用于分布式光伏消纳的等离子体土壤固氮装置研究

郑琪禹 ，赵 江 ，李俐莹 ，鲍庆龙 ，朱伟娜 ，郑钧文 ，王立地 *

（1.沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁 沈阳 110161;2.国网康平县供电公司，辽宁 沈阳 110500）

1 氮素获取及土壤肥力不足问题

氮是动植物体内较为重要的元素之一，高产作物的生成严重依赖施氮，在庄稼的生长发育过程中起主导作用[1]。这是因为农作物经常遭受自然界的外部压力，如缺水、内涝、毒性、高盐度和极端温度，这些胁迫导致土壤氮素流失、作物减产，为了在不断变化的环境下保证作物的产量，氮肥的合理施用显得格外重要[2]。部分地区施肥、追肥方法欠妥，土壤氮素化肥挥发至大气或经雨水冲刷，导致土壤中氮元素数量不足预期要求。

农作物在体内氮素不平衡时也会出现不同症状的表现，高粱、玉米、小麦、水稻等农作物，在土壤氮素不足时，叶片/麦苗发黄，植株矮小，作物产量和预期相比效果较差，同样在施加氮肥的过程中须要控制其用量，氮素过剩时农作物极易发生病虫侵害、植株病长的同时，对土壤周围环境造成损伤。主要经济作物在氮素不足/过剩时的具体表现如图1所示。

图1 主要经济作物在氮素不足/过剩时的具体表现

土壤氮素可以直接反应农村庄稼肥力，是推动当地生态系统循环的一个重要环节。尤其是在沙土地，陡坡地等瘠薄地土壤中是极易缺失氮素的。以我国西北地区砂质土为例，砂质土保水性、持水性、保肥能力较差，在土壤有机质含量低的贫瘠地中，也极易遭受干旱威胁，影响植株根系吸收能力，在浇水量过多或暴雨冲刷后，还易发生水肥管理不便、土壤氮素流失等现象。

自然界雷电、微生物对氮气的固定，以补充土壤中的氮素是远远不能满足全球粮食供应的。工业上早在20 世纪初期，哈伯、博施通过严苛的反应条件利用氮气和甲烷进行人工合成氨的生产过程，实现工业规模上的氮肥制备，解决了粮食生产的重要问题[3]。但农作物的增产增收是以能源消耗、环境污染为主要代价，所引起的化石燃料投入、温室气体碳排放等问题值得关注。

“双碳”目标以来，我国智能化农业、绿色化农业高速发展，正广泛寻求低碳绿色化肥制备工艺，等离子体固氮近年来备受关注。通过常温常压下等离子体大气击穿产生氮氧化物，利用液相法转化氮气为硝酸的过程，该过程会形成含硝酸盐的活性氮物质，作用于土壤用于植物的直接吸收。等离子体合成NOX的过程可以按不同放电方式进行分类，如介质阻挡放电、辉光发电、滑动弧放电等。在对应不同放电方式下，可以通过调节不同参数，如电源脉冲[4]、电极尺寸[5]、电学条件[6]、反应气类型[7-8]等，优化等离子体固氮产物中含氮物质的产量。

本文自制了一种滑动弧等离子体反应室，用于研究光伏固氮过程中周期放电变化，及光伏固氮实验产物变化。滑动弧放电规模小、反应条件温和、参数灵活、便携分布等优点，具有较高的化学选择性[9]。“双碳”目标以来，我国农村地区大力发展清洁能源，积极构建农村清洁能源体系，用于农村分布式光伏消纳的等离子体土壤固氮装置利用农村丰富的清洁能源作为驱动动力，与清洁能源的结合可以摆脱固氮工艺对化石能源的依赖，大大减少农业温室气体的排放。该装置积极支持当地农民采用现代农业与能源产业的双向耦合，以便有效推进我国农村地区“农光互补”的新发展模式，为我国农村瘠薄地中补足土壤肥力的同时，实现清洁能源高效就地消纳。

2 光伏固氮技术方案设计

在传统工业合成氨的过程中，规模化、集成化的氮肥制备因化石燃料的燃烧严重破坏了生态系统环境。近年我国在“双碳”目标驱动下，人工固氮也逐渐向新工艺、新技术等目标下高速发展，摒弃了传统高温、高压技术。等离子体法正是其中一种，由内部电子、离子以及其他活性分子组成[10]。通过气体放电等离子体与氮气作用完成固氮过程，正是以低碳、便携、迅捷为特点，是较具有潜力的一种新型固氮方式。配合风光资源充足的农村地区，解决工艺固氮碳排放问题的同时，又为农村能源就地消纳提供了一种农业光伏固氮新方案。

