太阳能、二次锂离子SSB蓄电池与等离子体活化水集成用于低氮温室栽培

2026-10-13 22:09:48

摘要

该研究展示了一个国家级项目，将太阳能光伏与二次利用的汽车锂电池相结合，用于局部规模的农业灌溉和温室气候控制。自动开启的温室系统能够适应资源匮乏地区的各种气候条件。通过应用基于自适应控制算法的自主电池管理系统（BMS），实现了对有效容量和安全性等关键参数的实时监测与预测，确保了安全运行并延长了电池寿命。结果表明，通过优化管理，二次利用电池的寿命可额外延长7.8至9.3年，在保持热控制偏差在0.3%以内的同时，实现3.3千瓦的最大放电功率。并网和独立微网配置均已在现场成功测试，提高了当地的能源独立性，并减少了对外部电源的依赖。此外，为避免化肥对环境造成危害，采用空气固氮技术从空气中提取氮肥，用于灌溉番茄和黄瓜等作物。控制系统每日利用太阳能将电能储存在电池中，以满足固氮和温室的基本需求，无需依赖电网即可维持温室运行。该项目为低碳农业能源解决方案提供了一个实用、可扩展的模式，减少了约1.28公吨的二氧化碳排放。₂每年每套系统。它提供了一个框架，用以指导政策制定、促进低碳转型，并支持欠发达地区实现全球可持续发展目标。

1. 引言

1.1. 背景

全球变暖和温室气体（GHG）排放对农业构成了重大挑战，特别是在台湾等人口密集、土地稀缺的地区。集约化耕作方式、劳动力老龄化以及氮肥的过度使用，已导致土壤酸化、水体富营养化以及一氧化二氮（N₂O) 排放，这进一步加剧了环境退化，并威胁到可持续农业生产。
等离子体活化水（PAW）等创新技术通过将空气和水中的氮氧化物转化为植物可吸收的氮形式，为减少对合成肥料的依赖和降低相关温室气体排放提供了极具前景的替代方案。同时，将太阳能光伏（PV）系统等可再生能源与改造后的电池储能相结合，有助于低碳农业微电网的发展。这些进展共同促进了现代农业中氮肥利用效率的提高、排放的减少以及可持续性的增强。

1.2. 农业碳排放与温室农业面临的全球挑战

农业约占全球温室气体排放量的10–14%，其中N₂O——主要源于氮肥的使用——是主要驱动因素，因为其全球变暖潜势比CO₂ [1高出298倍。仅农业土壤就占人为N₂O排放量的60–70%，主要来自合成肥料和牲畜粪便[2]。全球粮食需求的增长加剧了与氮相关的排放，威胁着净零排放目标。除了排放之外，过量使用氮还会导致土壤酸化、养分失衡和水污染[3]。为了缓解这些问题，建议采用缓释肥和替代氮源等策略，以提高氮肥利用效率，同时保持作物产量[4].
与此同时，温室农业在全球范围内迅速扩张，目前覆盖面积已超过130万公顷，尤其是在欧洲、东亚和中东地区[5]。虽然温室为稳定的作物生产提供了受控环境，但其高度依赖照明、通风和灌溉系统等高能耗运行方式，导致了大量的碳排放[6]。大多数设施依赖化石燃料发电和传统化学肥料。尽管人们致力于提高能源效率，但养分管理整合与优化仍显不足。温室中长期过度使用氮肥会导致土壤退化、地下水硝酸盐污染以及温室气体排放增加，挑战了该行业的环境可持续性和资源循环性。

1.3. 用于固氮的等离子体活化水 (PAW)

最近的进展突显了PAW作为受控环境农业（CEA）中可持续氮源的潜力。研究表明，PAW在环境条件下可产生植物可利用的氮物种——硝酸盐、亚硝酸盐和铵——通过提高氮利用效率和减少温室气体排放，支持可持续发展目标[7].
已开发出太阳能兼容的等离子体系统，实现了硝酸盐的持续生产，并显著提高了气雾栽培作物的产量[8]。研究表明，PAW能增强多种作物的发芽率、叶绿素含量和养分吸收[9,10,11].
然而，现有的大多数研究仅限于实验室或小规模试验。全规模温室中长期性能、硝酸盐供应的可靠性以及与可再生能源系统的整合仍有待深入探索。

1.4. 储能系统中的二次利用锂离子电池

尽管不再适用于电动汽车，但得益于高能量密度和严格的安全标准，这些电池仍能保持60-80%的容量，使其成为固定式储能等二次利用应用的理想选择[12]。经过筛选和重新配置，再利用电池为新电池提供了一种具有成本效益且环保的替代方案。研究表明，与新型锂离子或铅酸电池相比，退役的镍锰钴（NMC）811电池具有更低的碳足迹和全球变暖潜势[13]。虽然磷酸铁锂（LFP）电池在适当管理下能保持结构和电化学稳定性[14].
欧洲的大型项目，如雷诺的先进电池储能项目，已将二次电池整合到国家电网中，以增强灵活性和韧性。特斯拉的Powerwall等商业产品服务于小型用户，但在农业领域面临成本和可扩展性挑战。最近，结合了再利用电动汽车电池与太阳能的混合系统已开发用于农业温室。这些系统通过灵活部署、成本节约以及通过定制化电池管理提升热安全和运行安全，解决了间歇性能源需求，支持农业的低碳转型和资源循环利用（表1).
表1。国际储能系统与本项目所用储能系统的比较。

