CN116438996A - 一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，包括光伏交直流电源系统、高压喷灌系统及等离子体放电装置、空气自吸入装置、三通腔导流装置、喷头引流装置。所述光伏交直流电源系统同时为喷灌系统和等离子体固氮装置提供电能，所述等离子体放电装置置于等离子体放电腔内，由高压直流电离空气，使氮气分子中的键受到破坏而发生离散，经过一系列化学反应生成含氮元素的硝酸盐。本发明由光伏取能装置提供清洁能源，结合现代电力电子技术实现电能的变换，与浇灌过程智能协同，等离子体放电模拟自然雷电环境实现人工固氮，充分利用可再生能源为智慧生态循环立体农业提供清洁型化肥。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源等离子体固氮技术领域，尤其涉及一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置。
背景技术
氮是维持植物生长的必要元素，空气中含全球超99%的氮元素，其中氮气的占比高达78.09%，由于氮气属惰性气体其共价键稳定不易被打破，大多数植物无法直接利用空气中的氮。传统的Haber-Bosch(H-B)工艺固氮即合成氨历经百年，养活了世界40%人口，极大地促进了科技的进步和社会的发展，但其工艺过程复杂、能耗大、加剧温室效应等缺点无法得到有效改进，且不符合可持续发展理念，为此寻求一种高效、可持续的固氮方法具有十分重要的意义。
近年来，针对等离子体的相关研究为固氮技术提供了新的研究思路，不同于传统的H-B工艺，等离子体固氮以空气和水为原料，无需高温、高压、催化剂，理论能耗值为0.2MJ/mol，能耗利用率为H-B工艺的2倍，被视为替代H-B工艺的最佳技术。高电压产生的等离子体将空气中的氮气与水蒸汽加热并电离，产生高能电子和自由离子，再通过物理或化学反应与大气中的氮气结合成氨，这种方法可以有效解决农作物生长期间土壤中的氮素缺乏问题，提高作物产量和质量。
当下大多数农作物获取氮肥主要通过施加工业氮肥和雷雨制造氮肥，前者需要需高温高压，后者需要特殊的气象条件，由此设计一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置符合现代农业发展理念，其原理是，结合现有的喷淋灌溉系统，在喷淋喷头中植入特殊的等离子体放电装置，充分利用可再生能源，达到喷灌固氮一体化的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，通过光伏取能供电，在现有喷淋灌溉系统的基础上进行简单地升级，可以实现在农作物生长期间，对植物进行及时的、定量的氮素供应。充分利用清洁能源，有效地降低了设备成本，解决了氮氧化合物制备、储存、运输及合成效率低等问题。
上述喷灌固氮一体化目标是通过以下技术方案来实现的：
一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：包括光伏交直流电源系统、高压喷灌系统及等离子体放电装置、空气自吸入装置、三通腔导流装置、喷头引流装置；所述光伏交直流电源系统同时为高压喷灌系统和等离子体固氮装置提供电能；所述高压喷灌系统为水流提供通道，由水泵取水经控制系统分配至固氮喷头；所述等离子体放电装置置于等离子体放电腔内；所述空气自吸入装置实现空气自流，空气出口气流与环形喷射水流构成放电介质；所述三通腔导流装置入口连接内螺牙进水口，出口分别连接导管分流口、环形小孔喷流口，结合喷头引流装置实现固氮喷灌。
进一步地，所述光伏交直流电源系统由太阳照射电池板发电经控制器对蓄电池进行充放电，通过逆变装置（DC-AC）和直流升压装置（DC-DC）分别为高压喷灌系统中的水泵及其控制系统和等离子体固氮装置提供工频交流电压、直流高压。所述直流升压装置输出端正极接地，高压负极由导线连接至喷头负极性放电极。
进一步地，所述高压喷灌系统包括物料池、蓄水池、高压管道、水泵、阀门、控制系统以及农作物喷灌系统。所述水泵与控制系统接入低压电源，离子体固氮喷头接入高压电源。所述物料池底部接阀门通往蓄水池，水泵一端放入蓄水池，另一端连接阀门通过控制系统沿高压管道连接等离子体固氮喷头。
