以色列的農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)用能特點(diǎn)

以色列的農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)用能特點(diǎn)

0電力推動(dòng)農(nóng)業(yè)種植的技術(shù)研究以色列是一個(gè)多環(huán)境地區(qū)的自然資源和生物資源嚴(yán)重不足的國家，特別是水資源不足，嚴(yán)重阻礙了以色列農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，以色列已經(jīng)成為一個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家。在以色列農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中有大量的能源作為支撐，早在20世紀(jì)80年代，以色列學(xué)者就提出由于灌溉性質(zhì)和大多數(shù)耕地的降水量不足，以色列農(nóng)業(yè)可能是世界上能源消耗最大的農(nóng)業(yè)部門之一在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景之下，農(nóng)業(yè)與能源互聯(lián)網(wǎng)的深度融合已成為農(nóng)業(yè)能源體系的發(fā)展趨勢從負(fù)荷側(cè)角度來說，在以色列農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，各種能源技術(shù)為以色列農(nóng)業(yè)用能提供了支持。例如：電力海水淡化灌溉技術(shù)和電力廢水處理灌溉技術(shù)為以色列農(nóng)業(yè)提供了豐富的淡水；電力驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)和利用可再生能源的垂直農(nóng)場的出現(xiàn)使以色列的農(nóng)業(yè)更加集約化、標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)合以色列的農(nóng)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，本文將從用能角度對(duì)部分為以色列農(nóng)業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵作用的用能技術(shù)做出分析，并且根據(jù)中國農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展特點(diǎn)，有針對(duì)性地從這些用能技術(shù)中得到啟示，對(duì)中國農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)做出展望。1電力灌溉技術(shù)以色列農(nóng)業(yè)與能源結(jié)合的形式非常豐富，以下是幾個(gè)以色列農(nóng)業(yè)與能源結(jié)合的典型特點(diǎn)：(1)清潔能源的利用程度高，例如以色列南部沙漠區(qū)的薩瑪爾集體農(nóng)場利用30面巨大的反射鏡將陽光匯集于30m高的鍋爐爐壁來吸收熱能，從而產(chǎn)生高壓蒸汽發(fā)電，以此來全天候?yàn)樗_瑪爾農(nóng)場的種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)供電根據(jù)異質(zhì)能源特性，以色列農(nóng)業(yè)的發(fā)展融合了多種用能技術(shù)。電力海水淡化灌溉技術(shù)、電力廢水處理灌溉技術(shù)為以色列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供大量的淡水；電力滴灌技術(shù)在節(jié)約電力能源的同時(shí)，高效地將水送到農(nóng)作物的根部；光伏納濾膜灌溉技術(shù)和垂直農(nóng)場技術(shù)利用太陽能等清潔能源維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本節(jié)將從能源的角度，分析以上技術(shù)的用能特點(diǎn)，以此來體現(xiàn)能源在以色列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上起到的巨大作用。圖1描述了以色列水、電、農(nóng)業(yè)的流轉(zhuǎn)途徑。1.1電力海水淡化技術(shù)能耗分析灌溉是改變農(nóng)業(yè)用地溫濕度的一種方法，通過灌溉可以給農(nóng)作物的生長提供合適的農(nóng)業(yè)氣象條件。用于農(nóng)業(yè)灌溉的電力海水淡化技術(shù)將是滿足缺水地區(qū)日益增長的用水需求的一個(gè)重要技術(shù)來源以色列電力海水淡化多采用反滲透技術(shù)，其通過建設(shè)5個(gè)總生產(chǎn)規(guī)模為6億m以下是產(chǎn)生農(nóng)業(yè)灌溉用水的電力海水淡化技術(shù)耗能分析，以色列建設(shè)的5座規(guī)模較大的海水淡化工廠的能耗符合下列的數(shù)據(jù)。