TWM644509U

TWM644509U - 農電共生系統與儲能系統

Info

Publication number: TWM644509U
Application number: TW112202873U
Authority: TW
Inventors: 杜正恭
Original assignee: 智捷能源股份有限公司
Priority date: 2023-03-29
Filing date: 2023-03-29
Publication date: 2023-08-01

Abstract

本新型實施例提供一種農電共生系統，包括：一無土栽培室，其利用無土栽培技術生長農作物；以及一儲能模組。儲能模組包括一電池單元，用以儲存電能並對該無土栽培室供電，以及一能源控制單元，用以控制以該電池單元對該無土栽培室供電。

Description

農電共生系統與儲能系統

本申請案是關於一種農電共生系統，特別是關於一種改善無土栽培環境的農電共生系統。

多年以來，常見的農作物栽培模式(例如蔬果栽培)大多是以土耕的平面栽培為主。然而，土耕栽培對日照及肥料等資源的利用率較低，導致生產效率難以有效提升。此外，土耕所需操作過程繁瑣，需要投入大量勞動力與管理成本，難以實現栽培的規模化、產業化與標準化，也不易吸引年輕勞動力加入。有鑑於此，無土栽培技術近來受到矚目，其除了可以降低投入的勞動力外，更可提高農作物的產量與品質，也可降低農業用藥的用量，進而增加農民收成並提高環境友善度，因此越來越受到重視。

雖然無土栽培技術可望克服傳統土耕技術的缺點，然而其高效率的栽培室所需資源及能源(例如電力)可能會因而增加，因此對農作物栽培成本產生較大負擔。再者，發展再生能源(例如太陽能發電)容易使農民產生現有農地資源被瓜分的疑慮，導致農電共生系統發展不易。因此有需要改進現有農電共生系統，以提高無土栽培技術生產效率並提升農地的經濟價值。

本創作之一實施樣態提供一種農電共生系統，包括：一無土栽培室，其利用無土栽培技術生長農作物；以及一儲能模組，其包括：一電池單元，用以儲存電能並對該無土栽培室供電；以及一能源控制單元，用以控制以該電池單元對該無土栽培室供電。

根據一實施例，該無土栽培室包括一栽培槽，用以栽培該農作物；以及一大氣電漿模組，其電連接該儲能模組，用以產生含氮肥料。

根據一實施例，該大氣電漿模組利用該儲能模組之電能將空氣離子化以產生該含氮肥料。

根據一實施例，該大氣電漿模組使用介質屏障放電法產生電漿以生成該含氮肥料。

根據一實施例，該無土栽培室包括：一棚架；以及一導光裝置，架設於該棚架之一棚頂，用以將日光導入該無土栽培室。

根據一實施例，該無土栽培室進一步包含一光反射裝置，其用以將日光導向該栽培槽。

根據一實施例，該無土栽培室還包括一養分循環模組，用以產生至少一含鉀肥料以及一含磷肥料中之一者。

根據一實施例，該農作物的根系暴露於該栽培槽中。

根據一實施例，該農電共生系統進一步包含一光源電連接於該儲能模組，其用以照射該農作物。

根據一實施例，該農電共生系統進一步包括下列至少一者：照度感測器、溫度感測器、濕度感測器、電導度感測器以及酸鹼值感測器。

根據一實施例，該農電共生系統進一步包括開關以進行下列至少一者：調整該無土栽培室的照度、調整該無土栽培室的通風、調整該無土栽培室的溫度以及調整該栽培槽的營養液的酸鹼值。

根據一實施例，該能源控制單元經配置以根據市電的供電價格時間對應表以該市電在特定時間對該電池單元進行充電。

根據一實施例，該農電共生系統進一步包括太陽能模組，其電連接該儲能模組用以對該儲能模組充電。

根據一實施例，該能源控制單元經配置以決定經由該太陽能模組或該電池單元對該無土栽培室進行供電。

根據一實施例，該無土栽培室包含一棚架，該太陽能模組架設於該棚架之一棚頂。

本創作之一實施樣態提供一種儲能系統，其用於一農電共生系統，該儲能系統包括：一電池單元，其電連接一電力輸入端並用以儲存電能；以及一能源控制單元，用以控制以該電池單元對一無土栽培室供電。

根據一實施例，該能源控制單元經配置以根據該電力輸入端的供電價格時間對應表在特定時間內對該電池單元進行充電。

根據一實施例，該電力輸入端包括一太陽能模組。

根據一實施例，該能源控制單元用以選擇該電力輸入端。

根據一實施例，該無土栽培室包括一大氣電漿模組用以產生含氮肥料，其中該電池單元具有一輸出電壓驅動該大氣電漿模組，其中該輸出電壓高於該電力輸入端的電壓。

因此，本申請案提出一種農電共生系統以及一儲能系統，可有效結合儲能模組以及無土栽培技術，得以改善無土栽培技術的能源利用並且增加作物的單位面積的產量及品質，還能使的再生能源土地取得更為容易，達到農電雙贏的目標。

以上說明已相當廣泛地概述本創作的實施例具有之技術特徵及優點，俾使以下所述之本創作詳細實施方式得以更容易明瞭。本創作申請專利範圍標的所具有的其它技術特徵及優點將描述於下文。本創作所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，利用下文揭示之概念與特定實施例，可相當容易修改成或設計出其它結構或方法而達到與本創作相同之目的。本創作所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，此種達到類似效果的構思仍未脫離本文所述之申請專利範圍所界定本創作的精神和範圍。