进一步地，所述等离子放电体装置包括高压电源接入口、控制电路、液压传感器、高压铜排、负极性高压电极、低压铜排、接地电极。所述高压电源接入口开口45°角朝下，通往内置控制电路。所述液压传感器装设在引流管道内侧管壁上，传输液压信号至控制电路。所述高压铜排一端由绝缘导线连接控制电路，另一端连接负极性高压电极；低压铜排一端由绝缘导线连接控制电路，另一端连接接地电极。所述负极性高压电极和接地电极均上窄下宽地排列在同一平面，多个电极依次呈十字交叉型空间架构安置在等离子体放电腔内。所述等离子体放电腔内部铜排和电极均由石英材质作防水处理，防止金属氧化腐蚀。
进一步地，所述空气自吸入装置包括特斯拉阀、空气入口、防堵塞腔、空气出口。所述特斯拉阀镶嵌在三通腔外侧，左右特斯拉阀成对称结构分布，一端由空气入口进气经防堵塞腔从另一端空气出口出气。所述防堵塞腔采用倒三角结构设计。
进一步地，所述三通腔导流装置包括内螺牙进水口、水流三通腔、导管分流口、环形小孔喷流口。所述水流三通腔上端内螺牙进水口承接高压管道，下端分别接通环形小孔喷流口和导管分流口。
进一步地，所述喷头引流装置包括导流管、引流管螺帽、引流管道、圆柱喷流环、喷嘴、环形喷射水流。所述引流管道为复合绝缘材料，上端由引流管螺帽紧固在导流管外置螺牙上，下端连接圆柱喷流环，圆柱喷流环设有多个喷嘴。所述环形喷射水流穿过圆柱喷流环内部与喷嘴喷出高压水流。
进一步地，所述尾部护套包括螺纹、定位端。所述尾部护套由合成绝缘材料制成，通过可组装拆卸螺纹连接主体部分，定位端紧密贴合固定多孔圆柱喷流环。
相比与现有的技术，本发明的有益效果是：
在现有喷淋灌溉系统的基础上进行简单地升级改造，将等离子体固氮技术应用到喷灌系统中，模拟大自然雷电效应，实现喷灌固氮一体化。
分布式光伏设备就地取能，在常温大气压下以空气和水为原材料，由高压电离空气产生的氮氧化合物初次溶于三通腔喷射出的水流，穿越圆柱环内部，随后环形喷射水流对氮氧化合物进行二次吸收，有效地提升等离子体固氮效率。
结合自然打雷放电过程中的云中部负电荷区起始放电特性，放电极采用负极性高压电极和接地电极呈十字交叉型空间架构，放电效果更佳。
空气无需加压进入，在流体的作用下放电腔体形成内外压强差，外部空气自动通过特斯拉阀自动吸入放电室，特斯拉阀为气流提供通路的同时防止放电腔体的水流倒灌。此外本装置结构简单，内部组件可拆卸，便于维护。
附图说明
图1为一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置示意图。
图2为高压喷淋等离子体固氮装置截面示意图。
图3为负极性高压直流等离子体放电腔三维示意图。
图中：1.高压电源接入口；2.控制电路；3.液压传感器；4.高压铜排；5.负极性高压电极；6.低压铜排；7.接地电极；8.等离子体放电腔；9.特斯拉阀；10.空气入口；11.防堵塞腔；12.空气出口；13.内螺牙进水口；14.三通腔；15.导管分流口；16.环形小孔喷流口；17.导流管；18.引流管螺帽；19.引流管道20.圆柱喷流环；21.喷嘴；22.环形喷射水流；23.尾部护套；24.螺纹；25.定位端
实施方式
下面结合图1至图3，进一步对本发明的具体实施方式作详细阐述。本发明中，一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，包括光伏交直流电源系统、高压喷灌系统及等离子体放电装置、空气自吸入装置、三通腔导流装置、喷头引流装置；所述光伏交直流电源系统同时为高压喷灌系统和等离子体固氮装置提供电能；所述高压喷灌系统为水流提供通道，由水泵取水经控制系统分配至固氮喷头；所述等离子体放电装置置于等离子体放电腔8内；所述空气自吸入装置实现空气自流，空气出口12气流与环形喷射水流22构成放电介质；所述三通腔导流装置入口连接内螺牙进水口13，出口分别连接导管分流口15、环形小孔喷流口16，结合喷头引流装置实现固氮喷灌。
