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第 15 章智能手机：水联集成微电网

1. 15.1 导言

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   由于利用风能和屋顶太阳辐射的分散式能源发电技术的兴起，转向完全可持续的能源系统，部分需要从集中式发电和配电系统转向分散式系统。 此外，将供热和运输部门纳入电力系统将导致高峰需求量大幅度增加。 这些发展需要对能源基础设施进行大规模和昂贵的改造，而现有生产资产的利用率预计到 2035 年将从 55% 降至 35%（Strbac 等人，2015 年）。 这提出了一个重大挑战，但也是一个机会：如果能够在 microgrids 中本地平衡能源流动，那么对昂贵的基础设施升级的需求就可以最大限度地降低，同时为主电网提供额外的稳定性。 出于这些原因，“微电网已被确定为智能电网的一个关键组成部分，用于提高电力可靠性和质量，提高系统能源效率”（Strbac 等人，2015 年）。

   微电网可以提供急需的弹性和灵活性，因此很可能在未来的能源系统中发挥重要作用。 据估计，到 2050 年，一半以上的欧盟家庭将自行发电（Pujianto 等人，2007 年）。 因此，需要释放微电网内的灵活资源，以平衡间歇性的可再生能源发电。

   城市农业系统，如水生动物（DOS Santos 2016），可以提供这种急需的能源灵活性（戈德克和科尔纳 2019；Yogev 等人，2016 年）。 植物可以在广泛的外部条件下生长，因为它们在自然界中习惯这样做。 这同样适用于水产养殖系统中的鱼类，它可以在广泛的温度范围内茁壮成长。 这些灵活的工作条件允许对能源输入要求产生缓冲效应，从而在系统内创造了很大程度的灵活性。 水产养殖系统所体现的高热量允许在系统内储存大量热量。 灯可以根据电力的充足情况开启和关闭，从而通过将其转化为宝贵的生物质，基本上限制了过剩的发电。 泵可与发电峰值时间（例如中午）同步运行，以限制净峰值功率（峰值剃须）。 最佳蒸馏装置（第 8 章）也具有非常灵活的热需求，一旦热量或电力供应过剩，即可关闭（即热泵将电能转换为热能）。 所有这些方面都使得水生系统非常适合为微电网提供灵活性。

   除了提供消费灵活性之外，还可以进一步集成多环水生产系统，以提供生产灵活性。 沼气是由 UASB 在水生设施中生产的副产品。 这种沼气可以通过在微电网中加入微型热电联产生燃烧，以便产生热量和电力。 因此，在微电网中集成水生子系统可以提高供求两方面的能源灵活性。

2. 15.2 智能手机概念

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   为了充分发挥食品 — 水 — 能源联系在分散微电网方面的潜力，一个完全一体化的方法不仅侧重于能源 (微电网) 和食品 (水电)，而且还侧重于利用当地的水循环。 将各种水系统（如雨水收集、储存和废水处理）纳入水生一体化微电网，产生了效率、复原力和循环性的最大潜力。 从现在起，完全一体化和分散的食品-水-能源微电网的概念将被称为 Smarthood（智能社区），并在图 15.2 中描述。

   在 Smarthoods 概念中实施水生动力学的好处在于它有助于优化综合营养素、能量和水流（图 15.1）。 这种集成潜力远远超出了已经提到的

   ** 食品 － 水 － 能源之间的联系 **

   全球 30% 以上的能源需求用于农业 全球 70% 以上的淡水需求用于农业

   ！ 图片-3

   ** 图 15.1** 食品 — 水 — 能源之间的关系显示了能源、水和食品生产之间的相互作用（根据 2015 年国际可再生能源机构）

   img src = "媒体/图像-20201002190013698.png” ALT = “智能模型中的解耦水电系统” 样式 = "缩放：67%;”/

   ** 图 15.2** 按照 Smarthoods 概念设计的分散式地方环境中的解耦水生系统（如 第 8 章的集成。 绿色箭头显示水生系统在多大程度上可以与整个系统相互作用。 红色箭头表示热流，蓝色箭头水流动和黄色箭头功率流动

   能源和食品系统之间的交叉。 例如，发生的可生物降解废物流可在厌氧反应堆 (例如 UASB) 中进行处理，并产生沼气和生物肥料 (Goddek 等人, 2018 年)。 即使是脱矿废物污泥也可以用作传统耕地上的液体粪便。

   img src=” https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "样式 =" 缩放：75%;”/

