《智慧农业》编委舒磊教授:未来农业——光伏农场物联网的研究与展望

在《智慧农业》编辑部举办的“2019智慧农业青年学术研讨会”上,南京农业大学、英国林肯大学、《智慧农业》编委舒磊教授就《未来农业——光伏农场物联网的研究与展望》做了分享,以下是主要内容。

《智慧农业》编委舒磊教授:未来农业——光伏农场物联网的研究与展望

舒磊教授在2019智慧农业青年学术研讨会报告

希望大家来共同思考一些问题:未来的农业是什么样子?农业的生产模式会不会发生变化?

目前,传统农业面临的严峻的挑战,比如极端天气,人口爆炸,城市化进程的推进。

《智慧农业》编委舒磊教授:未来农业——光伏农场物联网的研究与展望

首先是人口爆炸的影响。有限的土地供养激增的人口。联合国预测2050年世界人口将达到91.5亿人,亚洲人口将达到52.31亿人。其次,自然灾害影响农业生产。自然灾害具有不可预测和不可控性,对其只能做到预防而不能从根本上避免其对农业的影响。比如,土壤经过冷冻和旱涝之后会影响其盐碱度,使肥沃的土壤变成不利于农作物生长的盐碱地。据统计,2017年上半年全国自然灾害造成直接经济损失大于5亿元。最后,城市化的进程导致耕地减少。城市建设占用大量耕地造成耕地减少,城市人口增加、环境和公共设施用水造成农业用水减少,污水排放使水环境污染,加剧了农业用水和水资源短缺的矛盾,农业劳动力向其他第一产业的转移。

由于人类大量地和无节制地开采化石能源,不但使有限的常规化石能源日益耗竭,开始出现能源危机,而且常规化石能源的消费给自然环境带来严重的负面影响。然而,随着人们生活水平的提高,人们对能源的需求也随之增大,这也会加快化石能源的开采。化石能源终有耗尽之时,人类要持续生存和发展,必须开发新的能源,特别是可再生能源。

新能源之一是电能,发电方式有火力、水力、风力、核能和光伏发电。其中光伏式发电特点是可分布式部署,系统稳定性高,能源清洁,对环境无污染,发电原料易获取且无限,处于用户侧,减少线路损耗。若都采用太阳能电池板发电,经测算,建设一个10MW(1万kW)的光伏项目,在北纬40°时(天津为例),当采用固定式、使用260W的光伏组件,仅就光伏方阵场区而言,占地面积为22.02公顷,理论上一年可生产1万kW×8小时×365天=985.5万千瓦时的电量。国家统计局对2016年的交通运输汽油消费总量为39651万吨标准煤,换算为98146039.6万千瓦时(1万千瓦时≈4.04吨标准煤)。如果按照2016年汽车对汽油的消费量计算,需要建设98146039.6 / 985.5 * 22.02 ≈ 219.3万公顷的光伏电站才能满足一年内的汽车需求。

如果把2018年交通运输汽油消耗总量全部转换为光伏电站供电,那么需要的建设面积将达到2.75万平方公里,而北京市面积才有为1.641万平米公里。那么未来就会出现“土地竞争”的问题,农业将走向何方呢?能源居然也和农业竞争土地,但是地球哪有那么多的土地?

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新能源产出与农业生产结合形成新能源农业,即光伏农场。光伏农场是一种新型工业与现代农业相结合的新型经营模式,在不改变土地性质和使用属性的情况下,在农田上搭建分布式光伏发电大棚,实现棚下种植、棚上发电,设施农业与光伏电站成本共摊、充分互动。光伏农场既节约了土地、增加了土地产出效益,又带动了当地精细农业等产业的规模化发展。我国广大的中、东部地区有了大面积建设光伏电站的空间,并且抗击雾霾、区域能源供应平衡从此变成可能。

