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园区农业能源互联网:概念、特征与应用价值
双击自动滚屏 发布者:admin 时间:2021-2-2 11:50:47 阅读:98次 【字体:

园区农业能源互联网:概念、特征与应用价值

付学谦1,周亚中1,孙宏斌2,王 洋1

(1. 中国农业大学 信息与电气工程学院,北京 100083; 2. 清华大学 电机工程与应用电子技术系,北京 100084)

摘 要:在能源互联网的背景下,基于现代农业产业园的产业模式特点,构建了园区农业能源互联网。该研究首先分析了园区农业能源互联网存在的关键问题以及发展趋势,并围绕关键问题对园区农业能源互联网的发展现状进行分析。其次介绍了3个典型案例,并论述案例对于园区农业能源互联网关键问题的意义。之后提出了园区农业能源互联网的关键技术和运营模式,构建基本框架,物理系统由“源-网-储-荷”构成,信息系统由“感知层-网络层-平台层-应用层”构成,信息共享性、深度耦合性和产消互补性是园区农业能源互联网的三大特征。探讨了多能源异质特性与农业生产行为深层次耦合优化的相关问题。该研究可为园区农业能源互联网的框架落地与实践提供参考。

关键词:设施农业;物联网;能源互联网;可再生能源;微能网

0 引 言

早在2008年,美国国家科学基金FREEDM研究中心就提出了“能源互联网”的概念[1]。2011年里夫金在《第三次工业革命》中指出“能源互联网”模式将改变世界[2]。2014年清华大学成立了能源互联网创新研究院[3]。预计到2020年,中国将基本建成中国能源互联网。能源互联网可以外延到多个行业和领域,包括社会能源互联网[4]、交通能源互联网[5]、工业能源互联网[6]。能源互联网实现了能源和其他行业的发展融合,其特征和优势包括:1)建设信息物理系统,实现信息数据轻资产盘活能源重资产;2)发展多能互补技术,满足用户对不同品位的能源需求;3)引领技术跨界融合,推动市场改革与商业模式。

通过能源和农业工程领域的一体化战略部署和有效协同,可以推动农业能源生产消费革命、清洁能源在农业工程领域的应用,加强农业-能源资源优化,对保障以能源安全和粮食安全为基础的国家总体安全具有重要意义。园区农业能源互联网与能源互联网[7-10]的区别包括以下几个方面:1)本质存在差异。园区农业能源互联网的本质是基于能源和农业生产的深度融合技术实现新能源与现代农业的协同高效可持续发展,而能源互联网的本质是基于互联网技术实现能源的高效综合利用;2)研究对象存在差异。园区农业能源互联网研究对象为园区,解决现代农业产业园能源问题,而能源互联网研究对象为区域/全球,解决区域/全球能源-经济-生态平衡问题;3)研究范畴不同。园区农业能源互联网的研究范畴为能源与农业领域的技术、模式、业态和体系创新,而能源互联网的研究范畴涉及一切与能源领域相关的技术、模式、业态和体系创新。园区农业能源互联网推进了能源互联网在农业领域的应用。

从能源角度出发,当前园区农业能源互联网存在的关键问题有以下几点:1)环境-能源-粮食协同安全问题。能源与农业之间存在的行业壁垒是阻碍环境-能源-粮食协同安全的瓶颈问题之一;2)农业生产驱动力不足问题。固定资产投资不足以及能耗费用高昂是阻碍规模农业发展的瓶颈问题之一;3)农业生产集约化、规模化问题。信息化与自动化程度不高是阻碍集群农业发展的瓶颈问题之一。

园区农业能源互联网的发展趋势呈现以下几点:1)逐步实现异质能源和农业生产的深层次耦合优化,打破现有能源系统和农业系统相互割裂的藩篱,实现农业和能源协同,促进清洁能源发展,减少环境污染;2)逐步实现新能源和现代农业融合,打破现有能源和农业行业的壁垒,实现“互联网+能源+农业”跨界融合,以新型的产业模式促进农业生产规模化经营,拉动农业生产性投资,推动农业规模化、经济化发展;3)逐步实现农业物联网和泛在电力物联网融合,促进农业生产规模化、集群化、智能化发展,推动农业集群转型升级。