   ** 图 15.3** 图示图解的图示照片-德·休维尔 _ (资料来源：代谢 — www.metolic.nl)

   ** 示例 15.1**

   城市一体化水上微电网发展的一个早期例子是 De Ceuvel，这是一个原先在阿姆斯特丹北部废弃的造船厂，现已改建成一个自给自足的办公空间和娱乐中心。 De Ceuvel 是旨在创造循环经济的新技术和政策的试验台。 它具有一个全电微电网，包括太阳能光伏，热泵和使用自己的能源代币在区块链上进行点对点能源交易：Jouliette ¹。 一个小型水上乐园设施为酒店内的餐厅生产草药和蔬菜。 同一家餐厅使用从当地生产的有机废物中提取的沼气进行烹饪活动和空间取暖。 此外，还有一个实验室，用于测试水质和提取磷酸盐和硝酸盐。

   虽然 De Ceuvel 目前尚未积极利用水生设施来提高微电网的灵活性，但目前正在安装传感器来监测能量和营养物流，以评估其性能。 这些数据将用于帮助开发更新和更智能的城市综合水上微电网，例如本章中提出的 Smarthoods 概念。 像 De Ceuvel 这样的城市生活实验室中发现的早期使用案例对于 Smarthoods 概念的成功发展至关重要（图 15.3）。

   尽管对城市 FWE 系统（如 Smarthoods 概念）采用整体方法可带来许多好处，但是水电系统在微电网中的集成仍然很大程度上取决于个案情况。 与传统农业系统相比，Aquaponic 食品生产系统的特点是产量更高，水、营养和能源足迹更低；然而，建造这些系统的成本也更高。 因此，它们最适合于由于空间限制等原因而需要高产量的地点。 在密集的城市地区，可能并不总是有足够的空间来建造水产设施，而对于农村地区，土地成本可能太低，无法建造一个最先进的水产设施；融资成本和收益较低的标准农业设施更适合这类设施案件. 综合水上乐园设施的最佳使用案例是有足够空间的情况，每个面积需要高产量才能抵消土地使用成本。 因此，郊区和其他城市地区 (例如废弃的仓库) 最有可能首次实施与水生设施相结合的微电网 (见例 15.1)。

   Footnotes

   1. https://www.joulitte.net ↩

3. 15.3 目标

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   这项研究的目的是量化微电网与分离式多环水电系统集成在一起的自给自足程度和灵活性。

4. 15.4 方法

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   一个拥有 50 个家庭的居民区被认为是 “Smarthood”，其中有一个分离的多环水生设施，能够为 Smarthood 的所有 100 名居民提供鱼类和蔬菜。

   对于 Smarthood 的详细模型，采用了阿姆斯特丹郊区居民区的假设参考案例，其中包括 50 户家庭（住房），每户平均住户 2 人（共 100 人）。 此外，一个城市水生设施包括一个温室、水产养殖系统、一个 UASB 和一个蒸馏单元。 根据荷兰典型家庭和温室的数据，对不同组成部分进行尺寸测量 (见表 15.1)。

