【精彩论文】考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网理论及应用

考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网理论及应用

马令希, 付学谦

（中国农业大学 信息与电气工程学院,北京 100083）

摘要：在中国大力发展能源互联网和建设设施农业背景下，气象是影响农电负荷侧季节性和农业新能源发电侧不确定因素，为了给新能源和农业发展相互促进提供新思路，有必要对农业-气象-能源耦合的农业能源互联网进行研究。在能源气象、农业气象和农业能源互联网的研究现状的基础上，总结了农业、能源、气象三者的耦合机理，研究了三者耦合所带来的影响，阐述了农业能源互联网体系架构下应对能源气象和农业气象影响的重要技术的应用场景，从3个层面对农业能源互联网进行剖析。

引文信息

马令希, 付学谦. 考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网理论及应用[J]. 中国电力, 2021, 54(11): 115-124.

MA Lingxi, FU Xueqian. Theory and application of agricultural energy internet considering coupling of agriculture, meteorology and energy[J]. Electric Power, 2021, 54(11): 115-124.

引言

在世界能源危机和生态环境逐渐恶化背景下，国内外开始关注可再生能源开发利用问题。文献[1]中包括了水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能，明确了要大力促进可再生能源发展。将产能、储能、消费3个环节有机结合，利用新能源与传统能源结合、能源技术和信息技术结合构建能源互联网^[2]是解决能源问题的良好途径。中国是农业大国，农业作为国民经济的基础产业，正在由传统农业向现代化农业发展。中国目前在推进三农工作，文献[3]的专栏3农业现代化重大工程中提到实施“互联网+”现代农业，加强设施农业、设施渔业建设。可将农业发展和新能源发展相结合，如农业可为新能源开发提供秸秆、畜禽粪便等资源，在温室大棚外搭建光伏板给光伏发电提供空间，新农业和新能源产业的耦合，提高了土地利用率、增加了经济效益^[4]。在农业生产中利用新能源也为农业供电清洁化、农业节能减排提供了可能。研究农业和能源的耦合可以为解决农业资源浪费、清洁能源消纳等问题提供支持，还可以促进农业能源供给侧改革、设施农业和设施渔业发展。由于存在对新能源农业的发展需求，农业能源互联网应运而生。

气象存在季节性、多变性的特点，导致新能源发电存在不确定性，对供能可靠性带来了挑战。而在农业方面，中国农业气象灾害约占农业自然灾害的70%，干旱、洪涝、寒潮等气象灾害是影响作物生长的重要元素，威胁农业生产安全。而且若农业、能源和气象三者不结合进行研究将不利于农业能源互联网的安全经济运行。（1）对农业不利，如冬季温室突然停电造成农作物冻伤；（2）对电网不利，如干旱期农业灌溉负荷激增导致过流跳闸^[4]。可见对三者的耦合研究十分必要。本文研究能源气象和农业气象对农业能源互联网的交互影响，围绕能源、气象和农业三者的耦合进行分析，研究农业能源供给侧和负荷侧受气象因素影响导致的诸多问题，利用考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网提供解决方案。

1  国内外研究现状

本文分别从能源气象、农业气象和农业能源互联网3个方面对国内外研究现状进行阐述。由于本文涉及概念很多，在此用表1加以解释。

表1  考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网的相关概念解释Table 1  Conceptual explanation of agricultural energy internet considering the coupling of agriculture, meteorology and energy

