《Agricultural Systems》：Spaced out: An economic framework to explore the impacts of PV panel spacing on large-scale farming in Colorado
编辑推荐：
为解决光伏发电与农业争地、以及传统抬高式光伏农业系统（Agrivoltaics）成本高昂的问题，研究人员开展了一项关于通过增加光伏板行间距（降低GCR）来集成大规模机械化作物生产的研究。该研究建立了经济可行性分析框架，并以科罗拉多州为例，发现当特定作物实现约200美元/英亩的农业利润时，扩大行间距至31.7英尺的农光系统经济性优于纯光伏配置。这为在非土地受限地区规模化部署农光系统提供了低成本新路径。
随着全球能源转型的加速，光伏（PV）太阳能项目正以前所未有的速度扩张。仅在美国，2024年预计新增光伏装机容量就高达36.4吉瓦（GW），这需要占用大量土地，估计达17.2万英亩。太阳能开发商常常青睐农田，因为那里阳光充足、地势平坦且靠近电网，开发成本较低。然而，将宝贵的农田从粮食生产转为能源生产，引发了社区的强烈反对和对粮食安全的担忧。
在这一背景下，“光伏农业”（Agrivoltaics）应运而生，它旨在同一块土地上实现太阳能发电与农业生产的协同共生，有望“鱼与熊掌兼得”。然而，理想很丰满，现实很骨感。当前美国大型（>5兆瓦）光伏农业项目大多仅限于放牧或生态光伏（Ecovoltaics，如为传粉昆虫提供栖息地），与大规模作物生产的结合寥寥无几。一个核心的“拦路虎”是成本。为了让农业机械和人员能在光伏板下通行，并防止作物遮挡光伏板影响发电，常见的解决方案是将光伏板抬高安装（例如高于8英尺）。但这需要更坚固的支撑结构，导致光伏系统的开发成本激增，据估计可能比传统公用事业规模光伏设计高出30%至40%。在高度市场化的美国光伏行业，即使微小的成本增加也可能让一个项目无利可图。由于光伏发电的收益通常远高于大规模粮食作物种植的收益，这导致现有的光伏农业设计往往优先保障光伏生产，而非农业生产。
那么，有没有一种既能兼容大规模机械化农业，又不需要大幅抬高光伏板、从而控制成本的技术路径呢？美国落基山国家实验室（National Laboratory of the Rockies）的研究团队将目光投向了另一个设计变量——光伏板的行间距。他们提出，与其费力地“向上”发展（抬高板子），不如巧妙地“向外”拓展（增加行距）。通过增加光伏板行与行之间的间距，为大型农业机械留出足够的通行和作业空间，这或许是一种低成本的规模化光伏农业解决方案。当然，增加行距会降低单位面积的土地装机容量（即功率密度），但在土地资源不那么紧张的地区，这种设计在经济上或许是可行的。为了验证这一设想，研究团队以美国科罗拉多州的大型农业为案例，进行了一项深入的经济可行性分析，相关成果发表在《Agricultural Systems》期刊上。
为了系统评估不同行间距设计对光伏农业系统经济性的影响，研究人员采用了几个关键的技术方法。首先，他们利用美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的系统顾问模型（System Advisor Model， SAM）进行技术经济分析。该软件能够精确模拟不同光伏配置（包括行间距、双面性等）下的发电量，并进行详细的折现现金流（DCF）分析，计算净现值（NPV）、平准化度电成本（LCOE）等核心财务指标。其次，研究建立了一个“设备限制的产量折减”计算框架。他们根据洋葱、马铃薯、甜菜和冬小麦这四种科罗拉多州主要作物的特定农业机械作业宽度，计算出在不同光伏行间距下，田间可实际进行机械化耕作的面积比例，从而将露天种植的作物利润折算到光伏农业配置中。最后，研究还考虑了光伏资本性支出（CAPEX）随系统规模变化的规模经济效应，并分析了不同电力采购协议（PPA）价格和作物利润水平下的项目盈利能力，进行了广泛的地理位置（科罗拉多州各县）、农场规模和资本成本敏感性分析。
研究结果
3.1. 发电量、LCOE与行间距
