《Frontiers in Horticulture》：Optimizing agrivoltaic systems for global sustainability: a structural and wind dynamics approach to resilience and performance
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本综述系统阐述了农业光伏（Agrivoltaics, AV）这一创新模式，它通过在同一土地上协同生产粮食与能源（光伏，PV），有效应对气候变化、能源需求与粮食安全等全球挑战。文章重点分析了AV在提升土地生产率（土地当量比，LER>1）、调节微气候（如降温3-5°C）、节约水资源（作物耗水减少高达50%）以及带来显著经济效益（农场价值提升超30%）等多重效益，同时深入探讨了其面临的高成本、技术复杂性、结构风荷载评估（需采用开放射流测试、计算流体动力学CFD等先进方法）及政策法规等关键挑战，为构建更具可持续性和韧性的农业与能源部门指明了未来研究方向。
1 引言
21世纪面临着气候变化、能源需求激增和粮食安全等全球性危机的交织挑战，这加剧了有限土地资源的竞争。农业光伏（Agrivoltaics, AV），亦称农业光伏（Agrophotovoltaics, APV）或太阳能共享，作为一种高度创新的混合技术应运而生。该技术将太阳能光伏（PV）发电与农业生产在同一土地上进行整合，从而优化整体土地生产率。这种双用地管理方案为同时满足全球食物和能源需求提供了一个引人注目的可持续解决方案。其基本概念最早由Goetzberger和Zastrow在20世纪80年代初提出，他们深入探讨了太阳能转换与植物栽培的共存问题。
2 农业光伏系统：概念与分类
农业光伏的核心概念在于其通过促进能源生产和作物种植之间的协同效益，显著优化整体土地生产率。其主要目标是最大化这些有益协同效应，从而增强粮食-能源-水纽带的韧性，并最大限度地减少对土地资源的竞争。这种整体土地生产率的最大化通常通过土地当量比（Land Equivalent Ratio, LER）来量化。LER值大于1表明土地利用率更高，意味着在同一块土地上获得了比单独管理这些系统更高的总产出（包括能源和农业产量）。
农业光伏的物理实施体现在几种不同的配置上。常见的方案包括间距足够大以允许作物种植的地面安装光伏组件，以及旨在确保标准农业机械和活动能在其下方无障碍通行的抬高支架式阵列。另一种重要配置是温室集成光伏组件，将太阳能结构直接融入温室屋顶，从而能够精确控制对优化受控环境中作物生长至关重要的内部微气候。鉴于全球农业光伏装置的多样性和复杂性日益增长，迫切需要一种标准化的分类系统，以便对不同地理区域和农业实践中的现有装置及其性能进行有效比较和基准测试。
3 农业光伏的效益与协同作用
农业光伏系统在能源、农业、环境和经济领域带来显著效益，这源于将太阳能光伏发电与农业种植协同定位的固有协同效应。
3.1 能源生产与性能
农业光伏系统通过抵消对化石燃料的依赖并减少相关的二氧化碳（CO2）排放，显著促进了可再生能源生产并直接有助于碳减排。农业光伏的一个关键协同效益是提高了光伏组件的效率。作物的存在通过蒸腾作用和遮荫产生冷却效应，这可以提高光伏组件效率，并在炎热气候下带来更高的发电量。
除了发电，农业光伏还为加强能源管理和电网支持提供了机会。潜在的解决方案包括电池存储、将电力转化为氢和无水氨等可再生燃料，或利用其进行海水淡化技术以生产淡水，从而在系统内培育真正的循环经济。
3.2 农业生产力与微气候调节
农业光伏系统中光伏板的存在从根本上改变了其下方的微气候，为作物生长和整体农业韧性带来一系列直接和间接的优势，特别是在干旱或炎热地区。这些系统日益被认为能够通过有效调节极端高温和水资源短缺等环境压力因素来培养农业实践的韧性。
农业光伏系统对热条件产生显著影响。光伏板提供的战略性遮荫有效降低了炎热时期的最高气温和土壤温度，为在旱地或经历热胁迫的温带气候下种植的作物提供了显著优势。相反，光伏板也有助于提高夜间温度，这通过帮助保护植被在敏感的开花期免受霜冻损害和冰晶形成提供了关键益处。此外，作物蒸腾作用为光伏组件提供了冷却效应，这种互惠关系是农业光伏设计的核心优势。
除了热调节，AV系统还显著增强了水资源管理和土壤健康。光伏板降低了蒸散速率，通过减少直接太阳辐射和降低气温导致土壤水分保持增加。AV装置的结构还有助于降低风速，减轻土壤侵蚀和径流，进一步优化用水。