图2 以农村屋顶分布式光伏为例，提出了一种促进农村光伏消纳的光伏固氮技术方案，通过光伏组件将废弃太阳能转换成电能，经逆变后太阳能可直接驱动等离子体交流电源，促使大气等离子体在电极周围放电。由于等离子体中含电子、离子和自由基等活性物质，稳定的氮氮三键断裂，形成土壤庄稼可吸收的含氮化合物，该方案应用场景广泛，除农户粮食作物增产外，还可以补足光伏现代农业园区中土壤肥力，为乡镇企业的肥料增收做出一定贡献。

图2 促进农村光伏消纳的土壤固氮技术方案

用于农村分布式光伏消纳的等离子体土壤固氮装置其主体结构包括：光伏固氮发电单元、光伏固氮发生单元、尾气监测与吸收单元。

光伏固氮发电单元，主要包括光伏组件、光伏控制器、DC/AC 等维持电能存储和变换的电气组件，驱动等离子体固氮发生单元，用于大气压下低温等离子体的产生。发电单元中的光伏组件可将废弃的太阳能转化成电能，农村地区可从光伏种植大棚上方棚顶或农村屋顶分布式光伏阵列接入。通过DC/AC 装置实现直流电到交流电的转化，用以铅蓄电池的储能环节，以及高频交流电源的能量供给。

光伏固氮发生单元，主要由等离子体土壤固氮反应室（自制）和等离子体电源两部分组成。滑动弧放电是等离子体主要放电形式之一，等离子体土壤固氮反应室中由刀型电极、刀极底座与接线柱、亚克力外壳、进出气口等组成，通过电源上方调节器调节外加电压，刀片电极通入高电压后在刀片电极周围形成循环放电周期，整个放电周期包括电弧产生、电弧发展、电弧熄灭的3 种放电状态。在滑动弧放电过程中会不断产生等离子体，其中主要包含大量高能电子、活性基团等，为大气固氮的化学反应的进行提供了充分条件。等离子体土壤固氮反应室，如图3 所示。

图3 等离子体土壤固氮反应室

尾气监测与吸收单元，主要针对等离子体土壤固氮后的生成物进行浓度检测与尾气吸收，所产生的氮氧化物可通过液相吸收的方式存储，农村地区可配合畜禽粪便堆肥补充沙土地、陡坡地等肥力不足的土壤中，有毒有害气体通过气袋统一收集后处理，避免氮氧化物造成实验环境的二次污染。滑动弧等离子体土壤固氮实验装置，如图4 所示。整套方案可在屋顶分布式光伏接入下，有效促进农村地区光伏就地消纳，所获氮素配合畜禽粪便可补充农村当地土壤肥力，为非豆科为主的粮食作物增产增收。

图4 等离子体土壤固氮实验装置实物图

3 光伏固氮实验结果分析

基于上述用于农村分布式光伏消纳的等离子体固氮实验方案，本文设计了等离子体土壤固氮装置并进行相应的大气固氮实验。实验保持在常温常压（温度25 ℃，101 kPa 一个标准大气压）条件下，反应条件温和。实验放电条件保持在工频下3 kV 左右，滑动弧电极长度为H=15 cm，曲率半径R=150 mm，进、出气口的经口内径长为5 mm，外径长为7 mm，通过气体检测装置（型号：LB-MS4X）对实验所生成的氮氧化物气体进行检测。实验全程以空气（以N2为主）、水为反应原料，实验过程绿色友好、环保无污。