研究并发展园区农业能源互联网的应用价值主要体现在以下几个方面:1)环境效益。农业和能源耦合方式的绿色化发展,减少了消耗化石能源的所带来的环境污染问题。在“源”侧农业秸秆气化发电替代了传统的火力发电,减少了环境污染。农业和新能源的空间耦合促进了新能源的发展,部分农业设施可为光伏板提供安装空间,进一步提高可再生能源发电的比例;2)安全效益。现代农业产业园采用集群化的发展模式,负荷率高、负荷密度大,因而采取多电源供电的方式提高园区供电的可靠性。园区农业能源互联网发展在电力物联网和农业物联网之间的耦合交互,实现了设施农业环境和能源系统的泛在感知,提高了园区监控的安全性;3)经济效益。农业和新能源跨界融合的产业模式带来了协同经济效益。园区农业能源互联网通过新能源与农业的跨界融合,除了实现电力和农业的双创收,还可以一地两用,节约土地租赁费用;园区运营管理人员即可以对新能源设备进行管理,也可以对农业生产进行管理,降低园区的人力成本。

本文以园区农业能源互联网为研究对象,首先针对引言中提到的关键问题,对国内外的研究现状进行分析,介绍了 3个典型案例并分析对园区农业能源互联网关键问题的意义。然后提出了园区农业能源互联网的概念、结构和特征,并对能源和农业深层次耦合优化的相关问题进行了讨论。最后针对园区农业能源互联网的落地与实践问题进行了阐述。

1 研究现状与典型案例

1.1 研究现状

随着现代农业产业园的发展,高污染、高能耗的用能模式已经很难满足经济社会的发展要求。在能源互联网的时代背景下,亟需发展园区农业能源互联网来实现新能源与现代农业的协同高效可持续发展,对维持能源安全、环境安全和粮食安全具有重要意义。本部分将重点围绕环境-能源-粮食协同安全问题、农业生产驱动力不足问题和农业生产集约化、规模化问题这个 3个关键问题,对国内外的研究现状展开分析。

逐步实现新能源与农业的深层次耦合优化,提高能源的利用率以及粮食的产量与质量,减少污染性气体的排放是当前园区农业能源互联网一个热点话题。文献[11]基于农业可时移负荷,对温室大棚和供能系统进行智慧化改造,提升新能源就地消纳的比例。文献[12]与文献[13]通过余热回收的方式降低了现代温室和沼气发酵罐的用能成本。植物工厂是设施农业发展的高级阶段,文献[14]通过预测植物工厂热负荷的变化来有效调节供热系统,实现植物工厂经济化运行。文献[15]基于光伏温室,设计了一种生态智能温控系统,在降低能耗的同时还能保证温室番茄处在适宜的环境。文献[16]设计了一套调温和灌溉的集合系统,能够对畜舍和农田进行高效的调温与灌溉,能耗费用降低14%。文献[17]结合聚光光伏和衍射干扰技术,研制出一种新型农业光伏系统,能够在发电和作物生长之间建立平衡,使生产的经济效益最大化。文献[18]对阿尔及利亚某光伏农场的照明系统和灌溉系统进行了优化,可使农场能源消耗减少 67%,生产的牛奶增加8%,二氧化碳排放量减少68%。文献[19]基于作物蒸散模型和日光积分模型,提出一种将作物生长机制转化为电力消耗的方法,对光伏温室运行进行优化,可节省电费最高达75.93%,总收入可提高7.43%。以上文献针对环境-能源-粮食协同安全问题,多以设施农业内部的能源系统为研究对象,但随着设施农业的规模化发展,集群温室与园区微能网之间的相互影响变得更加明显,协同安全问题变得更加突出。因此除了需要关注设施农业内部能源系统的运行情况以外,集群温室与园区微能网之间的协同安全问题也需要深入研究。