   15.4.1 能源系统模型

   建立了一个能源系统模型，可以模拟各种组件的能量流动，其主要规格见表 15.2。 无害环境管理能够计算一年中每个小时每个组件的能量流量。

   ** 表 15.1** 荷兰每个人/家庭的食物和能源需求

   表 沙特 TR TD/td 平均值（每资本/年）/次 共计 (100 人)/第一次 /th /tr /thead Tbody TR 大肠杆菌 =4食物/th /tr TR 蔬菜消费量（荷兰）/td td 33 千克素/苏普（而推荐使用 u73 千克/u /td td 7300 公斤 /td td 欧洲食品安全协会 /td /tr tr 类 = "奇数” TDD 所需温室面积 /td td 约 4 毫秒/水泵 /td td 400 毫斯普/水泵 /td td 根据最小值估计。 消费建议 /td /tr tr 类 = "偶数” TD鱼消费/td td 20 公斤 /td td 2000 公斤 /td td 粮农组织 (2015 年) /td /tr tr 类 = "奇数” TD/需要水产养养产量/需要/td td 0.2 毫升/水泵 /td td 20 毫苏普/水泵 /td td 估计数 /td /tr TR 高尔夫球 = 4 能量 /th /tr tr 类 = "奇数” TD-家庭用热量（荷兰）/td td 6500 千小时/小/房子/年 /td td 325毫小时/小/年 /td td 英国广播公司 (2018 年) /td /tr tr 类 = "偶数” TD 罗斯潘 =2RA 电力消耗量 /td td 行跨 = 2 0.05—0.15 /小方/最高级别工程方案 /td td 1—3 苏贝/小组 /td td 行跨 = 2 (埃斯皮纳尔, 人. 沟通) /td /tr tr 类 = "奇数” td 8,76—28,26 毫米/小组/年 /td /tr /tbody /表格

   普通荷兰人每年吃 50 公斤蔬菜。 然而，只有 33 公斤的蔬菜，可以生长在水培系统，这是结果蔬菜 31.87 克/天，甘蓝蔬菜 22.11 克/天，叶蔬菜 12.57 克/天，豆类蔬菜 19.74 克/天，干蔬菜 4.29 克/天

   以上/预订最大鱼密度为80千克//

   ** 表 15.2** 生产组件

   表 沙特 tr 类 = "标题” 组件/th 日 尺寸 /th 日 规格 /th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” 太阳能太阳能光伏 td 40 千瓦小价，E/分类 /td td 埃塔：0.15 /td /tr tr 类 = "偶数” 德班班风力发电机/td td 20 千瓦小价，E/分类 /td td 埃塔：0.33 /td /tr tr 类 = "奇数” TD热泵/td td 10 千瓦小价，E/分类 /td td 警察：4.0 /td /tr tr 类 = "偶数” TDCH /TD td 20 千瓦小价，E/分类 /td td 伊塔苏贝尔/子:0.24, 分子/分 = 0.61 /td /tr tr 类 = "奇数” TD燃料电池/td td 10 千瓦小价，E/分类 /td td 埃塔：0.55 /td /tr tr 类 = "偶数” 电子分解机/TD td 20 千瓦小价，E/分类 /td td 埃塔：0.45 /td /tr tr 类 = "奇数” TD电池/TD td 200 千瓦时 /td td 埃塔：0.90 /td /tr tr 类 = "偶数” TD热水箱/td td 930 千瓦时 /td td 40—60 克 /td /tr tr 类 = "奇数” TD氢罐 /td td 千瓦时 /td td 30 千克/子储存 /td /tr /tbody /表格

   在 MATLAB 中使用通过 DesignBuilder 获得的阿姆斯特丹能源剖面数据对能源系统进行建模。 数值时间序列模型采用了表 15.2 所列各种能源技术及其相关规格 (图 15.4).

   能源系统模型 (ESM) 使用简单的条件语句进行决策过程，即它是一个基于规则的控制系统。 在这种模式的当前版本中，控制是集中的，目的是自我消费

   ！

   ** 图 15.4** 水族微电网模型（F.de Graaf 2018），显示了参考案例的功率（上图）和热（下图）的能量平衡（阿姆斯特丹）

   最大化整个系统（在未来版本中，控制架构将被分散，请参阅 Sect.15.5）。 实现这一点的条件语句可以说明如下：

   1. 保持热量储存在最低限度。

   2. 预测不灵活的电力生产和消费预测。

   3. (a) 如果电池已满，打开弹性消耗。

   (b) 如果电池将是空的，打开灵活的发电。

   通过将存热量保持在最低限度，最大限度地提高了用于灵活能量平衡的缓冲液。 如果不灵活的电力生产过剩（即无法灵活调度或控制的发电，例如太阳能或风能），可以打开热泵，以创建由热水储存和水生 RAS 系统的热量提供的缓冲液。 相反，如果电力生产不足，可以启动热电联热电池和燃料电池等灵活发电，从而利用储热能力。