100:農電共生系統

110:無土栽培室

112:電力線

114:電力線

115:電力線

116:電力線

117:訊號線

118:訊號線

120:儲能模組

122:電池單元

124:能源控制單元

130:控制模組

134:栽培控制單元

140:太陽能模組

150:電力輸入端

200:氣霧栽培系統

210:無土栽培室

212:栽培槽

214:大氣電漿模組

216:養分循環模組

222:棚架

223:棚頂

224:導光裝置

226:光反射裝置

232:定植板

234:栽培池

236:定植孔

238:農作物

252:栽培槽

402:農作物

404:栽培池

412:清水桶

414:原液桶

416:酸性液桶

418:鹼性液桶

422:管道

424:閥門

426:加壓池

428:管道

432:第一水泵

434:感測器

436:第二水泵

442:管道

444:噴頭

446:閥門

501,502,503,504,505:感測器

510:控制節點

520:控制台

530:網際網路

531,532,533,534:開關

540:遠端節點

600:水栽培系統

610:無土栽培室

612:栽培槽

614:光源

616:養分循環模組

618:農作物

622:棚架

623:棚頂

624:導光裝置

626:光反射裝置

628:農作物

參閱實施方式與申請專利範圍合併考量圖式時，可得以更全面了解本申請案之揭示內容，圖式中相同的元件符號係指相同或類似的元件。

圖1是根據一些實施例所繪製的農電共生系統示意圖。

圖2A是根據一些實施例所繪製的氣霧栽培系統示意圖。

圖2B是根據一些實施例所繪製的栽培槽示意圖。

圖2C是根據一些實施例所繪製的栽培槽示意圖。

圖2D是根據一些實施例所繪製的栽培槽示意圖。

圖3A是根據一些實施例所繪製的大氣電漿模組示意圖。

圖3B是根據一些實施例所繪製的大氣電漿模組的電源示意圖。

圖4是根據一些實施例所繪製的養分循環模組示意圖。

圖5是根據一些實施例所繪製的控制模組示意圖。

圖6是根據一些實施例所繪製的水栽培系統示意圖。

以下詳細討論本創作的實施方案。然而，應該理解的是，實施例提供了許多可以在各種具體環境中實施的可應用的創作概念。所討論的具體實施例僅說明製造和使用實施例的具體方式，並不限制本創作的範圍。

在各個視圖和說明性實施例中，相同的附圖標記表示相同的元件。本文以下描述將會特別著重本創作實施例的裝置的一部分或更直接地與其配合的元件。此外，應該理解的是未具體顯示或描述的元件可以具有不同形式。本文說明書中對“一些實施例”或“實施例”的敘述意味著結合該實施例描述的特定特徵，結構或特性包括在至少一個實施例中。因此，本文說明書各個地方出現的短語“在一些實施例中”或“在實施例中”不一定指代相同的實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以在一個或多數個實施例中以任何合適的方式組合呈現。

在附圖中，相同的附圖標記在各個視圖中代表相同或相似的元件，並且顯示和描述了本創作的說明性實施例。附圖不一定按比例繪製，並且在一些情況下，附圖經過誇大及/或簡化，但僅用以說明實施例的目的。基於以下本創作的說明性實施例，本領域普通技術人員將可以理解本創作的許多可能的應用和變化。

除非另外定義，否則這裡使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本創作所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同。例如，在常用詞典中定義的術語應當被解釋為具有與其在相關領域和本文中一致的含義，並且(除非在本文中明確定義)不應該被理解為過於正式的意義。

另外，下文提供本創作的多個實施例為例說明本創作的核心價值，但並非用以限制本創作的保護範圍。為清楚說明以及方便理解，針對本創作不同實施例之間相同或類似的功能或元件將不重複敘述或標示於圖中。不同實施例中的不同元件或技術特徵，在不相互衝突的前提下，經由組合或置換得到新的實施例仍屬於本創作的保護範圍。

圖1是根據一些實施例所繪製的農電共生系統100示意圖。農電共生系統不用土壤栽培農作物，而是將農作物暴露在營養液或營養液的噴霧環境中，以促進農作物生長。在本文中，農作物泛指各種具有經濟價值而被人類所栽培的植物，例如大田作物，果樹，蔬菜，觀賞、藥用植物，林木等。農電共生系統100與傳統土耕方式相比，除了可以用較低的勞動力進行農作之外，更重要的是可以使農作物的產量與品質大大提高，還可以減少農藥用量並改善使用灌溉水及肥料的使用效率。在一實施例中，農電共生系統100採用氣霧栽培法(Aeroponic culture，或稱為氣耕、霧耕)，讓農作物的根系在空氣中生長，而水分和營養液可通過彌霧噴頭噴灑在農作物根系的表面，使農作物直接吸收養分及水分、避免病蟲害，而更有效率地生長。在另一實施例中，農電共生系統100採用水栽培法(Hydroponics)，讓農作物的根系部分或全部藉由浸泡於營養液中並吸收養分而生長。

在一實施例中，農電共生系統100包括無土栽培室110、儲能模組120、栽培控制單元134、太陽能模組140、以及電力輸入端150。圖1所示的農電共生系統100僅為例示，農電共生系統100可包括其他實施方式，例如可以省略以上所述的元件至少一者。再者，農電共生系統100亦可包含更多模組。

在一些實施例中，無土栽培室110包括一棚架，其中設有無土栽培相關設備，其細節在後續段落中詳述。無土栽培室110可固定於地面並藉由棚架提供穩固的結構以保護無土栽培相關設備。在一實施例中，無土栽培室110的棚架可用以抵禦颱風或暴雨的侵害、防蟲害、防範竊賊並有利於通風、日照、溫溼度的調控。無土栽培室110的棚架可以金屬、塑膠等材料作為骨幹。雖然未繪示，圖1無土栽培室110可設有通風口、窗戶、防蟲簾、透光板、進水口、出水口、配電箱、管線通道等設施，以確保日照、電力、空氣、水源、養分等農作物生長需元素的充分供應且正常運作。