1.1  能源气象研究现状

在能源气象方面，学者们研究了气象条件对新能源开发的作用以及对气象敏感的新能源的开发对能源系统发展的影响。目前，中国大力发展新能源，在国家政策大力支持下，近年来中国新能源取得跨越式发展，风电、光伏装机总量及年新增容量均稳居世界第一^[8]。文献[9]中提出，能源电力的发展方向之一是调整能源结构，发展风能、太阳能等可再生能源是中国优化能源结构的路径之一。针对光伏发电的效率问题，文献[10]进行了分析，并总结出环境温度、风速、灰尘等环境因素对光伏发电效率产生的影响。全球范围内，新能源在逐步应用于生产生活，这对电网运行带来了挑战。文献[11]研究了气候和消费负荷的变化对住宅光伏耦合电池能源系统的影响，并提出在未来气候变化和能源利用率的背景下，光伏能源过剩将导致电网需要进行调整。文献[5]利用2个全球气候模型模拟研究了高度可再生的欧洲能源系统的气象敏感性，调查在依赖风能和太阳能生产可再生能源的电力系统中，引起与欧洲能源安全相关的高风险的气象情况，通过对现有电力系统进行重新设计，平衡可变可再生能源生产和可变能源需求。由国内外的研究可知，气象对能源互联网的源侧和网侧都会造成影响，如何趋利避害从而促进新能源发展是能源气象研究重点。

1.2  农业气象研究现状

目前，国内外对农业气象的研究集中于对农业生产有重大影响的气象灾害、气候条件变化和构建适合作物生长的人工环境。为减小气象灾害对农业生产的影响，中国学者进行了许多研究。文献[12]中分析了干旱指数与作物产量的关系，并利用标准化降水指数（SPI）和标准降水蒸散指数（SPEI）估计了未来的干旱状况。据文献[13]，国内农业气象灾害风险评估研究经过发展，已建立了农业气象灾害风险评估体系框架，并表现出单灾种向多灾种综合研究发展的趋势。在气候变化方面，全球农作物的生长周期因气候变化发生改变，进而对作物轮作这一种典型的种植方式产生了影响，文献[14]在气候变化的背景下对作物轮作进行模拟，研究应对气候变化的农作物种植方法。很多国家和地区为了使作物获得更适宜的气象条件，选择温室进行作物培育，构建温室小气候环境。温室小气候环境是指温室内温度、光照、湿度等气象条件，属于农业气象范畴^[15]。对农业气象的研究有利于提高农业防灾减灾水平、及时应对外界环境条件变化对农业生产带来的风险和挑战。

1.3  农业能源互联网研究现状

农业能源互联网的根本问题是农业和能源的耦合，可分为2个方面：（1）在能源农业方面，中国农业生物质资源丰富，农业可作为供应侧提供电、气等能源的原材料，生物质能源在中国发展迅速。文献[16]在上述背景下提出，目前中国农村生物质能源发展主要存在能源利用率不高、能源农业建设缓慢、技术装备应用落后等问题。文献[17]总结了目前生物质能源的技术有生物质发电技术、生物质液体燃料技术和生物质固体燃料及沼气技术，技术现状整体落后于国外，但已为生物资源大规模能源化开发打下基础。同时，在中国承诺降低碳排放量的大背景下，发展能源农业从而降低农业生产中温室气体排放也是能源农业的重点研究方向。文献[18]中提出，对农村秸秆进行太阳能沼气循环应用，沼气输送给农户用于发电，沼液、沼渣等应用于农产品种植，既解决了农村大量焚烧秸秆造成能源浪费和环境污染问题，也缓解了农村地区资源紧缺的状况。在全球范围内，一些发达国家根据自己的农业发展现状和能源需求对生物质进行研究开发。美国玉米产量大，目前正大力发展生物质资源，研究以燃料酒精为主的可再生清洁燃料，支持燃料酒精等可再生能源的开发；德国大力推广生物柴油，德国学者对生物柴油研究较多。（2）在农业用能方面，农业作为负荷侧，对能源的要求正逐步提高。表2是各国设施农业负荷特征^[19-29]，可见，设施农业对电力的需求量大，电力主要用于改善温室内小气候环境，用电时间根据种植需求而改变，农业负荷侧亟须农业能源互联网缓解压力。

