也即反应槽)中盛装一定量的水(自来水、雨水皆可)，将连接高压负极的绝缘线一端伸入溶液，然后按下(升压)开关，空气放电产生等离子体，进行等离子体固氮过程，此时所得的溶液中含有硝酸盐等物质，可直接用于施肥。如果开关采用远程遥控方式，则可根据远程指令控制装置运行。 [0048] 需要说明的是，系统中一共有三个阀门：控制电路的升压开关；控制储水罐出水的阀门；控制反应皿中合成液体流向植株的阀门。具体配合方式可为：储水罐阀门打开，水流向反应皿中，接着电路开关闭合，产生等离子体，与水反应合成氮肥，最后反应皿所带的阀门打开，含有氮肥的液体流向植株或者土地。 [0049] 另外，根据实际使用场景而设定系统在实地场景下的设置方式。比如植株较大时，可将装置小型化，每个植株配置一个系统；又比如植株较小时，可以将定制大型的装置，在一片区域内设置一个系统。 [0050] 优选的，系统还包括液位控制单元，用于实时监控储水罐中的液面高度，当检测到液面高度高于阈值时，控制储水罐中的水流向反应槽；其中，阈值根据天气和土地肥沃度设置。 |
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