光照环境，特别是到达作物的光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR），在AV系统中得到精细管理。虽然光伏板 inherently 会减少入射PAR，但系统设计可以精确优化，以平衡能源生产与特定作物的光照需求。重要的是，光伏板的部分遮荫可以增加漫射光的比例，这通常比直射阳光更有利于植物光合作用。光伏技术的进步，如半透明和波长选择性组件，为光谱调谐提供了新的机会。
除了微气候调节，AV系统还为作物和牲畜提供直接物理保护。光伏板可以保护作物免受冰雹、强风和过度太阳辐射等不利极端天气事件的影响，这显著减少了物理损害并提高了作物质量和市场性。对于牲畜，光伏板的遮荫提供了关键的热舒适性，减少了放牧动物（如奶牛）的热应激。
3.3 经济优势
农业光伏系统表现出强大的经济可行性，主要是为农民提供了多样化和可观的收入来源。太阳能发电与耐荫作物生产的协同结合可以使农场的经济价值比传统单一作物农业提高30%以上。农业光伏的内在经济可行性在于其能够建立来自作物销售和发电的双重收入流。这显著提高了整体农场盈利能力，并建立了抵御市场波动的韧性。
虽然AV系统的初始资本成本可能是一个相当大的障碍（由于更复杂的子结构和高度要求，通常比传统地面安装光伏系统高23.81%至38%），但正在出现创新的成本降低策略。开源架设系统的进步和分布式制造有望显著降低安装费用并提高农民的可及性。
3.4 环境协同效益
农业光伏将其贡献显著扩展到更广泛的环境可持续性，超越了可再生能源发电。通过产生清洁电力，AV系统直接减少了对化石燃料的依赖，从而降低了能源生产中的二氧化碳（CO2）排放。一项引人注目的研究表明，仅地中海地区的农业光伏系统每年就可减少约400万公吨的CO2排放，凸显了其巨大的气候减缓潜力。
除了气候减缓，AV系统为土壤健康和生物多样性带来了深远的益处。这是通过AV装置下观察到的增强的土壤水分保持和减少的土壤侵蚀来实现的，这直接有助于更健康的土壤生态系统。光伏板提供的遮荫创造了有利于强大土壤微生物活动的微气候，这对于有效的养分循环和长期碳固存至关重要。此外，农业光伏装置通过为各种物种提供遮荫栖息地以及在用本地植被或传粉媒介友好型植物管理时支持传粉媒介种群，积极促进生物多样性。
4 挑战与考量
尽管有诸多好处，农业光伏系统的广泛采用仍面临一些技术、社会政治和监管方面的挑战。
4.1 技术挑战
虽然许多作物在部分遮荫下生长良好，但过度遮荫会对光合作用和植物生长产生负面影响。研究表明，水稻产量与太阳辐射高度相关，尤其是在生殖和成熟期。确定光伏组件的最佳密度、高度、倾角和间距对于平衡发电与作物生长至关重要。现代农业机械产生的灰尘和污垢会降低光伏组件的功率输出，因此需要定期清洁或使用自清洁玻璃表面以保持最佳发电输出。作物特异性也是一个因素，因为并非所有作物都同样适合农业光伏应用。
4.2 结构完整性与风荷载
农业光伏系统在带来诸多好处的同时，也带来了重大的结构工程挑战，特别是关于其对高强度风荷载的韧性。抬高的太阳能阵列对高度湍流和阵风的脆弱性需要稳健的设计以防止结构失效。准确估计这些设计风荷载对于平衡太阳能电池板的可持续性与韧性至关重要。广泛部署的一个显著障碍是目前缺乏用于评估太阳能电池板结构（尤其是AV系统中独特配置）上的风荷载的全面指导或规范标准。
传统的风洞测试虽然具有基础性，但在复现现实世界大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）流动的复杂湍流特性方面常常存在显著局限性。这些传统的壁约束风洞通常产生的湍流积分长度尺度远小于全尺度条件下观察到的尺度，导致预测的空气动力荷载存在差异，并低估了峰值压力。为了克服这些分析缺陷并更好地捕捉扭转颤振等动态风效应，必须采用开放射流测试和复杂的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟等先进方法。这些先进技术能够生成更真实的大气湍流，并允许准确预测峰值风荷载，为稳健的结构设计提供关键见解。此外，三秒峰值荷载分析方法在不同尺度和研究方法中显示出至关重要的一致性，为AV系统的标准化、规范化结构设计建立了可靠基础。
4.3 社会政治与监管障碍