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近几年世界各国都在发展光伏农业。第一座混合太阳能农牧场建于以色列南部沙漠区的萨马尔集体农庄。法国卢瓦河谷与罗纳河谷的农民把葡萄园改为太阳能葡萄农场。法国通过法令保证,以每瓦高出市价1.5倍的电力价格,向自愿兴建太阳能发电农场的业主收购光伏电力。在中国,2017年7月由中利集团创新实施的全国首个包县脱贫贫困村“光伏扶贫农场”项目,在灵璧县叶庙村并网发电。该项目采取“智能光伏+科技大农业”模式下,通过科学合理地将光伏组件抬到4米以上高度,光伏支架桩距达到10米跨度,采用全新一代“农光互补”单板组件安装、倾斜度等创新技术,既满足了农业机械化耕种,又满足了光伏下面果蔬、小麦等“大农业”的太阳光照条件,实现“光伏+农业”的收益扶贫。

光伏农场结合物联网形成光伏农场物联网,从物联网来讲是一种新鲜的物联网系统,也是前所未有的应用场景。光伏农场物联网的定义可分成四点:1、将各类传感器、RFID、视觉采集终端等感知设备安装在光伏发电大棚支架上,广泛采集大田种植、设施园艺、畜禽养殖等领域的现场信息;2、通过光伏发电的储能设备向感知设备提供稳定的能量供应;3、按照约定的协议,利用现代信息传输通道,实现农业信息的多尺度的可靠传输;4、对感知设备获取的数据进行融合和处理,通过智能处理实现农业生产的智能决策、预报和预警。

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光伏农场物联网示意图

光伏农场物联网与传统农业物联网相比较,光伏农场物联网部署成分和供应方式与传统农业物联网以及传统温室大棚物联网不同。光伏组件系统会产生电磁干扰,影响无线网络的传输,因此光伏农场物联网天空地信息采集是不可使用的,需要新的采集方式。环境中不同传感器数据量各异和对传输实时性要求不同,需使用不同的监测网络。以上是急需研究和解决的问题。

光伏农场的需求包括环保滴灌系统、农业信息采集、光伏组件监测、多样性种植。环保滴灌系统是将清洗太阳电池板的水通过管道进行滴灌,节约水资源,太阳能电池板需清洗的条件与植物需灌溉的条件是不一致的,即大部分时间太阳能板的清洗频率与植物灌溉频率不同步。农业信息采集是通过旋转摄像头自动采集农作物图片,分析病虫害情况,需要专家系统的参与,基于专家系统的图像采集频率与质量的自适应优化。光伏组件监测在农业监测节点与光伏组件监测节点的集成,可实时掌握发电情况,增加效益产出。多样性种植是通过光伏农场搭建农业大棚,改变区域小气候,实现多样性种植,增加农民收入。

未来在新能源产业的驱动下,农业生产模式将变为新能源农业。但是新能源农业之后的农业形式又是什么样子呢?

本文为录音整理节选稿,经报告人确认发表

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编委简介

舒磊,男,1981年出生,南京农业大学教授/博士生导师、英国林肯大学“林肯教授”/博士生导师、广东省“扬帆计划”引进紧缺拔尖人才、南农—林肯智能工程研究中心(筹)主任。主持国家自然科学青年基金及省级重大国际联合项目等共12项。长期从事无线传感器网络领域的研究,共发表论文400余篇。现担任IEEE Communications Magazine (JCR Q1, IF: 10.356)、IEEE Network (JCR Q1, IF: 7.503)、IEEE Transactions on Industrial Informatics (JCR Q1, IF: 7.377)、IEEE Systems Journal (JCR Q1, IF: 4.463)、IEEE Access (JCR Q1, IF: 4.098)等期刊编委(影响因子年份:2018年)。曾获2014年中国计算机学会计算机应用专委会“特别贡献奖”、连续获得2017年度和2018年度IEEE Access期刊“Outstanding Associate Editor”、IEEE HealthCom2017“Outstanding Leadership Award”。

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