综述：干旱气候下的农光互补系统：发展现状、技术趋势以及基于全球数据的技经评估

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Agrivoltaics for arid climates: Developments, technological trends, and global data-driven technoeconomic assessments

　　Dhanup S. Pillai|Sachin Jain|Juan Lopez-Garcia|Abinisha Thiruchuthan|Anas Karaki|Oktoviano Gandhi|Carlos D. Rodriguez-Gallegos|Sertac Bayhan|Veronica Bermudez Benito
卡塔尔环境和能源研究所（QEERI），哈马德·本·哈利法大学（HBKU），卡塔尔
摘要
农光互补（APV）作为一种有前景的土地利用策略，已被提出用于解决干旱和半干旱地区面临的紧迫的粮食-能源-水（FEW）安全挑战，这些地区也是全球太阳能增长最快的市场。本综述通过综合来自各种研究的证据，包括试点项目、田间实验、建模分析和全球商业安装案例，对干旱和半干旱地区的APV现状进行了批判性评估。分析内容涵盖了APV系统架构、遮阳策略、土地利用效率以及固定倾斜、跟踪和垂直配置下的性能权衡。同时，还回顾了涉及辐照度、微气候、作物生长和光伏发电量的建模方法，指出了当前综合APV模拟框架中的关键局限性。一项专门的市场调查进一步探讨了为APV应用设计的新型光伏模块技术，包括双面型、半透明型和光谱选择性设计。超越传统的文献综述，本文还利用Koppen–Geiger气候分类和全球耕地数据集，对干旱和半干旱地区的APV潜力进行了数据驱动的全球技术经济评估。据估计，干旱耕地的APV装机容量为139-231 TWp，即使仅有1%的部署面积（约460万平方公里），也能产生1.3–2.3 TWp的电力，这凸显了在最小程度土地转换情况下APV的可扩展性。两个典型的作物案例研究（番茄和生菜）进一步证明了在水资源受限条件下，APV能够提高综合能源和农业收入。土地价值密度评估显示，与传统的单一农业相比，APV系统可使土地利用价值提高7倍。总体而言，这项工作将APV定位为一种可扩展的、适应气候变化的基础设施，有助于推进干旱地区的可再生能源发展、农业韧性以及水资源可持续性。

**术语表**
缩写
符号
APV：农光互补
LUE：土地利用效率（Land-Use Efficiency）
VD：作物（Crop）
CAIPV：作物面积集成光伏（Crop Area Integrated Photovoltaics）
Mono-Si：单晶硅（Monocrystalline Silicon）
VDPV：光伏土地价值密度（VPV Land Value Density）
CAZRI：中央干旱地带研究所（Central Arid Zone Research Institute）
NREL：国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）
VDAPV：光伏土地价值密度（VDAPV Land Value Density）
CFD：计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）
OPV：有机光伏（Organic Photovoltaics）
DLI：每日光照积分（Daily Light Integral）
PAR：光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation）
PMP：市场价格（Market Price）
DHI：散射水平辐照度（Diffuse Horizontal Irradiance）
PERC：钝化发射极背电池（Passivated Emitter Rear-Cell）
EAY：年能源产量（Annual Energy Yield）
DSSAT：农业技术转移决策支持系统（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）
Poly-Si：多晶硅（Polycrystalline Silicon）
PPFD：光合光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density）
ET：蒸散作用（Evapotranspiration）
PR：性能比（Performance Ratio）
FEW：粮食-能源-水（Food-Energy-Water）
PRISMA：系统评价和元分析的优先报告项目（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）
FIT：上网电价（Feed-in Tariff）
GCC：海湾合作委员会（Gulf Cooperation Council）
PTC：功率温度系数（Power Temperature Coefficient）
GCR：地面覆盖率（Ground Coverage Ratio）
SAM：系统咨询模型（System Advisory Model）
GECROS：作物生长模拟中的基因型-环境相互作用（Genotype-by-Environment Interaction on Crop Growth Simulation）
SAT：单轴跟踪（Single Axis Tracking）
GHIG：全球水平辐照度（Global Horizontal Irradiance）
TOPCon：隧道氧化物钝化接触（Tunnel Oxide Passivated Contact）
GIS：地理信息系统（Geographical Information System）
TMY：典型气象年（Typical Meteorological Year）
GM：地面安装（Ground-Mounted）
UAE：阿拉伯联合酋长国（United Arab Emirates）
KPI：关键绩效指标（Key Performance Indicator）
VPV：蒸汽压（Vapor Pressure）
LER：土地当量比（Land Equivalent Ratio）
WUE：水资源利用效率（Water Use Efficiency）

