電力賦能智慧農(nóng)業(yè)，助力鄉(xiāng)村振興
——以新疆吐魯番葡萄為例

陳 軍，王珊珊，菅東祥，樊小朝，史瑞靜，朱榮伍，李 堅(jiān)

(1.國(guó)網(wǎng)吐魯番供電公司，吐魯番 838000；2.新疆工程學(xué)院能源工程學(xué)院，烏魯木齊 830023；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)，機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，深圳 518055；4.電子科技大學(xué)，成都 6100311)

0 引 言

以葡萄干為代表的干果是水果通過(guò)太陽(yáng)能加熱或人工加熱脫水而形成的食物。它含糖量高，是典型的高能營(yíng)養(yǎng)素，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。世界上大約95%的葡萄集中在北半球。中國(guó)的主要產(chǎn)區(qū)：新疆的吐魯番和和田、山東的煙臺(tái)和河北的張家口[1-2]。僅吐魯番地區(qū)葡萄種植面積達(dá)56.94萬(wàn)畝，年產(chǎn)量為122.1萬(wàn)噸，具有悠久的葡萄干加工歷史，因特殊的氣候和環(huán)境條件，吐魯番葡萄干在國(guó)內(nèi)外干果市場(chǎng)具有重要影響力[3]。然而，葡萄產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化程度較低，產(chǎn)地初加工標(biāo)準(zhǔn)化程度低，產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全，導(dǎo)致果品質(zhì)量參差不齊，難以達(dá)到中、高端市場(chǎng)的果品標(biāo)準(zhǔn)，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)業(yè)發(fā)展弱的問(wèn)題沒有得到有效解決，亟待采取切實(shí)有力的舉措加以改進(jìn)。

隨著消費(fèi)升級(jí)，客戶對(duì)葡萄干等干果的質(zhì)量要求越來(lái)越高，迫使行業(yè)在生產(chǎn)中用標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備取代傳統(tǒng)的手工車間生產(chǎn)模式。生產(chǎn)中的種植、清洗、烘焙、包裝、質(zhì)檢等工序均采用自動(dòng)化生產(chǎn)方式，不僅可以顯著提高生產(chǎn)效率，同時(shí)可以在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行安全生產(chǎn)和質(zhì)量控制，確保干果質(zhì)量達(dá)到優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

《2021年中央一號(hào)文件》提出，國(guó)家要復(fù)興，農(nóng)村必須復(fù)興。我們要把解決“三農(nóng)”問(wèn)題作為全黨工作的重中之重，把全面推進(jìn)農(nóng)村振興作為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重大任務(wù)，用全黨和全社會(huì)的力量加快農(nóng)業(yè)和農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)，讓農(nóng)民過(guò)上更美好的生活[5]。國(guó)網(wǎng)吐魯番供電公司以“電力賦能智慧農(nóng)業(yè)，助力鄉(xiāng)村振興”為指引，結(jié)合地區(qū)農(nóng)業(yè)特色提出新思路、新目標(biāo)，將智慧農(nóng)業(yè)作為鄉(xiāng)村振興，助力農(nóng)村現(xiàn)代化的重要舉措，推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”，致力于當(dāng)好能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的“引領(lǐng)者”、“推動(dòng)者”、“先行者”[6]。在國(guó)家大力推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)的同時(shí)，干果市場(chǎng)也伴隨著快速的發(fā)展，智能清潔低碳的干果種植和加工方式必將成為新趨勢(shì)，市場(chǎng)具有廣闊的潛在發(fā)展空間和規(guī)模。

國(guó)內(nèi)機(jī)械制造業(yè)蓬勃發(fā)展，也為葡萄干的工業(yè)化生產(chǎn)注入了科技力量。目前可用于葡萄干生產(chǎn)的食品機(jī)械包括清洗設(shè)備、干燥設(shè)備、分選設(shè)備、殺菌設(shè)備等，但行業(yè)還缺少能夠貫穿于從葡萄種植到加工的全周期自動(dòng)化生產(chǎn)模式，相關(guān)市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展空間。本文針新疆吐魯番地區(qū)葡萄干從種植到加工的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)抗能力弱、葡萄干加工周期長(zhǎng)、食品衛(wèi)生安全存在隱患等問(wèn)題，智能控制可移動(dòng)式廠房的光、儲(chǔ)、充、用各部分工作狀態(tài)，精準(zhǔn)控制新型葡萄“晾房”溫、濕度和循環(huán)風(fēng)力，打造多能互補(bǔ)的零碳排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