   对于热和功率，能量平衡相当于

   $P_ {一代，flex} + P_ {一代，反向} + P_ {网格} = P_ {缺点，反向} + P_ {缺点，伸缩} + P_ {存储} $ (15.1)

   灵活的一代产品包括热泵、热电组合 (CHP) 单元、燃料电池、电池和智能/柔性设备（例如水泵）。 风能、太阳能光伏（PV）和太阳能集热器被列为不柔性发电。 非柔性装置占电力消耗的大部分，尤其是在冬季（由于需要即时照明）（图 15.5）。

   ！

   ** 图 15.5** 德休维尔（德格拉夫 2018 年）可能集成微电网配置的能量流（桑基图）示例，包括生产沼气的生物消化剂。 这种特殊配置不包括 Smarthood 概念中存在的热和动力组合装置，也没有考虑到大型水生设施

5. 15.5 结果

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   表 15.3 显示了房屋和水生温室设施的电力和热消耗总量 (根据表 15.1 和 15.2 中的数据模拟)。 水生温室设施负责 38.3% 的功耗和 51.4% 的热量消耗。 因此，由于所有住宅能源和蔬菜/鱼类生产都是在当地进行，因此，对于一个住宅微型电网集成的水产设施的电力需求略高于当地总能源需求的三分之一。 热量需求约占总热量的 50%，这在很大程度上归功于在高温水中运行的蒸馏装置。

   如图 15.4 和 15.6 所示，Smarthoods 能源系统能够在大部分时间平衡生产和需求。 参考案例中，电网进口电力的总份额为 4.62%。 有时可以观察到稍微的功率不平衡，这可归因于对于当前版本的模型而言，大多数情况下控制不佳。 例如，热电联产中心在数小时内多次从打开状态切换到关闭状态，导致电力过剩。 对于更加优化的控制系统来说，这种行为不会发生，因为可以与热泵配合使用，以便提供精确的电力和热量。

   15.5.1 灵活性

   该系统具有极高的灵活性，这是由于热电联产中心和水生设施具有灵活的照明和泵，以及高温缓冲能力，以及

   ** 表 15.3** 微电网不同方面的电力和热负荷

   表 海神 tr 类 = "标题” th 日 住宅 /th 日 水上乐园设施 /th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” 平均需求/td td 17.2 千瓦 /td td 10.2 千瓦 /td /tr tr 类 = "偶数” 高值需求/td td 47.6 千瓦/小组/分支机 /td td 15.2 千瓦/分支机 /td /tr tr 类 = "奇数” 电气总需求/th 日 143.2 万瓦时/年 /th 日 89.2 万瓦时/年 /th /tr tr 类 = "偶数” TD热平均需求/td td 37.1 千瓦 /td td 39.3 千瓦 /td /tr tr 类 = "奇数” 热峰值需求 /td td 148.4 千瓦 /td td 121.2 千瓦 /td /tr tr 类 = "偶数” 热总需求/th 日 325.0 毫升瓦时/分/年 /th 日 344.2 千米小时/年/年度 /th /tr /tbody /表格

   ！

   ** 图 15.6** Smarthood 系统的功率（左上角）和热量（左下角）能量平衡（W）的时间序列图形图表。 存储容量（以千瓦时为单位）显示在功率（右上角）和热量（右下角）的右侧。 x 轴表示自年初以来的小时数。 黑线代表能量的不平衡

   电池和氢气系统。 尤其是水生系统大大提高了系统的整体灵活性，因为它可以用于广泛的能量输入，如表 15.4 所示。 由于这种灵活性，该系统设法实现了近乎总（95.38%）的电力自给自足和 100% 的热量自给自足。

