CN108738419A - 利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，包括：储能模块、运输模块、气化发电模块、气化做功模块、喷爆深松模块、物料深施模块，本发明具有经济效益显著、生态效益显著、社会效益显著等诸多优点。

Description

利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法

技术领域

本发明涉及现代农业田间管理机械领域，特别涉及利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法。

背景技术

较传统农机平面破环性翻耕，立体保护性免耕技术及装备充分利用压缩气体进行土壤深松和物料深施原理能有效修复和改良土壤，其作业效率高、质量好和节能环保，代表了新一代耕作技术革新。该技术主要采用空气压缩机将电能转化为高压空气能，通过压缩空气瞬间释放致使空气迅速膨胀对土壤做功，将空气势能转化为土壤喷爆深松和物料喷射深施的机械能，从而实现高效进行保护性耕作目的。目前，相关立体保护性耕作装备采用搭载移动空压机或携带高压储气罐来提供压缩空气，而整个装备移动和相关控制需要的能源尚需燃油发动机或外接电源提供。

可再生清洁能源的应用是当今世界发展的必然趋势。可再生清洁能源尤其是风能和太阳能是间歇性能源，产生的能量不是持续性能量，不符合人们对能量的实际需求，同时有些可再生能源如海洋能、风能等还会受到地理环境的限制。这些可再生性能源需要一个合适能源储存系统，而目前大多数储能技术对这些间歇性可再生清洁能源的存储非常困难，且存在地理环境条件限制。但是，利用液化空气储能（LAES）技术可对可再生能源大规模进行有效储存，该技术不但可以对间歇性可再生能源进行有效储存，不受地理环境因素的限制，能有效解决弃电和峰谷差的问题，而且便于管理和运输，相关技术也较为成熟。

目前土壤深松机和土壤物料深施机，是利用搭载到机械平台上的空气压缩机或携带压缩空气储气罐来提供能源进行土壤气爆深松和（或）物料喷射深施，而机械运动和相关控制所需能源主要通过其他动力装置提供，如燃油发动机、电动机等，成套装备体系中能源结构复杂，能耗难以统一。

第一、气爆深松机或喷射物料深施机搭载压缩空气装置带来诸多不便。现有装置搭载相应空压机或高压储气罐，在实际应用中存在如下问题：

1、搭载空压机存在的缺陷：

（1）成本高：由于配套空压机一般体积较大，设备及装配复杂，易于损坏而导致停机，负载过重，能耗大且转化效率较低，运营和维修成本较高。深松深施作业用动力系统，除了压缩空气，还需燃油、电力等能源供给，系统复杂，能耗大，系统配合效率低。

（2）污染环境：首先，是噪音污染，不论是燃油发动机还是电动机，在实际运行过程中均有或大或小的噪音，影响作业环境，特别是晚上作业尤其严重；其次，碳排放污染环境。燃油发动机尾气排放对大气造成污染，增加了碳排放。

（3）有安全隐患：空压机产生的高压气体在移动作业中，因为不断剧烈震动容易产生安全隐患。

2、携带高压储气罐存在的隐患

（1）成本高、效率低。高压气体运输储存对技术要求较高且复杂，容器体积相对较大，能量储存密度不高致使单次作业循环时间较短，需要频繁充气加气，工序麻烦，因而单位成本较高。

（2）安全隐患大。在野外严酷环境进行深松或深松作业时，压力容器容易因震动导致安全系数降低，存在泄漏或爆炸隐患。

（3）体积大、载荷小、适用区域小。储蓄相同能量，高压储气罐占用的空间大且笨重，这为整个装置留下的有效载荷较小，使装置移动困难，适用区域变窄。

第二、储能液化空气应用场景较窄，可大规模应用领域较少。虽然目前储能液化空气生成储运技术较为成熟，但应用场景受限，其主要应用于单一的电力系统，转化效率低、限制因素多。尽管以各种不能充分利用的能源为动力（如风能、海浪能等），将空气进行液化存储的相关技术及配套设备较成熟，但是其储能系统主要应用于电力领域，即汽化生成高压空气带动汽轮机发电的高效蓄能发电系统，如风力发电、光伏发电、太阳热发电、火力发电、智能电网、离网发电、地热发电等，这种电力的储存和输出耗损较大，且受地理等限制因素较多。除此应用领域之外，利用储能液化空气直接做功的应用场景较少。

第三、结构复杂，操控繁琐，维修故障率高。在实现同样的功能前提下，传统方案能源不统一、形式多样，导致能源转化相关部件结构复杂，操控部件多，易于损坏，因而故障率和停机维修率高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，适用于各种能源富集且需储存的区域，其特点在于包括：

1）储能模块：将空气液化并储存，在能源富集且需要储能区域，利用该能源就地将空气液化并储存；

2）运输模块：液化空气运输及分装，用槽车或钢瓶等运输工具将储能液化空气运送到需要对土壤深松深施进行土壤耕作、改良、修复的区域，并根据实际情况，对液化空气进行再次分装储存，其方法包括但不限于直接用输送管道连接深松深施装置、小型液化钢瓶、储气罐等。