1 電力賦能新疆吐魯番葡萄干產(chǎn)業(yè)

電力賦能智慧農(nóng)業(yè)，助力鄉(xiāng)村振興，“電‘靚’一串葡萄干”主要包括：

(1)多維數(shù)據(jù)監(jiān)控，環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)感知；

(2)配電網(wǎng)柔性控制，自動(dòng)灌溉實(shí)時(shí)管理；

(3)可移動(dòng)式智慧晾房，降低成本提升效率；

(4)光伏+儲(chǔ)能微電網(wǎng)，效益收入雙提升。

1.1 多維數(shù)據(jù)監(jiān)控，環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)感知

智能監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器實(shí)時(shí)采集空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤PH值等12種環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)，通過(guò)HPLC及4G通信技術(shù)上送至智能配變終端，發(fā)揮配電連接客戶最后一米優(yōu)勢(shì)。傳感器實(shí)時(shí)采集12種環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)送至智能配變終端，發(fā)揮配電連接客戶最后一米優(yōu)勢(shì)。

1.2 配電網(wǎng)柔性控制，自動(dòng)灌溉實(shí)時(shí)管理

自動(dòng)灌溉實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)采用無(wú)線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)閥門的遙控啟閉和定時(shí)輪灌。對(duì)機(jī)井有序管理，及時(shí)發(fā)布缺水預(yù)警，避免水泵水壓不足和變壓器重過(guò)載。實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守自動(dòng)灌溉，分片控制，預(yù)防人為誤操作。配電網(wǎng)柔性控制，實(shí)現(xiàn)灌溉閥門的遙控啟閉和定時(shí)輪灌。

1.3 可移動(dòng)式智慧晾房，降低成本提升效率

可移動(dòng)式智慧晾房如圖1所示，晾房可按需停放任何位置，減少葡萄在途80%的運(yùn)輸損耗，節(jié)省人力物力。利用光伏板儲(chǔ)能的密封無(wú)塵晾房與風(fēng)機(jī)、溫、濕度傳感裝置進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)全感知，提升能源系統(tǒng)利用率?？筛鶕?jù)各種干果的自身特性通過(guò)電力側(cè)邊緣計(jì)算，研發(fā)其農(nóng)產(chǎn)品烘干數(shù)據(jù)模型，將烘干技術(shù)推廣應(yīng)用于多種干果的加工。

圖1 可移動(dòng)式智慧晾房

1.4 光伏+儲(chǔ)能微電網(wǎng)，效益收入雙提升

光伏+儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖2所示，加工季節(jié)利用光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)零碳排，自發(fā)自用余量上網(wǎng)，解決新能源消納，調(diào)節(jié)負(fù)荷用電峰谷。非加工季節(jié)實(shí)現(xiàn)分布式能源臺(tái)區(qū)就近消納，解決季節(jié)性重、過(guò)載配變問(wèn)題，提高供電質(zhì)量的同時(shí)，為農(nóng)民創(chuàng)收創(chuàng)效。密封無(wú)塵晾房與風(fēng)機(jī)、溫、濕度傳感裝置進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)全感知，提升能源系統(tǒng)利用率。

圖2 光伏+儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

以吐魯番地區(qū)得到試點(diǎn)應(yīng)用，將在以下方面取得顯著的經(jīng)濟(jì)成效：

2.1 葡萄干產(chǎn)值提升3倍

根據(jù)吐魯番高昌區(qū)貝勒克齊坎兒村實(shí)地生產(chǎn)結(jié)果證實(shí)，一畝無(wú)核白葡萄地年產(chǎn)鮮葡萄約3 000 kg，通過(guò)傳統(tǒng)晾曬，產(chǎn)葡萄干600 kg，而通過(guò)綠電葡萄干加工，大大減少了生產(chǎn)過(guò)程中的浪費(fèi)，產(chǎn)量達(dá)到710 kg，提升18.3%。傳統(tǒng)葡萄干售價(jià)在14～16元/kg，產(chǎn)值約9 600元/畝，綠電葡萄干售價(jià)在50～60元/kg，產(chǎn)值約29 000元/畝，產(chǎn)值提升約300%。

