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本研究通过计算流体动力学模型评估农光互补系统对风速的调控效果，对比分析60度固定倾斜（LFR）、可调0-90度跟踪及自然树风break三种方案。结果表明：LFR设计在35m/s入射风下，86%的受风区域风速降至危害阈值以下，显著优于其他配置，验证了垂直风向下农光互补系统的风阻效应，为优化作物防护提供依据。
亨利·J·威廉姆斯 | 卡莱德·哈沙德 | K·马克斯·张
康奈尔大学机械与航空航天工程学院，伊萨卡，纽约州14853，美国
摘要
本研究评估了利用农光互补（AV）系统保护作物免受风害的好处和缺点。开发了一个计算流体动力学（CFD）模型来模拟AV系统中的气流，并提出了一种新的空气动力学AV设计，该设计将第一排（LFR）的太阳能板倾斜角度设置为60°（AV LFR）。将单轴AV跟踪设计（可调节0°至90°的面板倾斜角度，AV 0°至90°）与AV LFR和自然树篱进行了比较。假设风向垂直于太阳能板排。结果揭示了AV 0°至90°中的特征加速区、避风区和恢复区。在加速区，AV 0°至90°使风速增加了10%至90%，而AV LFR使风速降低了30%，自然树篱使风速降低了10%。在入口风速为35 m/s的情况下，AV LFR在86%的避风区内将风速降低到对作物和土壤无害的水平。在相同条件下，AV 90°在避风区内提供了70%的保护，而自然树篱则没有提供保护。在本研究中，只有AV LFR在入口风速为35 m/s的情况下，在90%的避风区内实现了50%的风速降低。这些结果表明，当风向垂直于太阳能板排时，AV系统可以提供对有害风速的保护。
引言
农光互补（AV）解决方案旨在减少农业与太阳能光伏（PV）之间的土地使用冲突（Dupraz等人，2011年）。与传统农业和太阳能PV系统相比，AV可以为作物和太阳能带来多种好处。这些好处包括在干旱地区为作物提供太阳能板遮荫（Barron-Gafford等人，2019年）、在极端降水条件下保护作物（Elamri等人，2018年）以及利用下层植被为太阳能板降温（Williams等人，2023年）。然而，AV也可能会带来一些缺点，例如太阳能板下方的辐射减少（Williams等人，2025年）和在某些情况下作物产量下降（Weselek等人，2021年）。此外，由于太阳能板下方蒸发蒸腾作用减少以及滴水边缘降雨分布不均，AV系统还可能导致过度湿润和高径流（Bajehbaj等人，2024年）。成功实施AV需要全面了解这些好处和缺点，并制定明智的行动计划以尽量减少缺点并最大化好处。太阳能PV微气候通过改变周围区域的热流体环境来影响这些好处和缺点（Omer等人，2025年）。因此，了解太阳能PV微气候对于制定明智的行动计划以最大化AV系统的好处并减少缺点至关重要。现有的文献主要集中在太阳能PV对土壤（Adeh等人，2018年）、水（Barnard等人，2017年）、辐射（Wang等人，2022年；Williams等人，2025年）和温度（Glick等人，2020年）的影响上，但很少涉及太阳能设施内的气流。
在环境和陆地应用中，如城市微气候（Antoniou等人，2019年）、农业防风林（Guo等人，2021年）和路边基础设施（Hashad等人，2024年）等方面已经投入了大量努力来研究气流。专注于太阳能PV气流分析的研究通常使用计算流体动力学（CFD）来分析流体环境。例如，CFD已被用于评估太阳能支架设计和面板方向对流体流动的影响（Glick等人，2020年），并证明风可以为太阳能板提供对流冷却（Smith等人，2022年）。CFD还用于AV应用中，证明垂直支架结构可以降低整体风速，从而减少蒸发蒸腾（Zainali等人，2023年）。进一步的CFD研究表明，在某些情况下，垂直AV系统可以将风速降低多达88%（Honningdalsnes等人，2025年）。与风障相关的研究还利用CFD研究了太阳能板设计参数对极地气候下积雪的影响（Frimannslund等人，2022年）。然而，目前对太阳能PV设计对太阳能板下方气流影响的理解仍然不足。这对于AV系统来说是一个关键的知识空白，因为风对土壤健康和作物生长有重大影响（Fryrear，1995年；Gardiner等人，2016年）。因此，量化太阳能板下方的气流条件对于了解AV系统中土壤和作物的好处和缺点是必要的。