**1. 引言**
1.1. 在沙漠气候中研究APV的动机
《联合国气候变化框架公约》缔约方大会（COP28）要求到2030年将全球太阳能光伏（PV）装机容量增加两倍，这加剧了土地利用竞争，特别是在土地资源有限的地区，进一步加剧了农业和生物多样性的挑战。气候变化和人口增长加剧了这一挑战，对粮食和能源安全构成了双重威胁[1]。农光互补（APV）提供了一种集成解决方案，将农业生产与光伏发电相结合，从而提高了土地利用效率（LUE）[2]。在本研究中，APV特指在同一块土地上同时部署光伏系统和作物生产，除非另有明确说明。战略性设计的APV系统可以提高作物产量，减少灌溉需求，保持土壤湿度，保护生物多样性，减轻土壤侵蚀，并调节光伏阵列下的微气候条件[3],[4],[5]，从而提高农业产量和光伏性能[6]。APV概念最早于1982年提出[7]，并于2004年在日本首次得到实际应用[8]，随后在法国再次应用[4]。自那时起，APV的采用速度呈指数级增长，到2021年装机容量已超过14 GWp[2,9]。中国以12 GWp的装机量领先（截至2022年）[10]，其次是日本，拥有超过3400个农场和120项作物试验[2,11]。
在高温、强烈太阳辐射、水资源有限和风蚀严重的干旱地区，APV具有特别的前景[5],[12],[13],[14]。当与高效资源管理和耐荫作物结合使用时，APV可以实现可持续的沙漠农业，提高农场盈利能力，减缓荒漠化，并支持农村电气化。然而，尽管光照充足，但沙漠气候中的极端热应力和环境压力对光伏系统的可靠性和作物生存构成了挑战[12]。因此，有效的部署需要量身定制的农艺和工程解决方案，以平衡遮阳优化、系统耐用性和能源产量。因此，对现有APV安装进行批判性审查，并结合技术经济评估，对于指导极端沙漠气候下的未来APV实施至关重要。

1.2. 审查方法
为了确保严格且全面地纳入本文引用的所有相关研究，进行了结构化的文献回顾，涵盖了APV在干旱和半干旱环境中的重要性、全球发展及其区域进展。搜索策略结合了主题聚类和基于关键词的过滤，涵盖了多个数据库，包括ScienceDirect、IEEE Xplore、Google Scholar和MDPI，以及Springer Lecture Notes和EU PVSEC会议记录等网络资源。关键词涉及APV建模、土地利用优化、作物表现、节水、沙漠中的光伏退化、APV模块技术以及粮食-能源-水（FEW）关系等主题。文献选择遵循多步骤筛选程序，以确保相关性和方法论一致性。初步搜索发现755条记录。首先通过标题筛查去除重复条目和未明确涉及APV系统的研究，包括仅关注传统光伏安装或未结合光伏的农业实践的出版物。随后，通过摘要筛查排除与APV系统设计、性能或农艺环境影响无关的研究，例如编辑材料或仅偶尔提及APV的出版物。然后使用预定义的资格标准进行全文评估。如果研究提供了有关APV系统、土地利用相互作用或FEW关系影响的实证证据、建模分析或结构化评估，则予以保留。特别注意干旱和半干旱环境中的光伏退化机制。在此阶段，排除了454条记录和102条不符合纳入标准的重复条目，特别是那些方法论细节或系统级相关性不足的记录。最终筛选出199个符合条件的来源，包括149篇同行评审的期刊文章和50个技术参考文献，其中包括1项专利、2篇论文和47个网络资源。这些资源主要涵盖了APV系统设计、全球案例研究和区域特定见解。虽然本研究的核心部分是评估APV在促进可持续发展和光伏应用方面的全球潜力，但特别强调了用于识别（半）干旱地带的气候分类、农业概况、耕地可用性和太阳能潜力。该回顾过程受到系统评价和元分析的优先报告项目（PRISMA）方法的启发，其流程如图1所示。