3）气化发电模块:将分装好的液化空气连接或搭载到深松深施装置（或移动平台），利用装置中的气化设备将液态空气进行气化，利用液化空气气化膨胀过程推动汽轮机做功发电，提供设备运行和控制过程中需要的能源。同时，充分利用气化过程中的冷能为设备运行中散热。

4)气化做功模块：充分利用气化发电后的压缩气体，通过气动马达、气缸、气动阀门等气动设备，将压缩气体膨胀的势能转化为执行深松深施装置的机械能，该气化做功模块包括推动装置行走、机械动作执行与控制等。

5）喷爆深松模块：将部分气动发电和气动做功后的压缩气体，接入到土壤深松用喷爆发生器进行储存，打开快速释放阀，高压空气通过深松枪内加速并在深松头处形成冲击波而发生喷爆效应。高速冲击波将作用于喷射孔周围的土壤进行松动爆破，气压劈裂将在喷射孔形成数条裂隙、抬升、松动效应。

6）物料深施模块，将部分气动发电和气动做功后的压缩气体，通过减压阀减压至一定压力并导入深施用储气罐进行储存，利用该压缩空气将粉粒状物料通过深松枪及其喷射孔喷射到深松形成的缝隙。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：其一、经济效益显著。本发明具有利用无处不在的空气为原材料，材料不受地域限制且免费，材料成本为零。储能液化空气能将富余或间歇性清洁能源储存起来，可以在任何区域变废为宝，大大节省成本和显著提高效率。高能量密度的储能液化空气采用槽车进行便利运输，可以借助发达的公路网络送达需要的地方后再分装深入田间地头，最终解决种植产业气爆松土施肥的所需能源“最后一公里”，由此形成的能源网络可谓“能源高速公路网”。气爆深松和喷射深施能源耗损小，效率高，尽管大家深知人工难以企及本发明作业效果，即便如此，假定普通人工也能以相同效果完成同样面积，本发明装置及方法作业效率将是普通人工作业效率的50-100倍。用空气对板结土壤进行深松深施，能疏松土壤同时均匀注入物料，从而为植物根系营造很好的水肥气热的环境，从而能够实现肥料减量增效，植物提质增产，有效提高种植效益。

其二、生态效益显著。本发明以空气为原料，取之于大自然，完成作业循环后再回归于大自然。在完成松土施肥作业的同时，也补充了植物根系及土壤生物对的空气渴求，整个作业循环没有污染排放，实现了零排放目标。由于此种耕作方法为保护性免耕，即没有通过扰动或翻动破环土壤，众所周知，在不翻动土壤前提下，土壤固碳能力是目前工业排放量的10倍左右，因而采用本发明能大大减少大气中温室气体碳的排放。疏松的土壤易于形成“土壤水库”，有利于减缓水土流失，实现保水保肥，大面积在干旱农林牧区域推广，有利于抑制沙尘暴产生和土壤沙化蔓延；在城市绿化带实施本发明，能显著提高土壤保水保肥能力，为海绵城市建设提供切实可行的保障措施；在种植区域实施本发明，能有效控制和充分利用农业面源污染，变废为宝，化腐朽为神奇；在沙漠、荒漠、草地、林地等广袤地域实施，能有效防风固沙，变沙漠为良田，有效增加该区域植物的成活率和促进植物的快速生长。液态空气转化与作业过程中，几乎没有噪音产生，没有噪音污染。由此可见，本发明生态友好，能有效固碳减排和促进生态文明建设。

其三、社会效益显著。较采用空压机或高压储气罐提供能源具有较大的安全隐患而言，本发明采用液态空气提供能源，其传化过程更为安全，将大大减少安全事故发生。本发明能大幅度减少人工用量和劳动强度，能够将人们从繁重枯燥的松土施肥作业中解脱出来，从事相关轻松的服务行业；机器代替人工进行农业繁重体力劳动，使大量有机质机械化深施施用成为可能，从而大大减少化肥农药的施用，以有机肥代替化肥并有效提高肥料利用效率，大面积高效推广能有效促进土壤健康、作物健康并最终促进人类健康。丰富而低廉的食物产出，能够为社会发展提供坚实的基础，有利于社会稳定和人们的安居乐业。面对日益严重的土壤污染与退化，单位产量将大幅提升，土壤可以持续为人们的高品质的食物，衣食足而知荣辱，食品富足有利于国家长治久安和民族的兴旺发达。