在一實施例中，儲能模組120經由電力線112與無土栽培室110電連接。在一實施例中，儲能模組120作為一儲能系統，可包含電池單元122以及能源控制單元124。電池單元122用以儲存電力並對無土栽培室110供電。在一實施例中，電池單元122由一或多個電池所組成，例如多個可模組化的電池單元122。能源控制單元124可作為電池單元與外界的介面，用以控制電池單元122的充電及供電步驟，例如控制電池單元122經由太陽能模組140或電力輸入端150充電。在一實施例中，能源控制單元124控制電池單元122向無土栽培室110供電。儲能模組120或能源控制單元124可包含電池管理系統(battery management system,BMS)，用以管理電池單元122的使用狀況以及監控電池單元122的使用壽命。在一實施例中，電池管理系統BMS用於調控電池單元122的充電速度或供電電壓電流值，以確保電池單元122的正常運作。在另一實施例中，電池管理系統BMS可包含電池單元122的保護電路，提供電池單元過度充電保護、過度放電保護、充電高溫保護、充電低溫保護、短路保護、或突波保護等。在一實施例中，儲能模組120還包含電力轉換系統(power conversion system，PCS)，用於在充電模式中將接收的交流電轉換為直流電後對電池單元122進行充電，或是在供電模式中將電池單元122中的直流電轉換為交流電後進行供電。電力轉換系統PCS可包含雙向逆變器，用於進行直流電及交流電之間的雙向轉換。在一實施例中，電力轉換系統PCS可由整流器(將交流電轉換為直流電)及逆變器(將直流電轉換為交流電)所組成。在一些實施例中，整流器可由整流橋及濾波電路所組成，而逆變器可由逆變橋和濾波電路組成，但本創作不限於此，其他整流器及逆變器的實現方式也可屬於本創作的範圍。在一實施例中，儲能模組120還包含能源管理系統(energy management system，EMS)，用以整合不同的電池單元122之間的充電及供電狀態。能源管理系統EMS可透過電力轉換系統PCS對不同的的電池單元122進行充電及放電的即時監控及管理，而達到儲能模組120最佳的充電及供電效能。

在一實施例中，儲能模組120可與無土栽培室110分開於不同地點設置並經由電力線112相連。在另一實施例中，儲能模組120也可與無土栽培室110整合成為一具有儲能功能的無土栽培室110。

無土栽培室110由於不需完全依賴天然資源(例如日照或降雨)以維持農作物生長，因此對非天然的光線、水源、養分的供應及調控要求比土耕技術來得高。舉例而言，農電共生系統100若是遭遇短時間停電，也可能對農作物造成傷害。就此而言，農電共生系統100對電力的消耗及穩定度比土耕環境要高，以維持農作物生長的產量及品質。因此，儲能模組120可擔任穩定供電的角色，在太陽能模組140或電力輸入端150的供電不穩時仍能提供足夠電力，以維持農電共生系統100的正常運作，達到農作物收成產量及品質的要求。

在一實施例中，儲能模組120經由太陽能模組140充電，並可將所儲存的多餘電力傳送至電力輸入端150以出售電力。在一實施例中，太陽能模組140直接將所產生的多餘電力經由其他電力線(未繪示)傳送至電力輸入端150以出售電力，而不經過儲能模組120。

在一實施例中，栽培控制單元134經由訊號線118與無土栽培室110連接，並經配置以控制無土栽培室110中的資源及能源配置，使無土栽培室110的農作物生長能隨需求適時調整而達到最佳狀態。在一實施例中，栽培控制單元134包含一或多個感測器，用以監控無土栽培室110的照度、溫度、濕度、風速、水質、營養液量、營養液酸鹼值等數據。在一實施例中，栽培控制單元134包含一或多個開關，用以調控無土栽培室110的內部裝置，例如門窗、燈光、風扇、水霧噴頭、輸出營養液的閥門、水簾等等。

在一實施例中，栽培控制單元134經由訊號線117與儲能模組120連接。在一實施例中，栽培控制單元134包含一或多個感測器，用以監控儲能模組120的數據、例如剩餘電力、電壓、電流。在一實施例中，栽培控制單元134可經配置以決定經由太陽能模組140或電力輸入端150進行充電，或同時由太陽能模組140及電力輸入端150進行充電。在一實施例中，栽培控制單元134可利用切換器或開關控制太陽能模組140或電力輸入端150對儲能模組120進行充電或停止充電。

在一實施例中，栽培控制單元134與能源控制單元124整合為控制模組130。在一實施例中，能源控制單元124與栽培控制單元134整合並共用部分或全部的硬體元件或軟體。

太陽能模組140由一或多個太陽能板所組成，可對農電共生系統100提供再生能源。太陽能模組140包括一或多個太陽能電池，其可由單晶矽、多晶矽、非晶矽、或碲化鎘，銅銦鎵硒等材料構成。在一實施例中，太陽能模組140經由電力線114與無土栽培室110電連接，並經配置向無土栽培室110供電。在一實施例中，太陽能模組140經由電力線116與儲能模組120電連接，並經配置以對儲能模組120進行充電。在一實施例中，太陽能模組140與栽培控制單元134經由訊號線(未繪示)連接，其中能源控制單元124或栽培控制單元134可決定太陽能模組140直接對無土栽培室110供電或是對儲能模組120進行充電。在一實施例中，能源控制單元124或栽培控制單元134經配置以決定經由太陽能模組140或電池單元122對無土栽培室110進行供電。

在一實施例中，電力輸入端150還可接收來自其他電力來源的電力，例如火力/水利/核能發電廠或其他太陽能、風力發電、沼氣發電等發電來源。在一實施例中，電力輸入端150為市電電源。在一實施例中，電力輸入端150經由電力線115與儲能模組120電連接，並經配置以對儲能模組120進行充電。

在一實施例中，儲能模組120作為一儲能系統，可用於農電共生系統100，其中儲能模組120具有第一電力輸入端150以及第二電力輸入端包含太陽能模組140。在一實施例中，儲能模組120的能源控制單元124用以選擇經由第一電力輸入端150以市電對電池單元122充電，或是經由第二電力輸入端以太陽能模組140對電池單元122充電。

在一實施例中，能源管理系統EMS可用於整合不同供電來源對電池單元122的供電並協調不同控制單元之間的用電需求。在一實施例中，控制模組130的能源管理系統EMS透過不同控制單元(例如能源控制單元124或栽培控制單元134)可根據電力輸入端150的供電價格時間對應表，而決定對儲能模組120的電池單元122在特定時間進行充電的最佳模式，而節省電力成本。在一實施例中，電力輸入端150的市電價格並非所有時間皆為固定值，例如電力輸入端150的供電價格時間對應表顯示夜間的電力價格比日間的電力價格低。因此，控制模組130可根據上述電力輸入端150的供電價格時間對應表而決定在夜間使用電力輸入端150對電池單元122進行充電，而在日間使用太陽能模組140或其他電力來源對電池單元122進行充電，可提高太陽能模組140的電力使用效率並降低市電的使用成本，並可使儲能模組120的充電電壓或電流維持穩定，不至於有過大的起伏。