表2  不同地区温室的电能需求

Table 2  Power demand of greenhouses in different regions

能源农业的产能也可直接用于农业，实现能源和农业互惠互利。中国畜禽养殖业占农业的很大比重，畜禽粪便作为生物质资源可加以利用，畜禽养殖场可与沼气发电厂相联系，文献[30]中提到一个养猪场的改造项目，将猪粪进行化肥生产和沼气发电，沼气发的电给养猪场供电，为养猪场节约了52.8%的电量，有较可观的节能效益。文献[31]对农业能源互联网的一种——园区农业能源互联网进行了研究，阐述了几个关键技术及典型案例，为研究农业能源互联网提供了借鉴。农业能源互联网满足了农业作为负荷侧的能源需求，实现新能源和现代农业的融合，有利于农业和能源协同发展。

2  农业-气象-能源耦合机理分析与影响

2.1  农业-气象-能源耦合机理

本文主要研究考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网。三者一是通过灌溉行为、补光行为等农业设备耗能进行交互影响，例如，文献[32]中将光伏发电功率与移动喷灌机组动力相匹配，改善了农田温湿度等气象条件；二是通过工作空间交互影响，例如“上发电下养殖”模式，文献[33]中提到水上光伏电站这种土地综合利用的形式将光伏和养殖联系在一起，并且水上光伏电站可以减少水的蒸发，抑制藻类繁殖，有利于养殖生态环境的维护。农业、气象、能源三者耦合机理如图1所示。

图1  农业-气象-能源耦合机理示意

Fig.1  Coupling mechanism of agriculture, meteorology and energy

2.2  影响

对于能源，考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网利用农业的自然资源、空间资源进行新能源开发；对于农业，考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网通过新能源向农业供电，解决农业生产驱动力不足的问题；对于气象，考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网通过设施农业，在气象条件不符合生产要求的情况下改变光、热等条件，营造温室小气候^[34]。农业、气象和能源的耦合将三者的两两耦合进行了拓展延伸并产生了影响。在农业气象方面耦合能源：结合农业的生产特点和生产需求发展光伏等新能源，利用新能源调整农业生产中的气象条件；在能源气象方面耦合农业：在气象条件导致新能源发电不稳定时，如“光伏发电在阴雨天发电量小，晴天后发电量激增”，通过农业用电使电网波动减小，提高电网安全性；在农业能源互联网方面耦合气象：利用农业和能源都受气象条件影响这一特点，进行农业生产和能源开发。三者耦合的影响^[35]如图2所示。

图2  从光伏发电温室看能源、气象和农业的耦合的影响

Fig.2  Impact analysis of the coupling of energy, meteorology and agriculture from the perspective of photovoltaic integrated greenhouse

3  应用场景及展望

文献[3]提到了农业废弃物资源化利用，且中国利用生物质资源进行新能源开发有着资源丰富的优势。中国光伏产业配套环境完善、市场规模大，具有光伏发展优势^[36]。文献[37]中提到，中国城乡能源分配不均且农村地区仍依赖固体燃料，可见中国新能源在农业市场具有广阔前景。但从研究现状部分可以看出，目前中国对于农业能源互联网的研究较少且分散，而且没有考虑耦合气象因素，不能充分利用优势也不能满足需求。本节分别从能源耦合气象和农业耦合气象的角度，阐述农业能源互联网在耦合气象因素后的应用场景，并根据目前的技术研究进行合理展望。

3.1  气象能源匹配农业负荷

3.1.1  光伏水泵系统

文献[38]提出利用光伏发电对灌溉系统进行供电，利用传感器技术对农田温度、湿度、pH值等进行实时监测，准确获取需要灌溉的区域位置并通过光伏发电驱动灌溉系统进行灌溉，利用光伏能源和监测系统改善温室大棚中的土壤条件。除了基于传感器技术，还有基于物联网技术和智能专家决策系统的智能灌溉系统，文献[39]中设计的智能灌溉系统通过储存农业生产地的地理信息、气象信息等、并对该地实时监测，从而判断是否需要灌溉、并计算灌溉时间等，实现节水灌溉。光伏智能灌溉技术一方面可以解决中国农业生产的资源浪费问题，通过比人工观察更为精确的方法减少水、电资源的浪费；另一方面通过光伏发电和智能灌溉使设施农业用电更加清洁、智能，优化农业能源结构、降低劳动强度。文献[40]中提到由光伏阵列、电动泵子系统、控制器和水箱组成的光伏水泵系统，如图3所示^[40]，光伏阵列最大限度地暴露在太阳光下以获得最大功率，泵送系统可从地面泵、潜水泵或浮式泵中选择（图3中为潜水电泵），控制器负责交直流转换、储水罐的加注和对水、电情况进行诊断，储水罐储存水资源，这种系统相较柴油机驱动有着成本低、二氧化碳低排放的优势。