打破能源和农业之间的行业壁垒,形成 1种跨领域的产业运营模式,是推动园区农业能源互联网的发展的动力之一。文献[20]基于分布式能源等技术提出“五位一体”的农业循环经济模式,可降低农业生产的施肥费用。文献[21]研究表明将水用于农业与光伏的集成系统所得的回报比单独用于这 2个系统要高,这对水资源短缺农业地区的发展具有十分重要的指导意义。文献[22]构建了1种动态投入产出模型,模拟结果显示目标区域在 2025年可实现相当于838万t标准煤的农业生物质能生产,将会产生巨大的经济效益。文献[23]和文献[24]分析了光伏和水泵的融合系统对巴基斯坦农业灌溉的经济性,可缓解能源和经济相关的农业问题。文献[25]和文献[26]对中国的农作物秸秆的利用路径以及经济效益等方面进行了阐述,为降低农业生产的能耗费用指明了方向。文献[27]指出发展光伏农业可以有效缓解人口减少和土地减少的矛盾,促进设施农业的发展,增加农民收益,减少二氧化碳排放并改善环境。文献[28]的研究表明利用光伏给农业灌溉供能的经济效益比柴油和电网要高。此外,文献[29]、文献[30]和文献[31] 都从经济效益角度分析农业与能源跨界融合后所带来的生产驱动力效益。以上文献针对农业生产驱动力不足问题,对一些能源和农业跨界融合的产业模式的经济性进行了分析,但大多数文献都是从宏观层面论述农业与能源融合所带来的生产驱动力效益,尚未具体考虑园区不同生产单元的结构与用能特征,因此需要深入研究该如何构建园区不同农业生产单元与能源融合的产业模式。

当前中国农业生产的集约化程度与国外相比,还有一定距离。造成农业生产难以集约化、规模化发展的关键问题之一就是当前中国农业的信息化与自动化水平不高。从目前国内外的发展情况来看,利用物联网技术是提升农业信息化与自动化水平的有效方法之一。当前已有相关文献对农业物联网的技术研究进展、发展趋势、面临的挑战[32-36]以及创新发展策略[37]等方面进行了归纳总结。设施农业和水产养殖是 2个典型的农业物联网应用场景,在设施农业方面,主要需要对温室内的温度、湿度和光照强度等环境参数进行监测与控制。现有文献已分别基于 AGCP(Agricultural Greenhouses Communication Protocol)协议[38]、时间自动机理论[39]、混杂自动机模型[40]等方面构建了设施环境监测与控制系统。此外,文献[41]设计了1种温室环境远程测控系统来解决环境控制过程中参数无法修改的问题。文献[42]通过低成本无线自组织传输网络搭建了设施农业物联网云服务平台,实现设施环境的智能化控制。在水产养殖方面,主要需要对水中的温度、pH值和溶解氧等环境参数进行监测与控制。目前已有基于 Android 平台[43]、物联网结构(感知层、传输层和应用层)[44]、窄带物联网技术[45]和 LoRa 技术[46]等方面构建了水质的监测控制系统。以上文献针对农业生产集约化、规模化问题,都是基于农业物联网角度来考虑提升农业信息化与自动化水平。农业电气化是农业信息化与自动化的前提,且随着园区新能源比例、农业负荷密度的增加以及泛在电力物联网[47-50]的发展,如何利用农业物联网与泛在电力物联网的协同交互来推动农业生产进一步集约化发展,是 1个值得深入的问题。

1.2 典型案例

当前,中国正广泛开展园区农业能源互联网的生产模式。案例一利用农业生物质能来实现气、热、电、肥联产以及能源的梯级利用,改变了传统农业生物质粗放的管理模式以及高污染的消费模式。案例二通过渔光互补的生产方式促进能源和农业的跨界融合,提高了土地的利用效率,实现了电力和农业的双创收。案例三通过将物联网技术与设施农业的结合来促进农业生产的信息化与自动化,为集约化、规模化农业的发展提供了有利条件。

