发展农光互补光伏发电的优势「农业光伏发电」

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太阳能光伏（PV）技术是向低碳能源系统过渡的关键。然而，由于担心可持续性权衡和社会阻力，大规模部署可能会受到阻碍。例如，光伏发电场的部署可能与农业竞争使用同一块土地进行粮食生产，并可能在当地造成土地使用和分配方式的紧张关系。

但是，一种新兴战略称为农业光伏在同一地点将太阳能发电与农业生产相结合。如图1所示，越来越多的研究正在评估农业光伏在提高土地利用效率、气候解决方案、可持续食品和地方经济方面的潜力。不同的农业光伏配置——例如将光伏与农田、牧场或传粉媒介栖息地相结合——可能有助于同时实现可持续能源和粮食目标，同时可能减少当地对光伏部署的反对。本文回顾了最近的一些研究，这些研究揭示了研究人员对农业光伏的无数潜在益处的发现。

图 1.每年发表的相关农业沃尔泰学术论文的数量。资料来源：托莱多等人，2021年。

农业光伏系统被证明可以增加旱地的作物产量，以及其他好处

一个研究Barron-Gafford及其同事将农业光伏系统对食物，能源和水的影响与亚利桑那州的传统农业系统进行了比较。在所研究的植物（辣椒，墨西哥辣椒和樱桃番茄）中，相对于传统环境，农业沃尔塔系统中的水果产量翻了一番。由于植物蒸腾作用对太阳能电池板的冷却作用（图2），电力生产也有了边际改善。与同一地点的常规光伏系统相比，农业光伏系统每年产生的电力增加1%（夏季增加3%）。此外，在农业光伏系统中，二氧化碳吸收和用水效率也都较高（均为65%），作者认为，通过减少由于高温和干旱引起的植物胁迫，这有助于整体生产力。

图 2.图示了正午能量交换的变化，以及从自然系统，太阳能光伏阵列和并置农业光伏系统的转变。a，b，假设来自太阳的能量输入速率相等（破碎的黄色箭头），从植被生态系统（a）到太阳能光伏装置（b）的过渡将显着改变该地区的能量通量动态，因为植被的去除，从而产生潜热通量（蓝色箭头）。这导致更大的显热通量（红色和橙色箭头），从而产生更高的局部温度。c，植被的重新引入，在这种情况下是农业植物，恢复潜热通量，并应减少向大气中释放的显热。还显示了来自光伏电池板的能量再辐射（蓝绿色箭头）和传输到电能（绿色箭头）。箭头大小和丰度对应于效应的大小。资料来源：Barron-Gafford等人，2019年。

农业光伏系统可以支持发展中国家农村社区的经济发展

一个近期研究Choi和合作者试图估计在低收入和中等收入国家的农村社区实施农业光伏的效益。作者选择印度尼西亚作为测试案例，并应用生命周期分析方法来估计不同土地利用情景对温室气体排放，收入和环境共同效益的影响。

基于模型的结果表明，“小型农业光伏系统在某些配置下在经济上是可行的，并且可以潜在地提供共同效益，包括农村电气化，改造柴油发电以及为农产品的当地加工提供电力。作者还指出了太阳能高资本支出的障碍，目前可能很难证明没有增加太阳能补贴或减少化石燃料补贴是合理的。

基于牧场的农业过程也可以通过农业光伏来改善

相对较少的研究探索了农业光伏如何在牧场环境中发挥作用。2021年4月研究文章作者：Andrew 和同事可持续粮食系统前沿进行了一项实验，监测绵羊在农业沃尔塔牧场和传统牧场放牧超过两年。可以预见的是，与阳光明媚的开阔牧场相比，带有太阳能电池板的阴凉地块产生的牧草更少。然而，传统和农业区块的羔羊以几乎相同的速度增加体重。作者发现，由于在阴凉地区提供更高质量的牧草，可以弥补牧草数量的减少，可能还有当绵羊在光伏电池板中漫游时，热应激降低和更有效的觅食行为。所有人都说，两种处理之间羊羔生产的可比结果表明，在农业沃尔泰牧场系统中，提高土地利用效率的机会。