1.3. 现有综述、评估和全球背景
关于APV的科学研究正在迅速扩展，许多结构化的文献回顾研究了该领域的不同方面[2,5,9],[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24]。现有综述可分为三类：a) 基于设计和应用的；b) 专注于性能的；c) 针对特定作物的。例如，参考文献[2]提供了APV类型的概念性概述，参考文献[5]回顾了景观级别的整合和视觉影响，参考文献[12]总结了APV应用，并探讨了其挑战，参考文献[14]研究了APV解决土地利用冲突的潜力。在系统架构方面，参考文献[21]探讨了如面板高度、间距和透明度等农艺和结构上的权衡，而参考文献[9,22]提供了2011年至2023年的区域趋势和知识集群。在专注于性能的综述中，参考文献[13]汇编了显示土地当量比（LER）（1.29至1.73，表明与未安装光伏的作物相比作物产量增加了29–73%）、作物产量变化（?91.3%至+3.98%）和效率提升（约0.09%）的结果[16]，强调了模块温度和能源输出的影响[19]，报告了约1.6的LER值、光伏效率提高（约3%）以及某些作物的部分遮阳效益[17]，并总结了系统级别的优势，如环境温度降低（约1.65°C）、湿度增加（7–10%）和混合效应[17]，参考文献[24]则评估了东非地区APV系统的性能，显示了作物产量、节水效果和能源获取的改善。在针对特定作物的研究中，参考文献[23]总结了遮阳对玉米和草莓的土壤温度和蒸散作用（ET）降低的好处[15]，参考文献[20]指出≤25%的遮阳可限制产量损失，而>50%的遮阳会显著抑制作物生长，参考文献[20]将APV视为一种可以提高土地利用效率35–73%的战略性共址方法。此外，参考文献[18]引入了一个概念性保护模型，将气候适应管理实践（CAMP）与APV系统相结合，以改善土壤健康、碳封存和生产力。
除了学术研究外，国家可再生能源实验室（NREL）[6,25,26]、Fraunhofer ISE[10]、SolarPower Europe[27]和印度新能源和可再生能源部（MNRE）[28,29]在推动APV系统的实际应用和政策制定方面发挥了关键作用。此外，多个国家建立了监管框架，反映了该行业的日益成熟[28],[29],[30],[31],[32]：日本（2013年）、中国（2014年）、法国（2017年）、美国（2018年）、意大利（2021年）、印度（2021年）[32]。同时，APV在太阳能领域仍是一项新兴应用，巴基斯坦[33]、土耳其[34,35]、俄罗斯[36]、加拿大[37]、欧洲[38],[39],[40]、奥地利[41]和智利[42]正在评估区域APV潜力。在国际政策层面，也认识到了水-能源关系的重要性。

1.4. 研究缺口和新颖性
虽然现有的综述从概念、性能和特定作物的角度研究了APV系统，但迄今为止还没有研究专门关注（半）干旱地区APV面临的挑战、设计考虑因素和部署潜力。本研究填补了这一关键空白，提供了第一份针对干旱气候的全面综述，这些气候的特点是光照强烈、温度极端和水资源严重短缺。此外，也没有研究系统比较用于APV系统设计的建模工具。现有综述中同样忽视了对专门为APV应用设计的光伏模块的评估。新型的半透明、光谱选择性和轻质光伏模块代表了APV系统优化的重要设计前沿，但仍未得到充分探索。本研究不仅解决了这些局限性，还通过数据驱动的全球技术经济评估进行了扩展，基于Koppen–Geiger气候分类和全球耕地数据集量化了干旱和半干旱地区的APV潜力。如图2所示，本研究通过明确整合四个在APV文献中很少系统处理的评估维度，扩展了之前的综述范围：(a) 干旱地区的APV性能；(b) APV建模；(c) 为APV系统制造的PV模块的演变；(d) 干旱地区的全球APV技术经济。