6. 15.6 讨论情况

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   为 Smarthood 概念提出的能源系统能够通过利用各个系统组件提供的灵活性, 实现近乎完全的电网独立性. 水生系统，特别是，有一个积极的

   ** 表 15.4** 水生系统的灵活需求

   表 海神 tr 类 = "标题” 日 组件 /th 日 数量级 /th 日 灵活性 /th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” td 行跨度 =3 泵 /td td 0.05—0.15 kwsube /分支管理方案/苏加利用方案 /td td 行跨度 =3 并非所有泵都必须连续运行。 主要工艺（氧气控制、氨控制、COSub2/Sub 控制、储罐更换、悬浮固体控制）必须持续运行。 pH 缓冲液加液、反洗程序、水交换或备用氧气等较小的工艺无需连续运行 /td /tr tr 类 = "偶数” td 1—3 /小组 /td /tr tr 类 = "偶数” td 8,76—28,26 毫米/分/年 /td /tr tr 类 = "奇数” TD 行跨度 =2 照明 /td td 80—150 瓦/多功能喷雾器 /td TD 行跨度 =2 植物需要 ~4—6 小时的黑暗，其余的一天，他们可以人为地点燃。 这使得大约 0（夏季）到 12 小时（冬季）的灵活额外照明 /td /tr tr 类 = "偶数” td 容量系数为 10 — 20%，这将导致 28—105 Mwhsube/小/年度克苏贝/分级 /td /tr tr 类 = "奇数” TD 行跨度 =2 空间供暖（地板下）和水产养殖罐加热 /td td 444 千瓦位/小方/上度保护单位2/单位/年份 /td TD 行跨度 =2 由于混凝土地面的高热量以及 RAS 罐内的水量大，热负荷非常灵活 /td /tr tr 类 = "奇数” td 177,8 兆瓦/分/年 /td /tr tr 类 = "偶数” TD 行跨度 =2 蒸馏装置 /td td 50千瓦/小米/小/年 /td TD 行跨度 =2 蒸馏装置在热水（70—90 ℃）上运行，可以 具有显著的灵活性（MEMSYS 2017） /td /tr tr 类 = "奇数” td 166,4 兆瓦/分/年 /td /tr /tbody /表格

   影响系统的整体灵活性。 凭借 95.38% 的电源自给自足，该系统的性能优于以往研究中评估的任何其他经济上可行的系统（de Graaf 2018）。

   控制架构 _ 促进分散的本地能源经济，例如 Smarthoods 概念中提出的经济，需要一个平台来跟踪邻里发生的所有点对点交易。 相应的对等网络可以归类为多代理系统（MAS）方法，其中多个节点（例如家庭或公用事业建筑）作为独立代理，具有自己的目标（例如最大限度地降低成本或最大限度地节能）和相应的决策过程。 由于系统的复杂性，这种权力下放、多代理人的决策方法是必要的。 计算分层、自上而下和集中控制体系结构所需的信息太多，变量太多。

   _Blockchain _ 基于区块链的多代理系统控制架构可能提供必要的框架来适应分散的点对点网络。 大量的分布式节点确保了网络的稳定性和安全性，并且可以使用挖掘的替代方法：铸造。 通过铸造，令牌/硬币是根据真实世界的设备（如智能能量米）提供的数据生成的。 只要这些信息来源可以信任，即这些设备可以防篡改，就可以创建一个安全和独立的分类账，使各利益攸关方可以在其中交换货物（例如电力）和服务（例如需求方管理）。 使用智能合约，灵活性交易等复杂服务可以编程到系统的控制架构中。

   _ 物联网 _ Smarthood 系统中的组成部分，如热泵、温室照明或 UASB，都可以使用连接互联网的传感器和执行器（称为物联网）进行控制。 物联网传感器网络允许大量采集数据，从鱼缸养分浓度到电池负载周期，所有这些数据都是按时间步进进行的。 这些数据可用于验证数值模型并优化系统的动态控制。