具体实施方式

以下对本发明做进一步描述：

利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，其特征在于包括：储能模块、运输模块、气化发电模块、气化做功模块、喷爆深松模块、物料深施模块，所述储能模块为：将空气液化并储存，在能源富集且需要储能区域，利用该能源就地将空气液化并储存；所述运输模块为：液化空气运输及分装，用槽车或钢瓶等运输工具将储能液化空气运送到需要对土壤深松深施进行土壤改良或修复的区域，并根据实际情况，对液化空气进行再次分装储存；所述气化发电模块为:将分装好的液化空气连接到深松深施装置，利用装置中的气化设备将液态空气进行气化，利用液化空气气化膨胀过程推动汽轮机做功发电，提供设备运行和控制过程中需要的电力；所述气化做功模块为：充分利用气化发电后的高压气体，通过启动马达、气缸、气动阀门等启动设备，将高压气体膨胀的势能转化为执行深松深施装置的机械能，包括推动装置行走、机械动作执行与控制；所述喷爆深松模块为：将部分气动发电和气动做功后的高压气体，接入到土壤深松用喷爆发生器进行储存，打开快速释放阀，高压空气通过深松枪内加速并在深松头处形成冲击波而发生喷爆效应，高速冲击波将作用于喷射孔周围的土壤进行松动爆破，气压劈裂将在喷射孔形成数条裂隙、抬升、松动效应，和从而达到土壤深松目的：所述物料深施模块为：将部分气动发电和气动做功后的高压气体，通过减压阀减压至一定压力并导入深施用储气罐进行储存，利用该压缩空气将粉粒状物料通过深松枪及其喷射孔喷射到深松形成的缝隙，从而实现物料深施目的。

本发明的进一步设置为：所述运输模块的运输方法包括但不限于直接用输送管道连接深松深施装置、小型液化钢瓶、储气罐；所述气化发电模块中，液化空气气化过程驱动涡轮发电机，为深松深施装置供电，提供相应控制执行部件所需电源，通过利用气化过程中的冷能对设备运行中产生的热量进行散热；所述喷爆深松模块中：利用液化空气气化膨胀做功过程，经汽轮机转化机械能，驱动深松深施装置机械部件执行各种动作，利用液化空气气化膨胀形成的压缩空气，通过松土施肥枪导入土壤并瞬间释放形成冲击波作用于喷孔周围土壤产生松动爆破，劈裂土壤形成缝隙；所述物料深施模块中，利用液化空气气化膨胀做功后的压缩空气，将粉粒状物料通过深松深施枪喷射进入深松业已形成的缝隙，从而实现物料深施目的。

利用本发明所述技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，其特征在于包括以下步骤：1）储能模块：将空气液化并储存，在能源富集且需要储能的区域，利用该能源就地将空气液化并储存；2）运输模块：液化空气运输及分装，用槽车或钢瓶等运输工具将储能液化空气运送到需要对土壤深松深施，进行土壤耕作、改良、修复的区域，并根据实际情况，对液化空气进行再次分装储存；3）气化发电模块:将分装好的液化空气连接到深松深施装置，利用装置中的气化设备将液态空气进行气化，利用液化空气气化膨胀过程推动汽轮机做功发电，提供设备运行和控制过程中需要的电力；4)气化做功模块：充分利用气化发电后的压缩气体，通过气动马达、气缸、气动阀门等气动设备，将压缩气体膨胀的势能转化为执行深松深施装置的机械能，所述气化做功模块包括推动装置行走、机械动作执行与控制；5）喷爆深松模块：将部分气动发电和气动做功后的压缩气体，接入到土壤深松用喷爆发生器进行储存，打开快速释放阀，压缩空气通过深松枪内加速并在深松头处形成冲击波而发生喷爆效应，高速冲击波将作用于喷射孔周围的土壤进行松动爆破，气压劈裂将在喷射孔形成数条裂隙、抬升、松动效应：6）物料深施模块，将部分气动发电和气动做功后的压缩气体，通过减压阀减压至一定压力并导入深施用储气罐进行储存，利用该压缩空气将粉粒状物料通过深松枪及其喷射孔喷射到深松形成的缝隙。

2.根据权利要求1所述的利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，其特征在于：所述运输模块的运输方法包括但不限于直接用输送管道连接深松深施装置、小型液化钢瓶、储气罐。

3.根据权利要求1所述的利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，其特征在于：所述气化发电模块中，液化空气气化过程驱动涡轮发电机，为深松深施装置供电，提供相应控制执行部件所需能源，通过利用气化过程中的冷能对设备运行中产生的热量进行散热。

4.根据权利要求1所述的利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，其特征在于：所述喷爆深松模块中：利用液化空气气化膨胀做功过程，经汽轮机转化机械能，驱动深松深施装置机械部件执行各种动作，利用液化空气气化膨胀形成的压缩空气，通过深松深施枪导入土壤并瞬间释放形成冲击波作用于喷射孔周围土壤产生松动爆破，劈裂土壤形成缝隙。

5.根据权利要求1所述的利用储能液化空气进行土壤深松深施作业的方法，其特征在于：所述物料深施模块中，利用液化空气气化膨胀做功后的压缩空气，将粉粒状物料通过深松深施枪的喷射孔喷射进入深松形成的缝隙。