研究发现，随着行间距增加，光伏系统的单位容量发电量（kWhdc/kWdc）会因减少自身遮挡和增加双面增益而上升。然而，平准化度电成本（LCOE）并未持续下降。最低的LCOE出现在行间距为21.7英尺和26.7英尺的配置，但这些间距过于狭窄，无法容纳任何农业机械作业。首个能够容纳洋葱和马铃薯机械作业的间距是31.7英尺，其LCOE仅比最低LCOE配置高出0.01美分/kWh，显示出在成本增加不大的情况下实现农光结合的可能性。
3.2. 盈利性与盈亏平衡值
通过模拟不同PPA价格和露天作物利润下的净现值（NPV），研究绘制了盈亏平衡热图。分析表明，对于31.7英尺行间距的配置，在作物利润为零的情况下，项目盈亏平衡所需的PPA价格约为0.051美元/kWh，这处于科罗拉多州2021-2023年实际光伏市场价格范围内。作物收益对盈亏平衡PPA价格的影响相对较小，变动幅度约为±5%，这再次印证了光伏收益在项目经济性中占据主导地位。然而，当作物利润达到一定水平时，扩大行间距的农光系统经济性会超过纯光伏系统。例如，对于洋葱，当露天作物利润达到约200美元/英亩时，31.7英尺间距的农光配置其盈亏平衡PPA价格开始低于纯光伏配置。马铃薯、甜菜和冬小麦也分别在250美元/英亩左右的利润水平下，于各自所需的最小间距配置（41.7英尺、71.7英尺、61.7英尺）上显示出经济优势。
3.3. 决策情景
研究还比较了单独农业经营的净现值与农光结合的净现值。以洋葱为例，其露天种植利润为322美元/英亩，25年农业经营的净现值约为63.4万美元。要使31.7英尺间距的农光系统达到同等净现值，所需的PPA价格约为0.0665美元/kWh。这表明，尽管价格要求更高，但仍处于市场可行范围内，为农光项目提供了与传统农业收益竞争的可能性。
3.4. 对资本性支出的敏感性
在固定PPA价格为0.051美元/kWh的情况下，分析显示，纯光伏配置对资本成本（CAPEX）的上升极其敏感，CAPEX仅需上升0.7%就可能使项目无利可图。相比之下，能够进行农业生产的较宽行间距配置（如31.7英尺）对CAPEX增加的容忍度更高，可达3.6%至8.8%。这意味着，在光伏安装成本较高的地区，扩大行间距、依靠部分作物收益来弥补成本上升的策略可能更具经济吸引力。
3.5. 对农场规模的敏感性
农场规模的变化主要影响光伏阵列的规模，进而通过规模经济影响CAPEX。对于一个固定PPA价格，较小的农场（如80英亩）由于系统规模小、CAPEX高，可能无法盈利；而较大的农场（如640英亩）则能利用更低的单位成本获得显著的正净现值。
3.6. 地理敏感性
在科罗拉多州各县的模拟显示，项目盈利性存在显著的地理差异，这主要受太阳能辐照资源影响。一般而言，南部郡县因日照更充足，系统经济性更好。
结论与讨论
这项研究的核心结论是，在特定条件下，通过扩大光伏板行间距来容纳机械化作物生产的农光系统，其经济性可以超越传统的纯公用事业规模光伏系统。研究为评估行间距优化的农光系统提供了一个可扩展的经济分析框架。研究发现，增加行间距对作物盈利性的影响是非线性的，每种作物都有几个基于其设备宽度的“理想行间距”。在土地成本和可获得性不是限制因素的地区，调整地面覆盖率（GCR）可以成为一种可行的规模化光伏农业解决方案。
研究的意义在于，它提出并验证了一条不同于主流“抬高式”光伏农业的技术路径，为在更广阔的非土地受限区域（特别是大规模机械化农业区）部署光伏农业提供了低成本、易实施的新思路。这有助于缓解光伏发展与农业争地的矛盾，提高社区对光伏项目的接受度，并可能为农民提供除土地租赁费以外的额外收入来源，增强其收入韧性。
然而，研究也指出了实际部署中可能面临的挑战。例如，光伏与农业在融资模式、保险、税收政策等方面存在结构性差异，需要创新的商业模式和政策设计来协调。此外，更宽的行间距可能会削弱农光系统原有的遮荫、节水等协同效益，使得某些极宽间距的系统可能不再被社区认可为真正的“农光互补”。未来的研究需要结合田间试验，量化不同行间距下作物产量受遮荫影响的具体数据，并将此框架应用到更多作物类型和不同气候区域，以进一步完善和推广这种“间距拓展型”光伏农业设计。