以色列理工學(xué)院拉賓海水淡化實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者以色列和美國學(xué)者共同提出：用于生產(chǎn)農(nóng)業(yè)灌溉用水的最先進(jìn)的反滲透設(shè)備的總能源消耗在3.0～7.0kWh/m通過消耗大量電能，電力海水淡化所產(chǎn)生的淡水很大程度上供應(yīng)了以色列的農(nóng)業(yè)灌溉用水，大量的脫鹽海水流入以色列的水經(jīng)濟(jì)中。在以色列采用電力海水淡化技術(shù)供應(yīng)水源20多年后，以色列農(nóng)業(yè)用地鹽堿度不斷上升的負(fù)面趨勢完全扭轉(zhuǎn)，這表明可持續(xù)灌溉農(nóng)業(yè)可以在以色列和更多干旱地區(qū)得到充分的應(yīng)用，電力海水淡化灌溉技術(shù)對(duì)以色列的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用1.2農(nóng)業(yè)水的量低不能滿足農(nóng)業(yè)水的需求對(duì)以色列來說，與傳統(tǒng)電力相比，為了得到充足的農(nóng)業(yè)用水，利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能淡化含鹽量較低的水也是生產(chǎn)農(nóng)業(yè)用水的一個(gè)有效途徑。以色列學(xué)者將光伏納濾膜淡化技術(shù)產(chǎn)生的淡水用于集約型農(nóng)業(yè)灌溉，以色列哈茨瓦的太陽能光伏納濾膜微咸水淡化試點(diǎn)工廠設(shè)計(jì)目的是淡化當(dāng)?shù)刂械群}量的水，納濾膜淡化系統(tǒng)配置了光伏組件容量規(guī)模為4.2kWp的組件陣列文獻(xiàn)1.3污水處理工藝-生物處理在以色列農(nóng)業(yè)采用滴灌技術(shù)灌溉的同時(shí)，也存在一個(gè)平行的過程：處理過的污水成為了以色列農(nóng)業(yè)部門的另一個(gè)重要用水來源以下內(nèi)容基于以色列常見污水處理技術(shù)的相關(guān)過程，分析每個(gè)環(huán)節(jié)處理1m(1）原污水處理：在第一次上升30m的過程中，每1m泵送的耗能值為6Wh/m(2）泵送和曝氣：該過程需要電能為288Wh/m(3）強(qiáng)化處理：根據(jù)特拉維夫污水處理廠的數(shù)據(jù)，這里的強(qiáng)化處理是一種機(jī)械-生物處理，曝氣采用了曝氣器和擴(kuò)散器。泵送、曝氣和混合共消耗能量750Wh/m(4）未經(jīng)處理的污泥：初級(jí)沉淀或2級(jí)生物處理產(chǎn)生的活性污泥，處理該污泥的能耗為100～150Wh/m從以色列國家能源消耗的比例來說，僅生產(chǎn)農(nóng)業(yè)灌溉所用的淡水，所用的電能就是非常巨大的。表1反映了為以色列農(nóng)業(yè)灌溉提供支持的電力海水淡化灌溉技術(shù)和電力污水處理灌溉技術(shù)的能源消耗占國家總能源消耗的比例。1.4力灌注基肥一體化技術(shù)滴灌是通過一種叫做滴頭的裝置給農(nóng)作物的生長提供水的方法。電源是電力滴灌水肥一體化技術(shù)的動(dòng)力基礎(chǔ)。滴灌技術(shù)中能量單元提供的電能能將井水或者地表水引入灌溉系統(tǒng)。典型電力滴灌系統(tǒng)布局和裝配示意圖如圖5所示以色列耐特菲姆公司研發(fā)的滴灌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉和智能水肥一體化1.5水培系統(tǒng)設(shè)計(jì)以色列進(jìn)行垂直農(nóng)場建設(shè)的主要優(yōu)勢在于以色列有充足的太陽能資源。文獻(xiàn)以色列該垂直農(nóng)場設(shè)計(jì)的主要能源部件和耗能部件有(1)太陽能電池板：太陽能電池板安裝在大樓每一層的外部，最大限度地暴露在陽光下，使垂直農(nóng)場能夠自己供電；(2)LED燈：垂直農(nóng)場的每一層都將包含“生產(chǎn)堆”，上面安裝LED燈；(3)先進(jìn)的水培系統(tǒng)：使用先進(jìn)的水培系統(tǒng)種植農(nóng)產(chǎn)品，該系統(tǒng)主要部件為管道、水盤、泵，其中主要的耗能部件為水泵，能實(shí)現(xiàn)垂直農(nóng)場的供水循環(huán)。垂直農(nóng)場依靠持續(xù)的能源供應(yīng)來為LED照明系統(tǒng)和水泵供電。普通的垂直農(nóng)場的組件圖如圖6所示2中國海局推行電力海水淡化灌溉的方案園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的延伸，園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)以電力系統(tǒng)和新能源發(fā)電為核心，利用先進(jìn)的信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將能源系統(tǒng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)互聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的全面感知、管理與控制園