等离子体土壤固氮装置运行过程中的电压信号采用示波器监测，实验发现滑动弧等离子体放电规律、运动轨迹均呈周期性变化。这是由于滑动弧在产生后，通过气泵向上吹动电弧运动，随着电弧底端移动放电间距的逐渐增大，当其向上发展到一定长度时，等离子体电源所释放的能量不足以维持滑动弧能量消耗，滑动弧短暂熄灭并在电极底端气隙处重新击穿，形成新的放电周期。在用于农村分布式光伏消纳的等离子体土壤固氮系统中同多数学者研究一致，发现在交流滑动弧放电过程中包含2 种主要模式[11-12]。将电极底端气隙击穿的过程称为土壤固氮装置的击穿伴随滑动模式，该模式形成后在气泵的作用下，带动滑动弧自下而上的运动过程称为土壤固氮装置的稳定滑动模式。在击穿伴随滑动过程中电压信号具有明显波动，此时在刀型电极底端持续不断地有电弧生成，该时刻电压值波动明显。而在稳定滑动模式中，电弧在流场的激励下平滑运动，电压信号较击穿伴随模式相比更为平滑发展。交流滑动弧放电模式下的电压信号的击穿伴随滑动模式和稳定滑动模式，如图5 所示。

图5 交流滑动弧放电模式下电压信号

等离子体土壤固氮装置的生成物通过气体检测装置进行检测，所产生的生成物主要以NO、NO2为主。在5 min 大气固氮放电实验时发现，产物NO2是从放电初始生成，最大值近1700 µL/L 伴随击穿滑动模式时即有NO2的生成，直至放电结束。相反地，生成物NO 并非同NO2从初始状态直接生成，而是在NO2生成后一段时间内产生NO。在实验5 min 末时刻，等离子体土壤固氮反应室被棕色气体弥漫，棕色气体主要成分以NO2为主，其生成量为1268 µL/L，NO 生成量为215 µL/L，NO2生成量约是NO 生成量的5.9 倍。等离子体土壤固氮装置在温和条件下，短时间内生成的氮氧化物含量近2000 µL/L，经单位换算NO2浓度近4.1 mg/L，按相关工业制备成本估算工作24 h 可得近1380 mg 硝酸，用于后续制备绿色硝态氮肥。等离子体土壤固氮装置中的氮氧化物生成量，如图6 所示。

图6 等离子体土壤固氮装置的氮氧化物生成量（5 min）

由相关实验可见，该技术方案可以产生一定的固氮效果，经液相吸收后氮氧化物可形成农作物可吸收的硝酸盐化合物。该方案有效地促进农村地区的能源就地消纳，后续还可以对肥力不足的沙土地、陡坡地等有机质含量低土壤进行氮素修复。合理优化相关电极参数、放电参数，还可以进一步减少等离子体固氮的工艺成本，用于农村分布式光伏消纳的等离子体土壤固氮方案不仅克服了严苛的反应条件，更具灵活性与间歇性，而且避免了传统工业固氮中化石燃料的消耗，在农村环境资源保护、光伏产业助力乡村振兴方面具有一定的实践意义。

4 结束语

通过光伏驱动等离子体土壤固氮装置，有效解决以往工艺固氮中碳排放问题的同时，对我国农村地区的光伏就地消纳提供了一种与农业相耦合的技术方案。本文通过相关实验研究主要发现，滑动弧等离子体电压信号呈周期性变化，主要通过击穿伴随滑动、稳定滑动2 种模式形成完整放电周期。在击穿伴随滑动过程中电压信号具有明显波动，此时在刀型电极底端持续不断地有电弧生成，该时刻电压值波动明显。而在稳定滑动模式中，电压信号较击穿伴随模式相比更为平滑发展。通过相关实验发现，实验5 min 末时刻，等离子体土壤固氮反应室内被棕色气体弥漫，反应装置生成物主要成分以NO2为主，其生成量为1268 µL/L，约是NO 生成量的5.9 倍，NO 生成量为215 µL/L。

目前，我国农村新能源已进入规模化高速发展新阶段，等离子体土壤固氮装置为庄稼增产增收的同时，还可以有效提高可再生资源的利用率，避免新能源产能相对过剩与负荷不足而造成的突出矛盾。土壤固氮装置可以直接在农村原有屋顶分布式光伏基础上进行接入与改造，配合农户家中畜禽堆肥补充土壤肥力。还可以根据农户侧需求结合区域特色项目辅助固氮，如光伏治沙、光伏温室等地区特色产业。在具备条件的农业产业园区、现代光伏小镇中，以绿色电力推动农业生产，减少新能源向外输送、转化过程中的弃光弃电现象的发生，有效提高农村能源资源的综合利用效率。日后还须要进一步解决土壤固氮装置的经济成本与工艺成本问题，配合自动起、停控制外，通过不断优化电气参数、电极参数、反应环境等实验条件，寻求等离子体土壤固氮最佳性能水平，为农民带来更多光伏福利。