图3  光伏水泵系统示意

Fig.3  Schematic diagram of a PV water pumping system

光伏智能灌溉和光伏水泵系统两者相结合，利用光伏发电驱动灌溉，并在一些不需要进行灌溉的气象条件或情况下，利用多余电量泵水储存以备下一次灌溉使用。解决了光伏出力和排灌负荷不匹配问题，提高了能源利用效率，通过储水罐解决排灌负荷需求。

3.1.2  光伏废水处理

文献[41]中提出了一种光伏废水处理系统，该系统由生物反应器和无蓄电池光伏系统构成，控制器根据光照强度进行电源分配，逆变器将直流电流转换成交流电流，在白天，光伏发电驱动氧化沟中的水泵、搅拌机和刷子，氧化沟可以周期性地出现厌氧、好氧、缺氧的现象，有利于农村废水中的氮、磷去除，在晚上由于没有电力驱动，氧化沟停止工作，系统如图4所示^[41]。当光伏发电侧产电量大于负荷侧时，利用光伏废水处理解决“源-荷不匹配”问题，且实现水资源循环利用，节约灌溉用水。

图4  光伏废水处理系统示意

Fig.4  Schematic diagram of a PV waste water purification system

3.2  能源气象 

本节重点介绍一下沼气工程冬季增温保温。因为农业生产过程中会产生很多废弃物，比如秸秆、畜禽粪便等，所以在农村地区实行生物质能源发电有着原材料丰富的优点。目前中国生物质发电工程比较突出的是利用沼气发酵进行发电，沼气发酵对环境温度的要求很高，因此如何控制温度是沼气工程的重点。以稻草厌氧消化生产甲烷为例，文献[42]研究发现，高温厌氧消化产生甲烷效率更高。但有时气象条件并不能满足沼气发电需要的温度，尤其在中国北方地区，冬季经常降雪，环境温度较低，不能满足沼气发酵要求，需要对环境温度进行人工干预。文献[43]对沼气工程冬季增温保温技术进行了阐述，介绍了多种增温热源及对应的技术，如加热膜增温技术、生物质锅炉增温技术、太阳能增温技术等。沼气工程冬季增温保温技术给沼气这种新能源的开发提供了适宜的能源气象条件。

3.3  农业气象

3.3.1  地表水源热泵

除了利用太阳能和生物质能，利用其他新能源的技术也在农业生产中进行应用。文献[44]中开发了基于计算流体力学（CFD）和能量预测模型（EPM）的地表水源热泵温室供热控制系统（SWSHPS），传感器测量温室内空气的温度，在白天（07:00—18:00）和晚上（18:00—07:00）时如果温室内的空气温度分别低于19 ℃和13 ℃，SWSHPS会利用水源热和风机盘管向温室提供热量，如图5所示^[44]，温室中的隔热屏用于减少夜晚温室的热损失。该技术通过新能源制造温室小气候环境，改善农业气象条件。

图5  利用水源热和风机盘管对温室内温度进行调节

Fig.5  Using water-source heat and fan coil to adjust the temperature in a greenhouse