1.2.1 案例一

案例一为上海市某农业园区的生物质循环利用工程,据悉该示范工程可实现园区 80%的农业废弃物回收利用,每日可处理秸秆生物质4 t,牛粪12 t,日产有机肥约1 t,日产沼气约1 000 m3,发电58.4万kW,净内部经济效益率约为6.8%[51]。该工程以农业园区内秸秆和牲畜粪便等农业废弃物为原料,厌氧发酵制取沼气,一部分沼气供给发电机组发电,产生的电能可用于园区的日常生活生产,此外通过余热回收的方式将发电过程中的热能供给发酵系统利用;另一部分沼气也可供给沼气热水锅炉,产生的热水可供给玻璃温室等园区单元使用。发酵罐中沼液还可以作为肥料用于果园施肥。集中型气、热、电、肥联产沼气系统工程示意图如图1所示。

图1 集中型气、热、电、肥联产沼气系统工程示意图
Fig.1 Schematic diagram of centralized gas, heat, electricity and fertilizer co-production biogas system

园区农业能源互联网通过异质能源和农业生产的深层次耦合实现了生态农业模式循环发展,是 1种有效解决环境-能源-粮食协同安全问题的办法。在电源侧,沼气发电工程同时解决了农业废弃物管理粗放问题和传统化石能源发电污染问题。在能源网络中,气/热/电多能互补实现了园区农业能源的高效综合利用。在负荷侧,农业-沼气池-能源模式不仅解决了农业生产用能问题,还解决了肥料来源问题。

1.2.2 案例二

案例二位于江西省宜春市某渔光互补示范项目,据悉该项目总装机容量已达90 MW,年发电量9 000 kW·h,与传统的火力发电相比,每年可节约标准煤2.97万t,减少二氧化碳等大气污染物近10万t[52]。渔光互补是指将光伏发电和渔业养殖相结合,在鱼塘上方安装光伏组件进行发电,在光伏组件下方的水域里可养殖鱼类等物种,形成了“上发电下养鱼”的新型产业模式,提高了土地利用率以及单位土地面积的产出量。“光伏+渔业”的工程示意图如图2所示。

图2 “光伏+渔业”工程示意图
Fig.2 “Photovoltaic + Fishery” project schematic

渔光互补是 1种新型的能源和农业跨界融合生产模式,产出的电能一部分可供水泵和增氧机等渔业设备使用,剩余的电能还能并入电网,进一步增加农户收益。另外,相关的能源设备对渔业养殖的环境也有一定的优化作用,如光伏板可以给鱼塘遮阳,降低水域的温度以及水中藻类的光合作用,提高水质,为鱼类提供 1个良好的生长环境。

园区农业能源互联网通过新能源与农业跨界融合实现了农业和新能源双主业驱动,是 1种有效解决农业固定资产投资不足问题的办法。能耗费用是制约温室、渔业工厂化生产推广和发展的瓶颈问题,农光互补、渔光互补等跨界融合模式,是温室、渔业工厂化生产系统的发展趋势。

1.2.3 案例三

案例三是 1个农业物联网工程案例,位于北京市大兴区某西甜瓜种植基地。据统计,该案例将物联网技术运用到温室大棚后,可实现降低生产成本 20%以上、提高作物产量 15%左右[53]。利用物联网技术来构建智慧化的全控型温室如图 3所示,在该系统下,通过设施环境传感器以及实施环境调控设备实现对温室内的光照强度、湿度和温度等环境因子的检测和调控,促进农业生产的信息化与自动化,同时还可节省人力成本,提高生产效率。

图3 智慧化的全控型温室示意图
Fig.3 Schematic diagram of intelligent full-control greenhouse

园区农业能源互联网通过建设信息物理融合系统实现了农业生产的智能化,是 1种有效解决农业生产集约化、规模化问题的技术手段。摆脱传统的农业生产方式,推动农业生产升级转型的关键要素之一就是要把科学技术运用到农业生产的每个环节中。园区农业能源互联网建设智能电网护航“智慧农业”,通过物联网技术实现对能源系统、农业系统的泛在感知以及智能化、精准化控制。

2 园区农业能源互联网的构想

2.1 园区农业能源互联网的概念

当前园区农业能源互联网还没有严格的概念,通常我们认为园区农业能源互联网是能源互联网在农业领域的延伸,其本质也是 1个微能网[54-56]。园区农业能源互联网是以电力系统为核心,以分布式可再生能源接入为主,在不同形式能源互联的基础上利用先进的信息通信技术和物联网技术实现对农业系统和能源系统的全面感知、管理与控制,同时可通过相关的物联网平台为农业生产提供一系列特定的服务。