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的物理系統(tǒng)由“源-網(wǎng)-儲(chǔ)-荷”4部分組成，本文從園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)物理系統(tǒng)中的“荷”的角度出發(fā)，通過分析以色列的部分農(nóng)業(yè)用能技術(shù)，結(jié)合中國不同地域的農(nóng)業(yè)和能源上的特點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)中國不同地區(qū)建設(shè)園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)提出了一些在農(nóng)業(yè)用能負(fù)荷技術(shù)上的建議。(1）中國南方沿海的海島上淡水資源相對(duì)缺乏，僅依靠天然淡水無法為農(nóng)業(yè)灌溉提供大量的淡水資源。結(jié)合中國南方海島設(shè)施農(nóng)業(yè)與能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在中國南方海島建設(shè)園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的過程中，在園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)能源技術(shù)中引入電力海水淡化灌溉技術(shù)可以加強(qiáng)海島農(nóng)業(yè)與能源的耦合聯(lián)系，推動(dòng)中國南方海島地區(qū)園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。(2）結(jié)合中國東部地區(qū)(如山東省)電力供給充足、電網(wǎng)覆蓋率高和該地區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)模大、農(nóng)業(yè)灌溉用水缺乏的特點(diǎn)，以色列的電力污水處理灌溉技術(shù)建議在中國該地區(qū)的園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)能源技術(shù)上進(jìn)行推廣利用。(3）中國西北地區(qū)（如寧夏、甘肅、陜西等地）電力供應(yīng)不足，電網(wǎng)覆蓋率低，同時(shí)農(nóng)業(yè)灌溉用水缺乏限制著該地農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但是西北地區(qū)太陽能和咸水資源非常豐富，結(jié)合西北地區(qū)的能源現(xiàn)狀與農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，在該地園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)能源技術(shù)的建設(shè)中建議引進(jìn)基于光伏發(fā)電的納濾膜微咸水淡化灌溉技術(shù)。(4）通過建設(shè)城市被動(dòng)式太陽能建筑等手段，可以在城市中充分利用太陽能。結(jié)合城市能源特點(diǎn)以及城市土地資源緊張的現(xiàn)狀，建議在城市農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)建設(shè)中大力發(fā)展垂直農(nóng)場技術(shù)。(5）中國新疆地區(qū)蒸發(fā)問題最為嚴(yán)重，同時(shí)該地區(qū)在農(nóng)業(yè)上的能源供應(yīng)不充足，所以在該地區(qū)園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)能源技術(shù)的建設(shè)過程中建議引進(jìn)具有高效節(jié)能、節(jié)水特點(diǎn)的電力滴灌技術(shù)，可以在一定程度上解決該地區(qū)農(nóng)業(yè)的能源供應(yīng)不足以及農(nóng)業(yè)灌溉用水缺乏的問題。由于電力滴灌技術(shù)可以保證在低壓條件下向農(nóng)作物均勻灌水，因此推廣電力滴灌技術(shù)還可以推動(dòng)中國園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)——農(nóng)業(yè)科技園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，促進(jìn)中國精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展。3在中國園區(qū)的推廣在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)了能源與農(nóng)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，對(duì)提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值具有重要意義。本文主要有以下2點(diǎn)結(jié)論：(1)在園區(qū)農(nóng)業(yè)