2.2 單晾房單日增收75元

目前，單個(gè)晾房的光伏發(fā)電功率為3千瓦/小時(shí)，吐魯番光熱資源豐富，光照時(shí)間長(zhǎng)，單日按10個(gè)小時(shí)計(jì)算，日發(fā)電量30千瓦，按目前0.25元/千瓦上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，單日收益75元?？蔂?zhēng)取政府電價(jià)補(bǔ)貼，收益會(huì)更多。葡萄產(chǎn)區(qū)在非種植期間，用電負(fù)荷小，公變利用率低，通過(guò)分布式光伏電源上網(wǎng)，提升公變利用率。

2.3 降低人力成本90%

葡萄種植管理由傳統(tǒng)的人工變?yōu)橹悄芑芾?，葡萄品質(zhì)得到大幅提升，大大節(jié)省人工成本。以往每生產(chǎn)100公斤葡萄干需投入人力工時(shí)2人/天，每人單日成本200元，每生產(chǎn)100公斤需投入400元，而項(xiàng)目產(chǎn)品僅需一次性的購(gòu)買費(fèi)用即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，同比降低人力成本60%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究應(yīng)用于實(shí)際情況，一畝無(wú)核白葡萄地年產(chǎn)鮮葡萄3 000 kg，通過(guò)傳統(tǒng)晾曬，產(chǎn)葡萄干600 kg，而通過(guò)新型蔔萄干加工方式，大大減少了中間加工環(huán)節(jié)的浪費(fèi)，畝產(chǎn)葡萄干達(dá)710 kg，提升了18.3%。經(jīng)與吐魯番高昌區(qū)貝勒克齊坎兒村葡萄種植農(nóng)戶交流，中間環(huán)節(jié)浪費(fèi)主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是由于傳統(tǒng)晾房需要自然通風(fēng)良好，一般修建在山頂，鮮葡萄采摘后，需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸至晾房，葡萄自然辣落、磕碰、蚊蟲叮咬遭成浪費(fèi)。二是傳統(tǒng)葡萄晾房晾曬，需要將鮮葡萄人工懸掛在晾房?jī)?nèi)支架上，自然陰干，此過(guò)程造成葡萄皮損傷、掉落造成浪費(fèi)。三是傳統(tǒng)晾房晾曬葡萄干需要50天左右，期間葡萄處于自然敞開狀態(tài)，蚊蟲町咬、自然掉落造成浪費(fèi)。綜合上述各環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)晾曬工藝?yán)速M(fèi)比一般20%左右。

本文研究受市場(chǎng)開放、競(jìng)品搶占市場(chǎng)等因素影響，存在一定的市場(chǎng)開拓風(fēng)險(xiǎn)。一是構(gòu)建完善的市場(chǎng)售前和售后體系，為潛在目標(biāo)客戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)體驗(yàn)；二是進(jìn)行科學(xué)化的客戶需求和行為分析，出具最優(yōu)市場(chǎng)營(yíng)銷解決方案，大幅縮短目標(biāo)客戶的等待時(shí)間，提高目標(biāo)客戶群體的滿意度。本文研究應(yīng)用由于涉及終端架構(gòu)與電網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)接采集，對(duì)于數(shù)據(jù)來(lái)源采集需進(jìn)行更高級(jí)的安全管控與準(zhǔn)入制度。一是項(xiàng)目產(chǎn)品系統(tǒng)應(yīng)定期進(jìn)行滲透測(cè)試和安全代碼檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)可控、能控、在控；二是敏感數(shù)據(jù)、機(jī)密數(shù)據(jù)必須實(shí)施脫敏處理并建立數(shù)據(jù)屏蔽層，規(guī)避內(nèi)部數(shù)據(jù)被盜用、濫用的風(fēng)險(xiǎn)。