2.2 技术创新和模式创新

基于能源互联网技术、泛在电力物联网技术和农业物联网技术,并根据前文所论述的关键问题和发展趋势,本文提出园区农业能源互联网2个关键技术和1个运行模式:1)农业-能源耦合优化技术;以能源与农业深度耦合的方式构建园区农业能源互联网的物理系统,形成了“源-网-储-荷”的能源结构;2)农业智能化技术;以泛在电力物联网与农业物联网的协同交互构建园区农业能源互联网的信息系统,形成了“感知层-网络层-平台层-应用层”的信息结构;3)跨界融合运行模式;传统的农业与能源的运营模式存在分隔壁垒,园区农业能源互联网以协同管理的运行模式来打破这种壁垒,实现农业领域与能源领域的跨界融合发展。

2.3 基本框架

园区农业能源互联网的基本框架如图 4所示。园区农业能源互联网的物理系统由“源-网-储-荷”4部分构成。在“源”侧,以可再生能源为主,利用光伏机组、锅炉、沼气发酵罐等设备产生电、热、气等不同形式的能源。在“网”侧,主要利用配电杆、热力管道、燃料管道等设备对能源进行传输。在“储”侧,主要利用大容量储能设备来提高可再生能源的消纳能力,减少可再生能源的间歇性和不稳定性对园区农业能源互联网带来的不利影响。在“荷”侧,指的是能源-农业耦合元件,常见的耦合元件有水泵、散热器、补光灯、等离子固氮与水处理等。相比较其他形式的能源互联网,如交通能源互联网、社会能源互联网和城市能源互联网等,园区农业能源互联网在“源-网-储-荷”各单元都具有一定的不同。农业系统在生物质生产方面具有独特的优势,因此,园区农业能源互联网在“源”侧对农业生物质能的利用相对较多。在“网”侧,由于研究的主体为现代农业产业园,所以更加注重配电网的建设运行。在“储”侧,气储单元中沼气的储量相对较高,且热储单元利用相变蓄热技术将电能转化为热能进行存储,在设施农业中具有白天“削峰”、夜间“填谷”的作用。在“荷”侧,由于农业生产跟天气情况和农作物生物特征密切相关,所以农业负荷具有很强的季节性和可时移性。

园区农业能源互联网在信息系统由感知层、网络层、平台层和应用层 4部分构成,关键技术主要包括泛在电力物联网技术和农业物联网技术。在感知层主要利用温湿度传感器、光谱传感器、电流传感器、电压传感器和智能电表等设备对物理系统的“源-网-储-荷”4部分以及农业生产的现场环境进行实时感知和信息采集。在网络层主要利用光纤专网、LTE电力无线专网和移动互联网等通信网络对感知层采集到的数据进行高效传递。在平台层主要利用大数据、云计算和人工智能等先进技术对网络层传输过来的数据进行分析处理,为各类应用提供数据基础。应用层通过平台层分析处理后的数据为相关用户和部门等提供便捷的服务,产生各类的决策指令由通信网络传输给相关的控制设备,对能量的流动以及农业生产环境进行控制和优化。

2.4 园区农业能源互联网的特征

园区农业能源互联网作为能源互联网的重要组成部分,信息-物质-能量深度耦合是其本质特征,从农业系统的角度来看,还具有以下几点特征:1)农业系统和能源系统的深度耦合;2)农业系统和能源系统的产消互补;3)农业系统和能源系统的信息共享。

2.4.1 农业系统和能源系统的深度耦合

2.1 4组血清中CRP、IL-6水平 细菌感染组的CRP、IL-6水平显著高于混合感染组、其他感染组及对照组,混合感染组的CRP、IL-6水平显著高于其他感染组和对照组,其他感染组的CRP、IL-6水平显著高于对照组,其差异均具有统计学意义(均P<0.05)。见表1。

图4 园区农业能源互联网的框架图
Fig.4 Framework diagram of the park-level agricultural energy internet