1.5. 温室农业中的可再生能源微电网

太阳能微电网系统已在农业设施中得到广泛推广，以减少对化石燃料的依赖，并增强这些环境中的能源自主性和自给自足能力。Torres等人[15]在《可持续性》杂志上，评估了一个集成了半透明光伏屋顶、电池储能和电动汽车充电站的综合温室能源枢纽。经过为期三年的实地研究，该系统平均减少了41%的电网购电量。然而，由于积尘，光伏面板平均每年损失约6.8%的能量，这既突显了系统的能源潜力，也反映了维护方面的实际挑战。
此外，参考文献[16]强调，电池储能系统（BESS）在稳定日间光伏波动、支持温室环境控制（如通风和加热）以及减少对备用发电机的依赖方面发挥着关键作用。这些能力对于维持作物微气候条件和整体能源韧性至关重要。结合光伏发电与电池及氢能路径的混合储能配置已被建模，作为管理这种间歇性并将其平衡周期延长至日循环之外的手段[17,18].

1.6. 研究空白与综合低碳系统的需求

虽然可持续农业一直致力于提高能源效率和降低成本，但很少有研究探讨在真实温室条件下，将氮素管理技术（如PAW）与可再生能源系统相结合。
本研究提出了一种新颖的方法，将基于等离子体的固氮技术（通过PAW）、太阳能发电和二次利用的锂电池储能系统结合在实际运行的温室中。该系统从作物产量提升、减碳潜力以及实际可行性三个方面进行了评估。同时，还实施了自适应电池管理系统（BMS）来监测再利用电池的性能，解决了电池寿命和环境影响这一被忽视的问题。
通过建立跨部门的整合模型，这项工作支持了农业的低碳转型，为可持续食品生产提供了技术见解和可复制的框架。

2. 材料与方法

为了支持净零碳农作物生产，开发了一个集成PAW、精准施肥和自动化控制系统的温室栽培模块。该系统由结合太阳能和再利用电动汽车电池储能的本地微电网供电，提高了水和能源的使用效率。
在轮作种植中，使用牛排番茄和波斯黄瓜进行了田间试验。栽培试验采用了统一的无土介质系统。测试了两种处理：常规营养液和添加了PAW的减矿氮溶液，其中，对于牛排番茄，43.7%的矿物氮被PAW来源的氮取代，使总氮量减少了15.1%（第2.1节). 采用了6行21米长的双面种植行：其中两行接受PAW处理，其余四行作为对照组，以行作为实验单位（PAW组为2，对照组为4；第2.5节 = 4 for the control; Section 2.5).
温室覆盖面积为285平方米²，并包含一个建在12米高平台上的20吨自建水箱。灌溉基础设施包括50.8毫米PVC主管道、1.7毫米滴灌管（1.2升/小时，30厘米间距）和球阀。六条21米长的滴灌线可种植700多株植物。在此设置中，30升PAW灌溉了两个处理行，而50升未经处理的水灌溉了四个对照行（图1).
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图1。实验装备与管道布置图。

2.1. 营养液调节与作物栽培管理

对照组（CK）采用日本山崎番茄营养液配方的常规栽培方法。实验组采用相同配方但减少矿质氮供应，并补充PAW作为替代氮源，以评估其在氮素补充和作物生长方面的效果。
试验分两个作物季节进行：2024年秋冬季的牛排番茄（Solanum lycopersicum）和2025年春夏季的波斯黄瓜（Cucumis sativus）。波斯黄瓜季节的结果超出了本文的范围，将另行报告；黄瓜氮肥配方保留在表2仅为记录后续季节的设计。幼苗被移栽到每个处理组指定的栽培袋中。灌溉管理旨在保持基质水分充足且无过度排水，并根据环境条件进行调整。
表2。牛排番茄和波斯黄瓜试验营养液中的氮含量。

作物管理遵循当地常规做法。牛排番茄作为单茎培养，而波斯黄瓜在两叶期进行侧芽摘心，作为单蔓培养。
两种作物的营养液均按照山崎配方稍作修改后配制。在实验组中，部分无机氮被PAW来源的氮所替代。表2报告了根据上述肥料配方和添加量计算出的制备营养液的设计成分；矿物氮值为配方值，而非所配溶液的分析测量值，而PAW氮值为该批次PAW在应用稀释浓度下的实测硝酸盐氮浓度。两个季节的设计替代量有所不同。对于牛心番茄，矿物氮浓度从98 mg/L降至55.2 mg/L，设计替代量为43。7%，其中28 mg/L作为PAW氮供应，总计83.2 mg/L，总氮量较对照组减少15.1%。对于波斯黄瓜，配方设计在总氮量恒定的情况下进行20%的替代：矿物氮从183 mg/L降至146 mg/L，并以PAW形式供应37 mg/L，使总氮量保持在183 mg/L。该项工作早期描述中引用的20%数值是指黄瓜的设计，并不适用于番茄生长季。本文中报告了三个不同的数值，它们不可互换：矿物肥料替代率，

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