   _ 人工智能 _ 优化 Smarthood 系统的控制可以通过使用人工智能算法（例如遗传编程（进化算法）或机器强化学习）分析数据来完成。 例如，通过机器强化学习，将一组操作及其对环境的影响作为输入参数传递给算法，以及系统的当前状态和累积目标/成本函数。 可以在每个家庭实施一个逐步改进的启发式决策过程，它将动态适应情况，以便找到一个接近最佳的决策方案，管理住宅和 Smarthood 内的能量流动。 每个房子都可以运行这样的算法，因此，可以创建一个称为多代理系统 (MAS) 的多节点控制系统架构，该体系结构在计算上相对便宜（与集中控制相比）-并且接近最佳。

   Legal Barriers Smarthood 概念的各个方面的高度创新性，例如多发电微电网、多循环水生系统和非传统的城市规划要求，带来了一系列独特的挑战需要克服。 对于其中许多挑战，目前的监管框架不足以适应 Smarthoods 概念中提出的发展。

   例如，当有一个当地市场，各种 prosumer（同时发电的消费者）可以在自由市场中进行无摩擦的对等能源交易时，微电网 _ 最能发挥作用。 然后，市场力量将努力建立一个当地能源市场，在这个市场中，当地的供求将导致能源价格波动。 这种价格波动将激励智能能源解决方案，例如能源储存、需求侧管理或灵活的能源生产。 在大多数欧盟国家，由于法规，目前不可能建立自由的当地市场；通过电表的每千瓦时都必须缴纳税费，消费者的电价是固定的，不允许公司在没有第三方干预的情况下参与能源市场方称为 _聚合器 _。 随着微电网项目的发展预计将有所增加，监管者必须找到方法促进当地能源市场，以便充分发挥高度一体化微电网的潜力（见例 15.2）。

   ** 示例 15.2**

   荷兰监管框架内最近取得的进展是实验性法律，允许少数精心挑选的项目（例如 de Ceuvel，例 Z.1）允许能源合作社成为自己的分销系统运营商，就好像它们在一米长的连接后面一样 这项法律表明荷兰监管机构意识到前面提到的法律障碍，因此很可能导致在不久的将来修订现行电力法，以便更好地适应微电网的发展。

   在大多数欧盟国家，在再利用经处理的黑水进行鱼类和植物生产方面也存在一些法律障碍，因为必须确保完全消除人类病原体。 关于水产学法律框架的更多信息可参阅 第 20 章。

7. 15.7 结论

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   这项研究的目的是量化一体化微电网可以提供的灵活性和自给自足程度。 为了得到这个答案，一个 50 个家庭的居民区被认为是 “Smarthood”，其中有一个分离的多环水生设施，能够为 Smarthood 的所有 100 名居民提供鱼类和蔬菜。

   结果是有希望的：由于高热质量、灵活的泵和自适应照明的结果，水泵系统具有高度的灵活性，整体自给自足程度达到 95.38%，使其几乎完全自给自足和电网独立。 水上乐器系统负责 38.3% 的功耗和 51.4% 的热量消耗，因此水生设施对整个系统能源平衡的影响非常高。

   早期的研究（德格拉夫 2018）表明，如果不依赖外部生物量来源驱动卫生防护中心，很难达到 60% 以上的自我消费水平。 即使把这一来源包括在内，技术经济上可行的最大自我消费也不超过 89%。 在 Smarthood 中，热电联产中心的生物量投入部分来自水生系统本身，以及灰水和黑水的回收。 较高的自我消费，加上对外部生物量投入的依赖程度较低，自我消费量达到 95%，使得拟议的水生微电网从自给自足的角度来看，性能优于作者所知的任何其他可再生微电网。

   因此，本章的作者强烈认为，经过充分的实验，将水生温室系统纳入微电网，可产生在地方一级创建高度自给自足的食品 — 水 — 能源系统的巨大潜力。