一、相关研究探索了将传统动物饲养业务和传统光伏农场转变为整合光伏的牧场安排的机会。在更清洁和负责任的消费，Pascaris及其同事使用对兔子和电力生产的不同场景的生命周期分析来探索这种潜力（如图3所示）。在比较传统光伏农场用于割草和为传统兔子农场提供加工饲料的能量排放时，作者估计通过转换为农业光伏配置可以大幅减少排放。在agrigvoltaic场景中，兔子以天然草为食，消除了对额外原料或割草作业的需求，从而产生了可观的减排收益。

图 3.农业光伏集成系统，单独的兔子养殖和光伏生产以及单独的兔子养殖和常规能源生产之间的温室气体（GHG）排放和化石能源需求的比较。温室气体排放和化石能源需求被细分为太阳能系统，住房系统（包括照明，供暖和水），使用阶段（传统的兔子喂养和光伏阵列的营养维护 - 估计每年两次割草和六次除草剂应用）和电力。资料来源：Pascaris等人，2021年。

农业光伏系统可以恢复授粉媒介栖息地

相对于作物PV或牧场PV，迄今为止美国最广泛部署的两用PV形式被称为“传粉媒介友好型PV”。这种类型的农业光伏战略在传粉媒介栖息地的顶部安装太阳能电池阵列，根据国家可再生能源实验室（NREL）是已经用于超过1千兆瓦的美国光伏装置。一个实地考察格雷厄姆及其同事今年早些时候发表在自然科学报告比较了在俄勒冈州西南部鹰角太阳能发电厂的太阳能电池阵列下的全阴影地块和全日照（对照）地块之间觅食传粉媒介的组成和行为（图4）。尽管面板正下方的完全阴影区域吸引了更少的授粉昆虫，但研究人员在整个生长季节的某些时候观察到，相对于全日照地块，部分阴影地块中的昆虫类型和数量更多。虽然观察到传粉媒介在每个处理区域之间以相当的速度访问植物，但部分阴影地块中的一些植物后来开花，作者认为这可能使晚季传粉者受益。

图 4.照片（c）显示了本研究中使用的全遮阳（约5%全日照）和部分遮阳（约75%全日照）图的侧视图。照片（d）显示了黄色的对照全太阳图，绿色的部分阴影和绿松石色的全阴影。资料来源：格雷厄姆等人，2021年。请注意，太阳能电池阵列由单晶太阳能电池板组成，这些太阳能电池板通常具有最高的效率和功率容量。其他类型的太阳能电池板可以允许更多的阳光穿过它们，从而增加它们下面的阳光可用性。最后要注意的是，在太阳能开发之前，该场地用于放牧牛群，这是农业与公用事业规模太阳能光伏之间土地利用紧张关系的一个经验例子。

农业光伏系统可能改善公众对太阳能光伏发展的支持

2021年5月预印Pascaris及其同事在SocArXiv（尚未接受同行评审的社会科学研究的开放档案）上报告了对德克萨斯州拉伯克县和密歇根州霍顿县近200名受访者的调查。尽管这些受访者中的大多数已经对太阳能部署表示了积极的态度（72%），但略高的比例（81%）表示他们会持平。更多支持当地的太阳能装置，如果它们与农业生产相结合。虽然结果表明，农业光伏提案可以进一步减少当地的反对意见，但他们也跟踪了在审议太阳能项目时对社区很重要的考虑因素 - 即拟议的农业光伏项目需要考虑当地的担忧，例如该项目如何为农民提供经济利益，经济利益分配方式的公平性， 任何新设施选址的细节，以及与当地利益的整体一致性。

结论

我们可以从这些最近的研究中学到什么？至少，每一项都展示了农业光伏公司在不牺牲能源或粮食生产的情况下提高土地利用效率的能力。此外，许多农业光伏配置似乎甚至可以提高食品和能源产量，同时减少将每项活动作为独立活动进行对环境的影响。

虽然这一研究领域仍在推进，但这些特定研究的结果可以帮助为农业光伏的新兴应用提供最佳设计和标准。迄今为止，在促进农业光伏部署方面，对最佳做法实施的支持和指导很少，更不用说政策了。然而，如果目前的研究信号站得住脚，农业光伏可以帮助低碳能源与其他可持续发展目标协同，而不是竞争。 编译 陈讲运