图5 农业系统和能源系统深度耦合
Fig.5 Deep coupling of agricultural and energy systems

农业系统和能源系统的深度耦合能够促进能源和农业协同生产。农业设施为新能源设备提供安装空间,以新能源发电代替传统的火力发电,减少环境污染。通过对设施农业的能量输入,改善设施农业环境,增加粮食的产量与质量,维持环境-能源-粮食的协同安全。

2.4.2 农业系统和能源系统的产消互补

农业系统由于在生物质能原料生产方面具有独特优势,使得农业系统具有“源”和“荷”的双重角色。通过能量和物质的相互转化,农业系统和能源系统具有很强的产消互补性。一方面,能源系统向农业系统输入电、气、热等不同形式的能源,农业系统经过一系列的农业生产后可产出秸秆、牲畜粪便等农业生物质。另一方面,农业生物质可作为热电联产机组和沼气发酵罐等能源设备的产能原料,产出的热、电、气又可维持农业系统的运行。如此循环,体现出农业系统和能源系统的产消互补性,实现传统单向的能量流动模式转变为能量高效利用的循环流动模式。农业系统和能源系统产消互补示意图如图6所示。

图6 农业系统和能源系统产消互补
Fig.6 Agricultural systems and energy systems produce and consume each other

农业系统和能源系统的产消互补打破了现有能源和农业行业的壁垒,促进了能源流与物质流之间的循环流动。农业生物质发电是 1种农业和能源跨界融合的产业模式,缓解了集群温室、渔场工业化生产所需的能耗费用,是破解农业生产驱动力不足问题的途径之一。

2.4.3 农业系统和能源系统的信息共享

在园区农业能源互联网中,农业系统和能源系统在泛在电力物联网和农业物联网的作用下会频繁的进行信息共享。信息共享便于园区农业能源互联网实时感知系统的运行情况,结合大数据、云计算等技术来制定相应的策略,促进不同系统之间的协调配合,实现农业系统和能源系统的管理更加信息化、精细化与智慧化。农业系统和能源系统(主要指电力系统)的信息共享示意图如图 7所示。农业系统利用传感器和人工智能等技术对未来的农业生产需求(如灌溉需求、补光需求、降温需求等)、农业分布式发电系统(如农业园区光伏、风电等)的出力情况以及天气情况进行预测,并将相关预测信息共享给电力系统,电力系统结合集中式发电系统的出力情况以及整个电力网络的负荷情况,制定出当前的电价策略,并将相关的电价信息反馈给农业系统,并指导农户选择在合理的时间段进行相关的农业操作(如夏天空调负荷较多的情况下,可安排农户在夜间对农田进行灌溉,避免白天因负荷较多而导致电力系统瘫痪)。

图7 农业系统和电力系统信息共享
Fig.7 Agricultural and power systems information sharing

农业系统与能源系统的信息共享在技术层面主要表现为农业物联网与泛在电力物联网之间的协同交互,实现能源系统和农业系统的泛在感知,以精细化、经济化的管理方式促进传统农业向智慧农业转型,推动现代农业产业园向集约化、规模化的方向发展。

2.5 能源-农业深层次耦合优化问题

在园区农业能源互联网中,农业系统和能源系统的深度耦合是其最复杂的特征,其中涉及多方面的问题需要讨论,如下所示:

1)行业壁垒问题。能源系统和农业生产属于不同行业管理,存在行业壁垒。虽然新能源与现代农业技术综合利用技术不断进步,但是农民维护能源系统有难度,重视发电量还是重视农业生产会带来主体目标导向不一致问题,给园区农业能源互联网运营管理带来挑战,需要进行深入研究。

2)气象灾害问题。天气变化会破坏设施农业环境和能源系统运行,低温、雪灾、连续阴天等极端天气往往会造成极大的能源系统和农业生产危害和经济损失。园区农业能源互联网新能源比例高,新能源与现代农业结合日益紧密,需要深入分析能源气象和农业气象对园区农业能源互联网安全经济运行带来的双重影响。