圖2A是根據一些實施例所繪製的氣霧栽培系統200示意圖。氣霧栽培系統200可視為一種農電共生系統，例如與農電共生系統100相似的系統。氣霧栽培系統200包括無土栽培室210、儲能模組120、控制模組130、太陽能模組140、以及電力輸入端150。圖2A所示的氣霧栽培系統200僅為例示，本創作可包括其他實施例，例如可以省略以上所述的元件至少一者。再者，氣霧栽培系統200亦可加入其他尚未提及的元件。

參閱圖1的農電共生系統100以及圖2A的氣霧栽培系統 200，在一實施例中，氣霧栽培系統200對農作物進行氣霧栽培(Spray Culture，亦可稱霧培、噴霧培、氣霧培)，利用彌霧噴頭將營養液霧化後直接噴灑在農作物根系上，為農作物提供水分和養分而實現無土栽培方式。

圖2A的無土栽培室210除了在圖1的無土栽培室110中所提及的裝置及元件外，還包括棚架222、導光裝置224、光反射裝置226、栽培槽212、大氣電漿模組214以及養分循環模組216。

如圖2A所示，棚架222用以容納無土栽培室110、210的設備。棚架222可以是封閉方式或半開放方式，並具有棚頂223，其以水平或斜面方式設置。在一實施例中，太陽能模組140架設於棚頂223，並經由電力線114對無土栽培室210進行供電。

在一實施例中，導光裝置224設於棚架222上，並用以將自然光(例如日光，由圖2A的實線箭頭)導入棚架222內部。在一實施例中，導光裝置224設置於棚頂223上並穿過棚頂223，以達到最佳導光效果。在其他實施例中，導光裝置224亦可設置於棚架222的側壁上，以提高整體導光量。導光裝置224可包括採光罩、導光管或其他用以聚光、傳導光線的光學元件。

在一實施例中，光反射裝置226設於棚架222內部，用以將導光裝置224所導入的自然光導向栽培槽212，以提高自然光的利用效率。在一實施例中，光反射裝置226設置於導光裝置224及栽培槽212之間。在一實施例中，光反射裝置226環繞栽培槽212。光反射裝置226可以由光學元件所構成，例如反射鏡或折射鏡，用以將日光經反射或折射導向栽培槽212。

栽培槽212安置於無土栽培室210的地面，但不將農作物直接種植於地面土壤上，因此係屬於無土栽培槽。

圖2B是根據一些實施例所繪製的栽培槽212示意圖。在一實施例中，栽培槽212呈金字塔或三角柱型的栽培苗床。栽培槽212可用鍍鋅鋼管製成金字塔或三角柱形框架，其上放置一或多個定植板232。在其他實施例中，栽培槽212的框架的轉角可以是近似垂直，而將多個定植板232以水平層疊方式搭設成水平式或以垂直方式搭設成直立式，以提高單位栽培效率。

定植板232上設有定植孔236，用以置入農作物238的種苗或種子進行栽培。定植孔236彼此設有適當間距，以利於農作物生長。在一實施例中，定植孔236之間的間距為介於1公分與20公分之間。

栽培槽212底部設有栽培池234，用於承裝營養液及灌溉水以供農作物238吸收或將其回收循環。在一實施例中，栽培池234可作為栽培槽212的底座，橫跨不同的定植板232並涵蓋定植板232的定植孔236。在另一實施例中，栽培槽212包括多個栽培池234，其中各個栽培池234對應一或多個定植板232，各個栽培池234也可各自對應一或多個定植孔。栽培池234可用硬質塑膠板、擠塑板、泡沫塑料板、木板、水泥磚砌或其他合適材料構成。栽培池234可具有約8公分至40公分的深度。

在不同實施例中，氣霧栽培系統200可根據農作物根系是否有部分浸沒在營養液中，而分為全氣霧栽培和半氣霧栽培。全氣霧栽培是指農作物根系完全生長在霧化的營養液中，而半氣霧栽培是指將一部分根系浸沒在營養液中(例如由栽培池234提供)，而根系其他部分則依賴霧化的營養液維持生長在。在一實施例中，栽培池234可使用桶式栽培池或管道式栽培池。栽培池234中的營養液的水位可通過設在栽培池234中的液位調節器調節，以適應植株根系不同生長時期對營養液與空氣的需求。

在一實施例中，栽培槽212藉由定植板232形成包圍空間，農作物238的根系暴露在栽培槽212中，其懸空生長並向定植板232的包圍空間內延伸，而不像土耕方式埋於土中。此包圍空間為農作物238根系提供黑暗、高濕的生長環境，以減少水分散失並可避免綠藻的滋生。藉由栽培槽212的立體框架設計，營養液藉由養分循環模組216的噴頭均勻地噴灑在農作物238的根系上，使農作物238能吸收養分而生長。此外，栽培槽212的包圍空間可對農作物238的根系提供優良的供氧效果，而有效解決水氣矛盾的問題，不至於出現根系缺氧現象，使得養分及水分得以被農作物238充分利用。因此，栽培槽212所形成的包圍空間須根據營養液的噴灑效果及農作物238的生長空間而調整，不能過於狹小以至於營養液噴灑空間不足，也不能大到超出噴頭的噴灑範圍導致噴灑不均勻。在一實施例中，栽培槽212的立體栽培環境可提高栽培面積利用率，其有效栽培面積可比相同佔地的平面栽培技術提高2-3倍，因而可提高栽培產量。

