地中海地区农光互补温室中半透明单晶硅与碲化镉光伏技术对番茄栽培的对比评估

《Smart Agricultural Technology》：Comparative Evaluation of Semi-Transparent Monocrystalline Silicon and Cadmium Telluride Photovoltaics for Tomato Cultivation in Mediterranean Agrivoltaic Greenhouses

本研究针对地中海地区干旱半干旱环境下番茄栽培的光照需求与能源供给矛盾，系统比较了单晶硅（PV-Si）与碲化镉薄膜（PV-TF）两种半透明光伏技术在农光互补温室中的应用效果。研究发现PV-Si组通过棋盘式布局在维持作物光合有效辐射（PAR）和调控微环境方面表现优异，冬季果实均重较对照组提升25%，且总发电量达726.8kWh，显著优于PV-TF系统，为高光照需求作物的农光系统设计提供了关键技术依据。

　　

在地中海沿岸的干旱半干旱地区，温室番茄种植面临着双重挑战：一方面番茄作为高光照需求作物（日累积光量DLI>30 mol·m^-2·d^-1），需要充足的光合有效辐射（PAR）；另一方面，传统温室的高能耗与土地资源紧张矛盾日益突出。农光互补（Agrivoltaic, AV）系统通过将光伏（PV）技术与农业生产结合，为实现"棚顶发电、棚内种植"提供了新思路。然而，光伏组件的遮荫效应可能影响作物光合作用，如何平衡发电效率与农作物产量成为关键科学问题。

为破解这一难题，由Virginia Hernández领衔的研究团队在《Smart Agricultural Technology》发表最新成果，通过对比两种商用半透明光伏技术——单晶硅（PV-Si）和碲化镉薄膜（PV-TF）在番茄栽培中的应用效果，揭示了不同光伏配置对温室微环境调控和作物生长的差异化影响。研究团队在西班牙穆尔西亚的IMIDA研究所构建了四类实验温室：对照组（C）、遮阳网组（SC）以及两种光伏温室（PV-Si和PV-TF），在冬春（12月-4月）和春夏（4月-7月）两个生长周期中系统监测了光热环境参数与作物响应。

关键技术方法包括：1）采用高精度传感器网络监测空气温湿度、土壤墒情、光合有效辐射（PAR）等微环境参数；2）通过日累积光量（DLI）模型量化光能供给；3）利用便携式光合作用测量系统（LI-6800）分析气体交换参数；4）采用标准农学方法测定生物量与果实产量；5）基于逆变器数据采集系统记录光伏发电性能。

3.1 能源性能

PV-Si系统在两个生长周期的总发电量达726.8kWh，显著高于PV-TF系统（488.4kWh）。尽管单位装机容量的发电效率相近（PV-Si:685.7kWh·kWp^-1，PV-TF:678.3kWh·kWp^-1），但立面安装的PV-Si组件贡献了44%的发电量，表现出更好的空间适应性。

3.2 环境参数

PV-Si的棋盘式布局创造了独特的间歇性光照模式，其光合有效辐射时空变异系数达41.6%（空间）和62.3%（时间），显著高于PV-TF的均匀遮荫模式（13.8%和14.3%）。在冬春周期，仅C组和PV-Si组的DLI值维持在作物适宜范围（15-30 mol·m^-2·d^-1）以上，且PV-Si组夜间气温较对照组高1°C，土壤湿度提升48%，形成了更有利的微环境。

3.3 植物发育

PV-Si组在冬春周期的果实均重达74g，较对照组（59g）提升25%，且植株高度（150cm）与叶面积（23cm²）保持最佳平衡。春夏周期中，PV-Si组单株果实数（30个）与对照组持平，但显著优于PV-TF组（23个）。

3.4 植物气体交换参数

上午9时的光合速率测定显示，PV-Si组（13.2μmol CO₂·m^-2·s^-1）与对照组无显著差异，而PV-TF组（8.3μmol CO₂·m^-2·s^-1）出现明显的光合抑制，气孔导度（0.06mol·m^-2·s^-1）仅为PV-Si组的一半。

3.5 产量动态

累积产量曲线显示PV-Si组与对照组始终同步增长，最终产量均突破2000g·株^-1，而PV-TF组在整个生长周期持续滞后，七月末产量差异达显著性水平。

研究结论表明，PV-Si技术通过其独特的非均匀遮荫模式，在维持光能供给（DLI仅降低26-28%）、优化温度调控（延长日均适温时间0.7h）和提升土壤保水性（湿度提高38%）方面具有综合优势。这种"光-热-水"协同调控机制使其在保证发电效益的同时，能有效避免作物的避荫反应，维持光合系统活性。相较于传统遮荫模式，棋盘式光伏布局产生的光斑效应可能通过激发叶片的光合潜能，实现"间歇性强光驱动"的特殊增益效果。

该研究为干旱半干旱地区农光温室的技术选型提供了实证依据，指出40%覆盖率的半透明单晶硅系统可实现单位面积发电量1.06kW·m^-2与番茄产量8.2kg·m^-2的协同提升。未来研究可进一步探索动态可调光伏结构、光谱选择性材料等创新方案，推动农光系统向精准化、智能化方向发展。