3.3.2  海水淡化

灌溉是改变农田温湿度的一种方式，通过灌溉可以给农作物生长提供适宜的农业气象条件。但不少国家和地区存在缺少灌溉水资源的情况，海水淡化是解决这一问题的有利途径之一。文献[45]研究了一种利用太阳能进行驱动的多级膜蒸馏（MSMD）技术的太阳能光伏膜蒸馏系统，在光伏发电板的背面安装MSMD装置，装置的每一级都由4个独立层组成：顶部导热层、用于水蒸发的亲水多孔层、用于蒸汽渗透的疏水多孔层和水蒸气冷凝层，如图6所示^[45]。在太阳能发电的同时，利用太阳能光伏板的余热，回收各级蒸汽冷凝的潜热作为下一级蒸发热源，进行海水蒸馏，产生淡水，这样不仅不再浪费光伏发电产生的热量，而且将其利用进行海水淡化，同时进行光伏发电和海水淡化，还比普通的太阳能蒸馏技术的净水效率高。该技术充分利用太阳能，节约农业水、电成本，尤其对于沿海淡水紧缺地区，该技术可以解决农业淡水灌溉的问题。

图6  太阳能光伏膜蒸馏系统示意

Fig.6  Schematic diagram of solar photovoltaic membrane distillation system

文献[46]中提到一种名为可持续温室系统（SGH）的系统，如图7所示^[46]，该系统综合了温室、反向电渗析（RED）技术、反渗透技术和除湿脱盐系统，利用大面积干旱沿海地区无用的高盐地下水为温室提供水和能源，反向电渗析技术（RED）利用盐水中的离子氧化还原产生电流对水泵、温室和反渗透装置进行供电，反渗透技术（RO）淡化海水产生淡水，汽化装置利用含盐地下水使温室的气体冷却并增加其湿度，进入温室内的气体降低温室温度的同时慢慢升温达到饱和点，温暖潮湿的气体经过冷凝装置被冷凝、回收，淡化产生的淡水和冷凝水这两者保证温室的淡水资源。

图7  可持续温室系统（SGH）原理Fig.7  Schematic diagram of SGH
太阳能光伏膜蒸馏系统和可持续温室系统的共同特征是都可分为产水和产电2个部分：太阳能光伏膜蒸馏系统一个部分利用光伏发电技术产电，另一个部分利用多级膜蒸馏技术产水；而可持续温室系统一个部分利用反向电渗析技术产电，另一部分利用反渗透技术和冷凝技术产水。

3.3.3  异质能源利用

异质能源是指能源种类和出力特性不同的能源^[47]。目前国内外有很多温室都是利用了风光水火等多种异质能源满足需求。文献[48]提出一种温室设计方法，这种方法由温室内作物生长模型、温室气候模型、经济模型和优化算法组成，可以在广泛的气候和经济条件下设计温室。这种温室设计方法可以应对温室外不同气候条件而产生的不同温室需求，用于设计不同地区的利用风光水火等异质能源的温室；同时，该方法考虑了经济条件，通过计算净收益判断经济效益，使温室获取最大经济利益，实现经济运行优化。图8和图9是对这种温室设计方法的形象说明^[48]。

图8  考虑温室气候模型、作物产量模型和经济模型的温室经济运行框架Fig.8  The framework of greenhouse economy operation considering greenhouse climate model, crop yield model and economic model
图9  温室气候模型原理Fig.9  Schematic diagram of greenhouse climate model

4  结论

本文提出了考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网理论，详细介绍了应用场景及展望。本文的观点和结论为：（1）农业能源互联网理论支持新能源和设施农业大力发展，低碳、清洁化、智能化成为现代农业能源的发展趋势。（2）农业-气象-能源耦合的深度耦合对现代农业生产和新能源系统运行产生了深远的影响，天气变化给现代农业能源系统带来的问题需要深入研究；（3）阿尔及利亚、沙特阿拉伯、阿联酋、荷兰等国家光伏泵水技术、太阳能光伏膜蒸馏技术、温室反电渗析、反渗透技术、温室优化设计方法先进，对中国建设农业能源互联网建设具有指导意义。

（责任编辑　张重实）

作者介绍

马令希(2000—)，女，本科，从事农业能源互联网理论研究，E-mail：[e-mail];

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付学谦(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，博士生导师，从事农业能源互联网理论研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪

审核：方彤

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