如圖2A所示，在一實施例中，大氣電漿模組214設置於無土栽培室210中。在其他實施例中，只要大氣電漿模組214產生的肥料能夠輸送至栽培槽212，大氣電漿模組214亦可置於無土栽培室210外。在一實施例中，大氣電漿模組214靠近或面對栽培槽212。大氣電漿模組214用於產生肥料以促進農作物238的生長。在一實施例中，大氣電漿模組214利用高電壓將空氣所含的氮氣離子化以產生氮態或氨態的含氮肥料(氮肥)或氮肥原料。在一實施例中，大氣電漿模組214利用介質屏障放電的間接液相電漿將水轉化為電漿活化水(Plasma-activated water,PAW)，嗣後，電漿活化水利用空氣作為介質，激發空氣中的氮氣、氧氣和水蒸氣並與液態水進行反應，而使水體富含氮氧化物及活性反應物種，例如OH自由基、H₂O₂、NO₃-、NO₂-、ONOO-及ONOOH等，可以進行水體淨化並且達到消毒、滅菌及促進植物生長效能等功效。藉此，農作物238的根系可獲得充分的含氮肥料來源，可減少化學氮肥汙染土地的生態問題。此外，減少施用化學氮肥也可減低農業水源被汙染的機率，提高農業水源的用水安全。

在一實施例中，大氣電漿模組214產生氮肥的過程與下列反應式有關。

N₂→N⁺+H₂O→NH₃(g)

N₂→N⁺+H₂O→NH₄OH(l)→NH₄OH

N₂→N⁺+H₂O→NH₄OH(l)→H₂O₂

O₂→O-→H₂O₂

在一實施例中，大氣電漿模組214可在大氣壓力下利用儲能模組120的電能產生電漿將空氣離子化以產生含氮肥料，其電漿可由不同的電漿源提供，如下所述。

高溫電漿炬(plasma torch)：係利用高電流電源產生電漿。高溫電漿炬的電漿屬於熱平衡式電漿，電漿溫度可超過3000℃，其中電子與中性粒子的碰撞頻率高，造成彼此間有效交換能量，而產生電漿。

介質屏障放電(dielectric barrier discharge，DBD)式電漿：係使用高電壓電源產生電漿。介質屏障放電電漿屬於非熱平衡、非均勻性電漿，電漿溫度介於25℃與500℃之間。此種電漿的放電機制是在兩個距離極近的電極間加入一層絕緣介質以防止電弧產生，其在空間中隨機產生許多微觀放電效應，且放電時間極短。

暈光放電(corona charge)電漿：利用非均勻性電極結構而產生電漿。暈光放電電漿屬於非熱平衡態、非均勻性電漿，電漿溫度介於50℃與400℃之間，其電極形狀具有尖銳或細小頂端。暈光放電電漿的曲率半徑小，氣體會在電極本身強電場作用下被解離產生電漿。電漿密度隨著和電極的距離增大而銳減，因此此種類電漿適用於較小的區域範圍。

大氣電漿束(atmospheric pressure plasma jet)：利用金屬電極直接放電而產生電漿。大氣電漿束屬於非熱平衡、均勻性電漿，可以低電流產生，電漿溫度介於50℃與300℃之間。藉由射頻功率源激發惰性氣體產生均勻的電漿，並具有穩定的輝光放電效應。

在一實施例中，大氣電漿模組214所需之工作電壓大於電力輸入端150所能提供的電壓(約在110伏特與260伏特之間)。儲能模組120可以提供大於電力輸入端150或是太陽能模組140供電的電壓值，例如提供大氣電漿模組214所需的工作電壓值，而使得大氣電漿模組214可以在無土栽培室210的環境中運作。在本實施例中，大氣電漿模組214係使用介質屏障放電法產生電漿以生成含氮肥料，其電漿源所需電壓為介於380伏特及3000伏特之間，例如1000伏特。在一實施例中，儲能模組120可提供的電壓值介於380伏特及3000伏特之間，例如1000伏特，因此可驅動大氣電漿模組214。

圖2C是根據一些實施例所繪製的栽培槽252示意圖。栽培槽252與栽培槽212在結構與功能上類似，而栽培槽252形成一梯形框架，在其各側邊及頂面上放置一或多個定植板232。如此一來可增加定植板232的數目以及可栽培的農作物數量，也可擴大栽培槽252的內部空間。

圖2D是根據一些實施例所繪製的栽培槽262示意圖。栽培槽262與栽培槽212、252在功能上類似，而栽培槽262形成一栽培塔的結構，其中栽培槽262往垂直方向延伸設置多個栽培層，這些栽培層在側邊面向不同方向並設置一或多個定植板232。栽培槽262可設置管路264，用於輸送營養液或水分至栽培槽262內部，再噴灑至農作物238的根部。圖2D所示的栽培槽262可在垂直方向上增加定植板232的數目以及可栽培的農作物數量，也可提高栽培槽262的空間效率。

如上所述，氣霧栽培技術的優勢在於將營養液霧化後噴灑到農作物根系上，在農作物根系表面凝結成營養液水膜，使根系有足夠的機會吸收水肥和氧氣。然而，氣霧栽培的營養液濃度應適當控制，才能獲得最大的農作物生長量。在一實施例中，如果營養液濃度過高，農作物反而會由於營養成分比例失調而出現缺素症。在其他狀況下，如果農作物生長過快，也可提高營養液濃度來因應，一方可以提供足夠的養分，另一方面可以促進器官分化。再者，同一種農作物在不同的生育時期的適宜營養液濃度也可能不一樣。例如，在農作物苗期時養分濃度較低，而進入生長期後由於植株長大，吸收量多，則養分濃度就應調高。另一方面，由於農作物生長過程中不斷地吸收養分和水分，以及營養液中的水分蒸發等因素，導致營養液的濃度並非固定不變，因此需要適時監控養分濃度以確保農作物能在最適宜的環境中生長。

此外，不同農作物的適宜栽培酸鹼值(pH值)也可能不同。例如，大多數蔬菜在弱酸性環境下(例如pH值在5.5及6.8之間)的生長環境最理想，若pH值低於5.5可能會對蔬菜根系造成不良的影響。此外，若pH值過低(例如小於5.0)時，由於氫離子的拮抗作用，會導致農作物對鈣的吸收受阻，引起缺鈣症，同時還會使植株對某些元素吸收過量而導致植株中毒。栽培環境的pH值還可能間接影響營養液中元素對農作物的作用。例如，若是pH過高(例如大於7.0)會導致鐵、錳、銅和鋅等微量元素沉澱。在一些實施例中，同一種農作物的最適合pH值範圍也可能因栽培形式不同而有差異。除了過高或過低的pH值以外，若是pH值調整不當，植株還有可能出現根端發黃或壞死、葉片失綠等異常現象。根據以上敘述，有需要適時監控並調整栽培環境及營養液酸鹼值，以確保農作物能在最適宜的環境中生長。再者，無土栽培環境需要對灌溉水及營養液的使用及回收進行更準確的調控，以減低土耕技術無法掌握肥料使用效率所帶來的成本及污染問題。因此，無土栽培室210配置養分循環模組216以達到上述需求。