3)产业耦合问题。基于产业耦合角度探索园区农业能源互联网理论,促进农业和能源跨界融合,提高资源综合利用效率。农业负荷存在独特的灵活性,充分发挥农业负荷的可时移特性可以促进新能源的消纳。新能源与农业生产共享太阳能资源与土地资源,新能源发电可与作物光合作用、病虫害防治、环境控制、节水灌溉等集成融合,具体产业结构优化耦合的工程模式需要进一步深入研究,推动新能源和现代农业的共同发展。

4)尖端技术问题。农业能源尖端技术包括水-电联产技术、岩床储热技术、温室动态预测采暖技术等方面。如文献[57]通过在光伏板背面安装三级膜蒸馏组件,同时完成电力和淡水的生产,突破了农业生产在干旱地区电力和淡水资源缺乏的难题。文献[58]研制出了1种简易经济的温室太阳能储能岩床,实现白天吸热,晚上放热,突破了传统温室加热系统造价昂贵以及安装复杂的难题。文献[59]研究出1种利用计算流体动力学和能量预测模型的温室采暖控制方法,突破了传统温室加热方式速率慢、精度低、能耗高的难题。由此可见,农业能源尖端技术的突破可以为农业生产带来如突破自然限制、降低投资成本、节约能源损耗等诸多方面的效益。

5)经济成本问题。本文从投资成本和运行成本2个方面讨论经济成本问题。在投资成本方面,通过资源共享的方式可降低投资成本。如光伏温室的生产模式,通过能源设备和温室共享 1块土地资源来降低投资成本,其年投资回报率可达9%~20%,内部收益率在12.05%到21.89%之间,折现回收期为4~8 a[31],相比传统温室具有更好的经济表现。在运行成本方面,通过协同优化、能源互补等方式可降低运行成本。如通过对作物生长机制与电力消耗的协同优化,可最高节省75.93%的电费成本[19];通过可时移负荷对光伏发电的就地消纳以及温室微能网优化,可降低56.5%的温室运行成本[60]。综上,资源共享、协同优化等方式可有效降低园区的投资成本和运行成本,提升园区的经济效益。

2.6 框架落地与实践问题

本文从支撑理论-优化机制-关键技术-服务模式-效果评估-实施保障6个方面论述园区农业能源互联网框架的落地问题,如图 8所示。以农业工程理论、能源互联网理论、农业物联网理论和泛在电力物联网理论作为支撑理论。在优化机制方面考虑农业产业化组织模式优化、农业能源耦合优化和多能互补优化。关键技术包含农业-能源耦合优化技术和农业智能化技术。服务模式以“互联网+”为核心,考虑互联网+农业跨界与融合、互联网+能源跨界与融合。从环境-能源-粮食协同安全、经济效益和集约化水平这 3个方面进行效果评估。实施保障有现代农业园区管委会管理、政府(国农办 1号文件扶持农业)和能源企业(电力扶贫)。

图8 结构框架落地示意图
Fig.8 Schematic diagram of structural frame landing

园区农业能源互联网从能源开发和利用的角度推进现代农业产业示范园区建设。园区农业能源互联网是农业工程和电力工程等多个重要学科交叉领域,需要从2个方面处理不同现代农业产业园区能源互联网的实践问题。现代电力系统属于传统的工业领域,强调国际化标准化,执行IEEE标准是园区能源系统实践的重要手段。农业工程强调充分利用当地资源,因地制宜,充分考虑天气环境条件和土地资源的限制,经济-环境-农业的协同可持续发展是不同类型生态农业工程模式实践的重要参考。

3 结 论

当前,高污染、高能耗、低效率的农业生产模式已经很难满足中国经济社会发展的需求,因此在能源互联网的时代背景下,发展园区农业能源互联网是实现环境-能源-粮食协同安全的关键,也是促进农业生产向低碳化、智能化、集约化、高效化转变的重要驱动力。本文在研究现状以及典型案例的基础上,对园区农业能源互联网的概念、结构框架以及特征等方面进行了初步探讨。新兴的园区农业能源互联网涉及到能源、农业、信息等多个学科领域,呈现多学科交叉的态势,未来也需要多个学科的共同努力来促进园区农业能源互联网进一步发展。

[参 考 文 献]

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