光伏交直流电源系统由太阳照射电池板发电经控制器对蓄电池进行充放电，通过逆变装置（DC-AC）和直流升压装置（DC-DC）分别为高压喷灌系统中的水泵及其控制系统和等离子体固氮装置提供工频交流电压、直流高压。所述直流升压装置输出端正极接地，高压负极由导线连接至喷头负极性放电极。
所述高压喷灌系统包括物料池、蓄水池、高压管道、水泵、阀门、控制系统以及农作物喷灌系统。所述水泵与控制系统接入低压电源，离子体固氮喷头接入高压电源。所述物料池底部接阀门通往蓄水池，水泵一端从蓄水池中抽水，另一端连接阀门通过控制系统沿高压管道输送至等离子体固氮喷头。
所述等离子放电体装置包括高压电源接入口1、控制电路2、液压传感器3、高压铜排4、负极性高压电极5、低压铜排6、接地电极7。所述高压电源接入口1开口45°角朝下，通往内置控制电路2。所述液压传感器3装设在引流管道19内侧管壁上，传输液压信号至控制电路2。所述高压铜排4一端由绝缘导线连接控制电路2，另一端连接负极性高压电极5；低压铜排6一端由绝缘导线连接控制电路2，另一端连接接地电极7。所述负极性高压电极5和接地电极7均上窄下宽地排列在同一平面，多个电极依次呈十字交叉型空间架构安置在等离子体放电腔8内产生随水流跳动的放电等离子区域。所述等离子体放电腔8内部铜排和电极均由石英材质作防水处理，防止金属氧化腐蚀。
空气自吸入装置包括特斯拉阀9、空气入口10、防堵塞腔11、空气出口12。所述特斯拉阀9镶嵌在三通腔14外侧，左右特斯拉阀成对称结构分布，一端由空气入口10进气经防堵塞腔11从另一端空气出口12出气，与环形喷射水流22构成等离子放电环境。所述特斯拉阀同时阻止环形喷射水流倒灌。防堵塞腔11采用倒三角结构设计，有效避免泥沙堆积堵塞进特斯拉阀进气孔。
三通腔导流装置包括内螺牙进水口13、三通腔14、导管分流口15、环形小孔喷流口16。所述水流三通腔14上端内螺牙进水口13承接高压管道，下端分别接通环形小孔喷流口16和导管分流口15，对管道内高压水流起到引流作用。
喷头引流装置包括导流管17、引流管螺帽18、引流管道19、圆柱喷流环20、喷嘴21、环形喷射水流22。所述引流管道19为复合绝缘材料，上端由引流管螺帽18紧固在导流管17外置螺牙上，下端连接圆柱喷流环20，圆柱喷流环20设有多个喷嘴21。所述环形喷射水流22穿过圆柱喷流环20内部与喷嘴21喷出高压水流。喷嘴21喷出的高压水流和环形喷射水流22形成高速流体带动等离子体放电腔8内的气体朝外流动，使得放电腔内气压低于大气压，外部气体通过特斯拉阀9进入放电腔体，达到空气自吸入状态。
本发明利用上述喷淋固氮装置进行固氮的工作方式为：
如图1，光伏能源经控制器、蓄电池及电力电子变流输出稳定的目标电压，同时为高压喷灌系统和等离子体固氮装置提供电能；水泵一端从混有物料的蓄水池中抽水，另一端连接阀门通过控制系统沿高压管道输送至等离子体固氮喷头。如图2、3，管道高压水流进入三通腔14分别注入等离子体放电腔8和导流管17，其中注入放电腔内的水流作为等离子体固氮原料使用，注入导流管17经引流管道18连通圆柱喷流环20由喷嘴21喷出高压环形密闭水流。在流体的作用下放电腔体内的气压低于大气压，外部空气自动通过特斯拉阀9吸入等离子体放电腔8为等离子体固氮提供不间断的空气原料；高压水流流经引流管道19时，液压传感器3将信号传输至控制电路2触发继电器常开触点得电吸合，高压放电极击穿流动的空气生成一氧化氮（NO）气体，一氧化氮与空气进一步反应生成极易溶于水的二氧化氮（NO2），三通腔14喷射出的水流对二氧化氮进行初次吸收，当混合空气的二氧化氮与环形喷射水流22穿过圆柱喷流环20后，喷嘴21形成的封闭水流再次吸收二氧化氮生成稀硝酸，稀硝酸与有机肥中的游离态氨反应生成农作物可吸收的硝酸盐，即氮肥。