圖3A是根據一些實施例所繪製的大氣電漿模組300示意圖。在圖3A的實施例中，大氣電漿模組300係以介質屏障放電技術為實現的方法。大氣電漿模組300可包括電源302、進氣裝置304以及電極裝置305。電極裝置可包括正電極306、負電極308以及介電層310。

在一實施例中，電源302輸出的電流為交流電，其具有頻率為例如65.9千赫茲。電源302輸出的峰值對峰值(p-p)電壓為約5000-8000伏特，而最高的峰值對峰值工作電壓可為約8000伏特，而響應的工作峰值對峰值電流為約0.2安培。

在一實施例中，大氣電漿模組300的電極裝置305具有管狀外型，正電極306以及介電層310以同心圓的方式環繞負電極308。然而，電極裝置305可以有其他不同的形狀。在一實施例中，負電極308以黃銅或其他合適的金屬製成，且具有長條狀或棒狀，其連接電源302的負極端以作為電極裝置305的負極。在一實施例中，負電極的長度為約150mm，而直徑為約3mm。在一實施例中，正電極306位於電極裝置305的最外圍，其可由黃銅或其他合適的金屬製成，其具有管狀或空心柱狀，作為套管套接介電層310及負電極308。在一實施例中，正電極306連接接地端以及電源302的正極端以作為電極裝置305的正電極或接地電極。在一實施例中，正電極306的長度為約40mm，而其內徑為約7mm。在一實施例中，介電層310位於正電極306以及負電極308之間，其可由氧化鋁陶瓷管或其他合適的介電質材料製成，其具有管狀或空心柱狀，套接於正電極306及負電極308之間，並將正電極306及負電極308電性絕緣。在一實施例中，介電層310的長度為約100mm，而其內徑為約5mm。

進氣裝置304連接電極裝置305，可包括氣流幫浦或其他進氣設備，以通入反應氣體。在一實施例中，反應氣體為一般大氣。進氣裝置304的進氣速率可視需求而調整，例如可設定為約2.6slm，以產生穩定之大氣電漿。在一實施例中，大氣電漿模組300設有矽膠軟管將進氣裝置304與電極裝置305相接。在一實施例中，進氣裝置304設有套管，用以容納負電極308以及配線，以將電源302電連接至負電極308。

圖3B是根據一些實施例所繪製的電源302的示意圖。在一實施例中，電源302包括第一輸入電壓322、整流器324、第二輸入電壓326以及變壓器328。在一實施例中，第一輸入電壓322具有交流電，藉由整流器324輸出直流電通過二極體D1傳送到變壓器的第一側的第一端點T1。在一實施例中，第二輸入電壓具有直流電，通過二極體D2傳送到第一端點T1。在一實施例中，變壓器328的第一側具有第二端點及第三端點，分別連接開關S1及S2的一端。開關S1或S2的另一端係接地。

參照圖3A及3B，在一實施例中，變壓器328將輸入第一側的第二端點T1的電壓Vin轉換成第二側的輸出電壓Vout，作為電源302的輸出電壓。

圖4是根據一些實施例所繪製的養分循環模組216示意圖。循環模組216包括清水桶412、原液桶414、酸性液桶416、鹼性液桶418、管道422、加壓池426、管道428、442以及噴頭430、444。

養分循環模組216可根據需要而調整營養液的供給內容，例如營養液的濃度、劑量、範圍等。在一實施例中，養分循環模組216可根據控制模組130的指令調整營養液的供給內容。在一實施例中，養分循環模組216可以將營養液噴灑至栽培槽212(未顯示於圖4，但顯示於圖2A)並經栽培池404回收，其中農作物402可懸空於栽培池404上方或部分浸於栽培池404中。在一實施例中，養分循環模組216所產生的營養液可包含至少一含鉀肥料以及一含磷肥料中之一者。在一實施例中，養分循環模組216所產生的營養液可包含至少一含氮肥料、一含鉀肥料以及一含磷肥料中之一者。

清水桶412可用於貯存清水，而原液桶414可用於貯存未稀釋肥料或營養液原液。藉由閥門424的控制，可將原液桶414的肥料或營養液原液藉由清水桶412中的清水進行稀釋，而調整營養液的濃度。稀釋後的肥料或營養液經由管道422流入加壓池426後被加壓輸入管道428。管道428上設有噴頭430，可將稀釋後肥料有效噴灑至農作物402周圍。

加壓池426包括第一水泵432、感測器434以及第二水泵436，用以將管道422輸入的肥料或營養液加壓後輸入管道428。第一水泵432可用於將稀釋後的的營養液抽取至加壓池426，並可混和空氣及稀釋營養液，以增加氧氣含量。第二水泵436可用於增加輸出液壓，並可以提高肥料或營養液的霧化程度。在一實施例中，水泵432、436選用耐腐蝕的水泵材料。在一實施例中，第二水泵436的輸出功率可根據視無土栽培室210的種植面積、管道428的總長及佈置方式以及噴頭430所需壓力而調整。在一實施例中，針對300平方公尺的噴灑面積，第二水泵436輸出功率在1500瓦與2200瓦之間。

感測器434可以包括水位感測器、溫度感測器、濕度感測器、水質感測器、電導度感測器、酸鹼值感測器等，並依照目前農作物402的特性與生長狀態透過栽培控制單元134控制閥門424而調整營養液或肥料的濃度或劑量。

酸性液桶416可用於貯存酸性稀釋液，其種類可以是稀釋硫酸(H2SO4)或稀釋硝酸(HNO3)。鹼性液桶418可用於貯存鹼性稀釋液，其種類可以是稀釋氫氧化鈉(NaOH)或稀釋氫氧化鉀(KOH)。藉由閥門446的控制，可調整營養液或肥料的所需酸鹼值。酸鹼值調整後的營養液或肥料注入管道442。管道442上設有噴頭444，可將營養液肥料有效噴灑至栽培槽212的包圍空間中，使農作物402的根系吸收而生長。