农业光伏的发展常常与当地土地用途政策发生冲突，并可能面临担心农用地转换的社区的阻力。公众舆论起着重要作用，当农村社区认为可再生能源项目强加了“农村负担”而没有公平分配利益时，会出现能源公正问题。AV系统对景观的视觉影响也会影响公众偏好。现有美国法律框架在国家层面显示在太阳能支持与农用地使用方面没有重大冲突，但州和地方政府在塑造农业光伏扩散的社会政治背景方面至关重要。成功开发和运营农业光伏系统需要农民、研究人员、太阳能开发商和地方政府当局等不同利益相关者之间的协调。太阳能电池板部署的增加引起了对其使用寿命结束时废物管理和回收的担忧。
4.4 经济障碍
最主要的障碍之一是AV系统的高初始成本，由于更复杂的子结构和增加的高度要求，可比传统地面安装光伏系统高出38%甚至23.81%。为克服这一点，需要大量的政策支持，例如专门为农业光伏设计的上网电价补贴（Feed-in Tariffs, FITs）。
5 案例研究与区域应用
农业光伏研究和实施在全球范围内势头强劲，各个地区都取得了显著进展。日本积极探索了农业光伏，特别是水稻生产。美国凤凰城大都市统计区已被确定为实现农业光伏发展的主要地点，以满足日益增长的能源需求，同时保护农业用地。德国一直是该领域的领导者，其立法明确定义了农业和光伏发电的结合土地利用，并优先考虑农业活动。韩国政府自2017年起通过其“可再生能源3020”计划推广农业光伏系统。法国和意大利也实施了法规，规定了农业产量维持和农民继续其活动能力的具体要求。农业光伏研究涵盖了不同的地理区域和农产品。
6 未来展望与研究缺口
农业光伏研究的快速进展凸显了其巨大潜力，但需要进一步努力以确保其可持续和广泛采用。
未来研究应继续推动AV技术的边界。这包括应用人工智能（Artificial Intelligence, AI）进行动态控制策略，以适应实时太阳辐射强度、作物需求和市场条件，优化能源生产和作物生产力。物联网（Internet of Things, IoT）对于增强AV系统内微气候条件、土壤参数和植物生长的高分辨率监测至关重要，促进数据驱动的决策和精准农业。需要继续探索先进光伏材料，以进一步优化光谱选择性和透明度，满足不同作物需求，并提高整体系统效率。
现有研究主要集中于有限范围的作物。迫切需要对更多种类的作物进行研究，以更好地了解它们对变化遮荫条件和定制光光谱的具体生理反应。此外，需要更多的商业规模整合研究。开发更复杂的模拟模型，准确预测光伏系统、微气候和不同作物响应之间的复杂相互作用至关重要。这些模型应使用从更广泛地理和气候带收集的大量现场数据进行验证。还需要农业光伏设施的开放获取全球数据库，以促进研究人员和利益相关者之间的数据共享和分析。
未来研究还应更深入地探讨农业光伏的社会经济影响。政策研究应侧重于制定灵活和支持性的政策工具、激励措施和法律框架，以鼓励AV的采用，同时保障农业生产力和确保当地社区的公平利益。最终，需要结合能源和保护政策的多学科战略，以确保可再生能源为气候和生物多样性做出贡献，共创可持续未来。
7 结论
农业光伏作为一种极其高效和创新的混合技术脱颖而出，具有独特的定位，能够同时应对日益增长的全球食物和能源需求，并缓解关键的土地利用冲突和气候变化影响。本综述强调了其变革潜力，阐明了这些系统如何显著优化土地生产率并显著增强农业韧性。通过有效调节微气候和节约水资源，AV系统提供了关键的环境效益。此外，它们为农民带来了显著的经济优势，使收入来源多样化并提高了盈利能力，反映了科学界日益增长的兴趣和对农业光伏作为一种多层面可持续解决方案的广泛认可。尽管有这些引人注目的优势，农业光伏的广泛采用仍面临相当大的障碍。初始资本成本与传统光伏系统相比仍然是一个重大障碍。技术复杂性包括优化遮荫率和管理能源与农业产量之间的权衡，以及需要改进光伏组件污染问题的解决方案。此外，随着报废组件数量的迅速增加，为太阳能电池板建立强大的废物管理和回收框架存在关键挑战。社会政治和监管问题，如土地利用冲突、公众接受度以及目前缺乏用于评估风荷载的全面且一致的规范化标准——现有标准可能低估或高估荷载达数百个百分点——也阻碍了进展。
为了充分发挥农业光伏的变革潜力，协调一致的跨学科研究和政策创新至关重要。未来的努力必须整合人工智能和物联网等先进技术，用于动态控制、实时监测和预测建模。这需要在不同的地理和气候带扩展改进的建模工具并建立全面的开放获取数据库。至关重要的是，迫切需要对更多种类的农产品进行广泛的作物特异性研究，并结合商业规模的整合研究，优化水资源以外的资源利用。政策进步必须侧重于制定灵活、支持性的激励措施和明确的法律框架，以鼓励采用，同时保障农业生产力，确保当地社区的公平利益，并为光伏组件建立强大的报废管理策略。通过促进不同利益相关者之间的合作并实施量身定制的整体方法，农业光伏可以在全球范围内建立更具韧性、可持续性和经济可行性的农业和能源部门方面发挥关键作用。