风根据风速、风持续时间、作物种类、作物生长阶段、土壤条件和土壤覆盖情况对土壤和作物造成不同程度的损害（Cleugh等人，1998年；Genis等人，2013年）。在美国，农业部门每年因风蚀造成的损失估计超过90亿美元（Feng等人，2025年）。表1总结了不同风速范围对土壤和作物的损害效应。所报告的数值将用于指导第2.2节中描述的风速情景。这些损害效应可以通过密集的树木或灌木（称为防风林或遮风带）来减轻（Caborn，1965年）。防风林在农业中广泛用于减轻土壤侵蚀、保护作物和改善微气候条件（Mume，2021年）。防风林还可以通过减少有害颗粒物的下风影响来造福人类（Chang等人，2019年）。CFD是一种有用的工具，可用于研究各种防风林设计的效果，并优化参数，如防风林的高度和间距（Bitog等人，2012年；Mahgoub & Ghani，2021年）。防风林的表现可以通过风速降低和遮风距离来衡量，其有效性高度依赖于结构参数，如高度、孔隙率和方向（Baker等人，2018年；Chang等人，2021年）。研究表明，防风林在遮风区内可使小麦产量增加5%至25%，通常在防风林高度的5至10倍范围内效果最为显著（Helmers & Brandle，2005年）。设计良好的防风林可以将土壤流失减少多达20%，并将牧场生产力提高多达20%（Sudmeyer & Flugge，2005年）。然而，在某些情况下，由于土地使用冲突和资源竞争等因素，防风林的采用受到限制（Godsey等人，2009年；Sudmeyer & Flugge，2005年）。即使已经建立，防风林有时也会因为状况不佳、老化或与农业实践冲突而被移除（Smith等人，2021年）。
与由树木或灌木组成的自然防风林相比，太阳能板可以在不产生作物与自然防风林之间资源竞争的缺点的情况下提供降低风速的好处。在水平单轴跟踪（HSAT）系统中，可以通过调整面板倾斜角度来动态控制风速，其中太阳能板围绕每排太阳能板的轴线从东向西旋转（Afanasyeva等人，2018年）。自然防风林可以通过修剪来控制风速，但它们通常不具备动态性。因此，AV系统中的动态面板倾斜为更优化的风速控制提供了机会。当需要降低风速时，可以倾斜太阳能板以阻挡气流；当风速无害或需要通风时，可以倾斜太阳能板以允许气流通过设施。在美国东北部等气候条件下，这种做法是有益的，因为在这种条件下需要通风以减少霉菌造成的作物损失（Wolfe等人，2018年）。美国东北部的主要风向是东西向，这与HSAT面板排垂直对齐（Ward，1916年）。本研究提出的好处仅限于风向与太阳能板排之间的垂直角度。
本研究使用CFD模型研究了不同太阳能板排列和风速范围内的AV防风林，模拟了太阳能板下方的气流。结果提供了关于AV防风林性能的见解，识别了由太阳能板排创建的特征性风改区域。将AV防风林与模拟的自然树篱进行比较，以展示AV防风林的好处和缺点。通过这种方式，本研究为现有的AV微气候文献做出了贡献，量化了通过AV设施的气流的好处和缺点，并制定了明智的行动计划，以尽量减少缺点并最大化太阳能板下方作物和土壤的好处。成功实施推荐的策略可以在世界各地的各种环境条件下开启新的AV应用机会。
部分摘录
控制方程
本研究基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程使用ANSYS Fluent开发了一个三维（3D）CFD模型。模拟使用了双插槽Intel Xeon E5-2660 v4 CPU进行。每次模拟使用了30个任务，并分配了100 GB的内存。以下部分描述了模型开发过程。在微气候模拟中解决了连续性和动量方程。对于湍流建模，连续性和时间平均不可压缩RANS方程表示为：
模型评估
模型评估使用了来自日本出云地区Tsuijimatsu防风林的现场实验数据（Kurotani，2002年）。这个评估数据集在风障文献中常用于评估CFD模型的性能（Jian等人，2018年；J. Wang等人，2025年；Wang等人，2024年）。图4显示了在CFD模拟中复制的现场实验设置。Tsuijimatsu是一排密集的日本黑松树，通常作为视觉屏障种植。实验数据已收集完毕。
结论
本研究提出了农光互补（AV）防风林的概念，并评估了各种AV防风林配置与自然树篱的有效性。开发了一个计算流体动力学（CFD）模型来模拟太阳能板下方的气流，结果揭示了AV防风林的三个特征区域：加速区、避风区和恢复区。加速区对AV防风林来说是一个挑战，因为气流
CRediT作者贡献声明
亨利·J·威廉姆斯：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、概念化。卡莱德·哈沙德：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。K·马克斯·张：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、调查、概念化。