在一實施例中，由於噴頭430、444容易堵塞，且較難發現，因此要選擇過濾效果良好的疊片式或濾網式噴頭。在一實施例中，噴頭430、444的類型根據根據栽培槽212形狀及噴頭430、444的安裝位置而有不同。例如，噴頭430、444可以設計成以扇形或是全角度方式進行噴灑。

在圖4所顯示的實施例中，酸性液桶416與鹼性液桶418並未直接與清水桶412或原液桶414進行混和，也未經過加壓池426，乃是直接混和後就注入管道442。在其他實施例中，酸性液桶416與鹼性液桶418可與清水桶412或原液桶414進行混和後再注入管道442，或者分別或一起導入加壓池426，而在加壓池中與清水桶412或原液桶414進行混和，混和稀釋過後的營養液才注入管道428、442。在一實施例中，酸性液桶416與鹼性液桶418可注入管道428而將調整過酸鹼值的灌溉水或營養液噴灑至農作物402的根系

上述養分循環模組216的元件(也可配合圖2A所示栽培槽212、圖2B、2C的栽培池2344)可整合成為噴灑及回收灌溉水及營養液的循環管路，藉由將營養液噴灑至農作物402的根系，依照農作物的特徵調整營養液的內容，而促進農作物的生長效率，並將未被吸收的灌溉水及營養液回收，達到灌溉水及營養液充分利用的優點。

在一實施例中，養分循環模組216還包括超音波氣霧機(未繪示)以噴灑營養液。在一實施例中，養分循環模組216還包括貯液池(未繪示)，用於取代原液桶414儲存營養液並可用以回收營養液及灌溉水。貯液池的大小依照實際生產基地面積規模，可使用磚混結構、大型塑膠桶或塑膠箱建造而成。貯液池的容積要保證第一水泵432在一定時間內不會將營養液抽乾。在一實施例中，貯液池建於地面以下，位於約1-1.5公尺的深度。貯液池中的營養液位的高低可通過設於栽培槽212的液位調節器調節，以適應植株根系不同生長時期對營養液與水分的需求。

圖5是根據一些實施例所繪製的控制模組500示意圖。控制模組500可用於圖1、圖2A的控制模組130。控制模組500包括控制節點510以及控制台520。在一實施例中，農電共生系統100或氣霧栽培系統200包括感測器501、502、503、504、505及開關531、532、533、534。感測器501-505用以收集栽培農作物所需資訊，而開關531-534可包括啟動器(actuator)、切換器(switch)或調節器(tuner)以對農電共生系統100或氣霧栽培系統200中的各種裝置進行開關或功能調整。在一實施例中，控制模組500與感測器501-505及開關531-534相連。在一實施例中，控制模組500可包括感測器501-505及/或開關531-534。在一實施例中，控制模組500對應圖1、圖2A的控制模組130。在一實施例中，控制模組500對應圖1、圖2A的栽培控制單元134。

控制節點510用以將感測器501-505以及開關531-534與控制台520連線。控制節點510可以以硬體構成，例如可以由特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)或場域可編程邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)所構成。控制節點510可以是電腦、伺服器、中繼器、網路伺服器、網路基站等。控制節點510可以包括處理器、資料儲存單元、記憶體、輸入介面、輸出介面、網路介面等元件。

控制台520可以是電腦、伺服器、中繼器、網路伺服器、雲端運算單元或任何可執行數據分析與決策判斷程式的運算主體。控制台520可以以硬體構成，例如可以由特定應用積體電路(ASIC)或場域可編程邏輯閘陣列(FPGA)所構成，或以軟體程式實現於硬體架構中。控制台520可以包含處理器、資料儲存單元、記憶體、輸入介面、輸出介面、網路介面等元件。

控制模組500可以經由遠端節點540透過網際網路530進行調控，達到遠端管理農電共生系統100或氣霧栽培系統200的目標。在一實施例中，遠端節點540可以是伺服器或個人電腦等連網裝置，或是行動電腦、筆記型電腦、手機、平板等移動式電子裝置，經由網際網路530與控制台520連線，進而可隨時隨地監控農電共生系統100或氣霧栽培系統200的各項數據。

感測器501-505透過控制節點510連接至控制台520並將感測數據傳送至控制台520。在一實施例中，感測器501-505安裝於農電共生系統100或氣霧栽培系統200中棚架222或無土栽培室110、210的適當位置，以收集所需栽培相關數據。在一實施例中，感測器501-505安裝於養分循環模組216中適當位置，例如作為感測器434，以收集所需數據。

在一實施例中，感測器501是照度感測器，用以收集農電共生系統100或氣霧栽培系統200的照度數據。在一實施例中，感測器502是空氣品質感測器，用以收集無土栽培室110、210的氧氣濃度、二氧化碳濃度以及其他氣體濃度。在一實施例中，感測器503是溫度/溼度感測器，用以收集無土栽培室110、210的溫度或濕度。在一實施例中，感測器504是水中氨濃度感測器或電導度感測器，用以收集無土栽培室110、210的營養液的溶解氨濃度或電導度。在一實施例中，感測器505是酸鹼值感測器，用以收集無土栽培室110、210的營養液的酸鹼值。

在一實施例中，電導度指無土栽培室110、210中營養液的電導度，可反映出營養液總鹽濃度。在一實施例中，農電共生系統100或氣霧栽培系統200在開放式栽培環境下的營養液電導度控制在2~3ms/cm。在一實施例中，農電共生系統100或氣霧栽培系統200在封閉式栽培環境下的營養液電導度不低於2ms/cm。

在一實施例中，控制模組500可以包括感測器501-505中之一或多者。在一實施例中，農電共生系統100或氣霧栽培系統200或控制模組500還可以包括其他類型感測器，例如風速感測器、降雨感測器、監視器、門禁感測器、用於監控儲能模組120的電力感測器、用於監控電力輸入端150電壓值或電流值的電源感測器等等。在一實施例中，農電共生系統100或氣霧栽培系統200或控制模組500的感測器可以設於機器人或無人機上，利用動態巡視監控方式將監測數據以有線或無線方式(可經由控制節點510或不經由控制節點510)傳送至控制台520。