尽管以上所述已经示出和描述了本发明的实施例，对熟悉本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明作出相应的修改和变形，均属于本发明所涵盖的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：包括光伏交直流电源系统、高压喷灌系统及等离子放电体装置、空气自吸入装置、三通腔导流装置、喷头引流装置；所述光伏交直流电源系统同时为高压喷灌系统和等离子体固氮装置提供电能；所述高压喷灌系统为水流提供通道，由水泵取水经控制系统分配至固氮喷头；所述等离子放电体装置置于等离子体放电腔(8)内；所述空气自吸入装置实现空气自流，空气出口(12)气流与环形喷射水流(22)构成放电介质；所述三通腔导流装置入口连接内螺牙进水口(13)，出口分别连接导管分流口(15)、环形小孔喷流口(16)，结合喷头引流装置实现固氮喷灌。
2.根据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述光伏交直流电源系统由太阳照射电池板发电经控制器对蓄电池进行充放电，通过逆变装置（DC-AC）和直流升压装置（DC-DC）分别为高压喷灌系统中的水泵及其控制系统和等离子体固氮装置提供工频交流电压、直流高压。所述直流升压装置输出端正极接地，高压负极由导线连接至喷头负极性放电极。
3.根据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述高压喷灌系统包括物料池、蓄水池、高压管道、水泵、阀门、控制系统以及农作物喷灌系统。所述水泵与控制系统接入低压电源，离子体固氮喷头接入高压电源。所述物料池底部接阀门通往蓄水池，水泵一端放入蓄水池，另一端连接阀门通过控制系统沿高压管道连接等离子体固氮喷头。
4.根据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述等离子放电体装置包括高压电源接入口(1)、控制电路(2)、液压传感器(3)、高压铜排(4)、负极性高压电极(5)、低压铜排(6)、接地电极(7)。所述高压电源接入口(1)开口45°角朝下，通往内置控制电路(2)。所述液压传感器(3)装设在引流管道(19)内侧管壁上，传输液压信号至控制电路(2)。所述高压铜排(4)一端由绝缘导线连接控制电路(2)，另一端连接负极性高压电极(5)；低压铜排(6)一端由绝缘导线连接控制电路(2)，另一端连接接地电极(7)。所述负极性高压电极(5)和接地电极(7)均上窄下宽地排列在同一平面，多个电极依次正负呈十字交叉型空间架构安置在等离子体放电腔(8)内。所述等离子体放电腔(8)内部铜排和电极均由石英材质作防水处理，防止金属氧化腐蚀。
5.根据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述空气自吸入装置包括特斯拉阀(9)、空气入口(10)、防堵塞腔(11)、空气出口(12)。所述特斯拉阀(9)镶嵌在三通腔(14)外侧，左右特斯拉阀(9)成对称结构分布，一端由空气入口(10)进气经防堵塞腔(11)从另一端空气出口(12)出气。所述防堵塞腔(11)采用倒三角结构设计。
6.根据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述三通腔导流装置包括内螺牙进水口(13)、三通腔(14)、导管分流口(15)、环形小孔喷流口(16)。所述水流三通腔(14)上端内螺牙进水口(13)承接高压管道，下端分别接通环形小孔喷流口(16)和导管分流口(15)。
7.据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述喷头引流装置包括导流管(17)、引流管螺帽(18)、引流管道(19)、圆柱喷流环(20)、喷嘴(21)、环形喷射水流(22)。所述引流管道(19)为复合绝缘材料，上端由引流管螺帽(18)紧固在导流管(17)外置螺牙上，下端连接圆柱喷流环(20)，圆柱喷流环(20)设有多个喷嘴(21)。
8.根据权利要求1所述的一种与喷灌系统结合的光伏能源等离子体固氮装置，其特征在于：所述尾部护套(23)包括螺纹(24)、定位端(25)。所述尾部护套(23)由合成绝缘材料制成，通过可组装拆卸螺纹(24)连接主体部分，定位端(25)紧密贴合固定多孔圆柱喷流环(20)。
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