控制台520透過控制節點510連接至開關531-534並將動作指令傳送至開關531-534。在一實施例中，開關531是空調開關或升降溫器/加濕器開關，用以調控風扇、壓縮機、通風機、水霧設備、窗戶開關以升高或降低無土栽培室110、210的溫度或濕度。

在一實施例中，開關532是照明開關，用以調控燈光亮度(例如控制圖6的光源614)、窗簾開關等裝置以升高或降低無土栽培室110、210的照明度。

在一實施例中，開關533是電漿開關，用以調控大氣電漿模組214的輸入電壓值或電流值。

在一實施例中，開關534是閥門開關，用以控制養分循環模組216的閥門424、446以調整肥料或營養液的輸出，例如當感測器502、504所收集的營養液的電導度數據低於預定值時，開關534可經由控制台520的指令開啟閥門424、446向營養液中補充肥料或預先配製好的原液。在其他實施例中，開關534可用以控制噴頭430、444的噴灑時間、壓力與方向。

在一實施例中，開關531-534中一或多者經由控制台520發出及控制節點510傳送的指令進行下列至少一者：調整無土栽培室110、 210的照度、調整無土栽培室110、210的通風、調整栽培槽212的營養液的酸鹼值以及調整大氣電漿模組214的電壓值或電流值。

在一實施例中，控制模組500可以包括開關531-534中之一或多者。在一實施例中，農電共生系統100或氣霧栽培系統200或控制模組500還可以包括其他類型開關，例如門禁開關，用以在偵測到異常侵入者時，開啟警告鳴笛或燈光以驅趕入侵者或動物；緊急電力開關，用於當電力輸入端150輸入異常時，降低儲能模組120的電力輸出或關閉其他非緊急的用電裝置以節省電力。

在一實施例中，控制台520、控制節點510、感測器501-505以及開關531-534形成物聯網，其中控制台520的監控程式可配置人工智慧(Artificial intelligence，AI)系統，為農民提供數據分析。例如：控制台520可經由網際網路530收集與農電共生系統100相關的天氣、溫度、濕度、收成量及市場需求等數據後，提供使農作物價值最大化的方法。例如，可利用感測器501-505以及無人機蒐集的數據，匯整有關天氣、土壤、種籽、作物、成本、農場設備、灌溉水和肥料等數量龐大且有分析價值的數據。農電共生系統100的經營者可利用控制台520預測收成時間、收成量以及販售利潤。所有的資訊經過整理後，經營者不僅可掌握灌溉、種植、施肥的最佳時機，還可以確定最適合的銷售時點。

在一實施例中，控制台520的人工智慧系統可決定經由太陽能模組140或該儲能模組120對無土栽培室110或210進行供電。控制台520的人工智慧系統可藉由電力輸入端150、太陽能模組140及儲能模組120進行「削峰填谷」的儲電模式。例如，控制台520的人工智慧系統根據市電及太陽能發電的成本，在夜間或日照不足時以電力輸入端150的市電對儲能模組120充電，在日間或日照充足時以太陽能模組140對儲能模組120充電，從而減低日間以市電對儲能模組120充電的比例，進一步改善無土栽培室110、210的電力消耗，因而節省農電共生系統100的用電成本。在一實施例中，當太陽能模組140的發電成本與電力輸入端150所供電的發電成本越來越接近而達到電網平價的狀態時，控制台520可考慮在日間或夜間皆由太陽能模組140進行供電，而達成百分百使用乾淨能源的目標。因此，太陽能發電與無土栽培農業可以達到互利共生，再生能源的用地取得不至於排擠精緻農業的發展，因而達到再生能源與精緻農業雙贏的目標。

在一實施例中，控制台520的人工智慧還可藉由儲能模組120提供大氣電漿模組214的電漿所需電壓及電流，並根據感測器501-505的感測數據調整大氣電漿模組214的電壓值或電流值而調整電漿輸出狀態。

圖6是根據一些實施例所繪製的水栽培系統600示意圖。水栽培系統600與農電共生系統100或氣霧栽培系統200相似，包括無土栽培室610、儲能模組120、栽培控制單元134、太陽能模組140、以及電力輸入端150。圖6所示的水栽培系統600僅為例示，本創作可包括其他實施例，例如以上所述的元件至少一者可以省略。再者，水栽培系統600亦可加入其他尚未提及的元件。

參閱圖2A、2B及圖6，無土栽培室610包括棚架622、栽培槽612、光源614、養分循環模組616、導光裝置624以及光反射裝置626。在一實施例中，棚架622具有棚頂623。在一實施例中，栽培槽612具有與栽培槽212類似的結構與功能，例如栽培槽612可包括定植板，其上設有定植孔。在一實施例中，栽培槽612包含栽培池618用以貯放營養液或灌溉水，其中農作物628的根系可部分或完全浸於栽培池618中。

在一實施例中，光源614用以提供人造光源照射農作物628，可以長時間對農作物628提供所需照度，促進農作物628生長。在一實施例中，光源614使用白熾燈泡、鹵素燈、螢光燈、陰極管燈管、發光二極體(LED)或其他合適農作物生長的波長光源。光源614經由電力線112與儲能模組120電連接，其中儲能模組120能確保光源614具有穩定的電力來源，以達到農作物628的理想生長品質及產量。

在一實施例中，棚架622、棚頂623、導光裝置624、光反射裝置626以及養分循環模組616的結構與使用方式分別與圖2A的棚架222、棚頂223、導光裝置224、光反射裝置226以及養分循環模組216養分循環模組216類似，因此其細節不再重述。

以上雖然已詳述本創作實施例內容及其優點，然而應理解的是還可以再衍生各種變形、取代品與替代品而不脫離本創作申請專利範圍所定義之本創作的精神與範圍。再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述的製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。本創作所屬領域之技術人士可自本文的揭示內容理解可根據本文而使用具有本文所述的實施例相同功能或是達到實質相同結果之現存或是在未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟亦包含於本申請案之申請專利範圍內。