**2. APV的技术进步**
本节回顾了影响APV系统技术和农艺性能的主要因素，主要是设计几何形状、模块技术和集成辐照度-微气候-作物建模。这些方面共同决定了关键绩效指标（KPI），如LER、作物产量和能源生成效率。定义和设计原则
由于APV系统在同一片土地上结合了太阳能发电和农业生产，因此确保这两种功能都能保持高效是必要的[4,7,44,45]。与传统地面安装的PV系统不同，APV需要模块与作物之间有明确的空间和功能互动，以使农业成为主要的土地使用方式[6,46]。在这方面，APV系统根据结构特性、农业应用和PV模块类型进行分类。这些类型包括架空式、间隙式、垂直式、固定式和跟踪式安装（结构方面），永久性草地和园艺（农业方面），以及不透明、半透明或完全透明系统（基于模块方面）[2,47,48]。图3展示了三种常见的室外APV结构配置：a) 固定倾斜式——复杂度低且静态的遮阳系统；b) 跟踪式——结构复杂，具有动态作物遮阳模式和微气候的PV高产系统；c) 垂直式——低污染系统，特别适合双面模块。

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图3. 不同APV应用结构配置的示意图和比较。

APV系统的设计涉及通过多个相互依赖的参数来平衡PV性能和农业生产率。技术参数如模块功率等级、方向和当地入射太阳辐射量决定了能量产出和作物光照分布。结构变量，包括地面覆盖率（GCR）、行间距（pitch）和清距高度也会影响遮阳均匀性、气流和农业机械的通行性[49,50]。选择PV技术同样关键：双面模块可以提高能量捕获率，而半透明模块则允许更高量的光合有效辐射（PAR）照射到高价值作物上。无论是固定倾斜式还是单轴跟踪式系统配置，都能实现光照和热环境的动态控制，但在资本成本和机械复杂性上有所不同[51]。最终，APV设计需要一种综合方法，将作物类型、耐阴性以及种植方法与能源生产目标相匹配，以维持农业产出和PV效率。主要设计指标及其影响总结在表1中。

表1. APV设计指标及其对能源和农业的双重影响，以及对干旱气候的启示。

设计指标 描述 农业影响 PV影响 对干旱气候的启示
GCR 分配给PV模块表面积的耕地比例 •较高的GCR会减少对光敏感作物的光合作用，但可以提高水分利用效率（WUE）
•过高的GCR（>0.5）会减少果实重量，优化的GCR（0.25-0.49）可以提高水分利用效率（LUE），适度的GCR（约0.3）可使作物产量增加25%
•GCR的增加可以提高单位土地面积的PV产量
•据报道，GCR在0.3到0.5之间时，对作物和能源的平衡最佳[52,53]
moderately high GCR（约0.3）可能在干旱地区改善微气候和水分利用效率（WUE），而较高的GCR可能会直接减少非高地的可耕地面积。

清距高度 模块边缘与地面之间的距离 •较高的清距可以改善空气流通、农业机械的通行性、作物均匀性和耐阴作物的产量
•较低的清距可能有利于耐阴作物的水分利用效率（WUE）和微气候
•较高的清距可能会稍微降低紧凑性，但能增强双面模块的收益并改善通风
•降低清距高度可以降低PV的资本支出（CAPEX），但可能会增加热应力
[10,51,54,53]
在高温、高风的干旱气候下，过高的清距可能会增加蒸发量（ET），同时也会减少遮阳带来的微气候效益。

模块透明度 不透明或半透明模块 •透明度控制光合有效辐射（PAR）和作物微气候
•半透明模块可以提高果实质量和光照均匀性
•高透明度会降低单位面积的PV效率
•适当的方向和安装位置可以优化透明模块的性能
[51,54,55,52]
半透明模块可以减轻高辐射压力，但需要针对特定作物进行优化。

配置 固定倾斜式、跟踪式和垂直式 •跟踪式的动态遮阳可以改善微气候、水分利用效率（LUE）并减少蒸发量（ET）
•固定倾斜式提供均匀的季节性辐射，但日变化较大
•跟踪式会增加资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）
•与固定倾斜式相比，单轴跟踪式在干旱地区可使能量产量增加高达18%
[10,54,[52], [53],[56]
单轴跟踪式可能在干旱气候中为APV提供最佳的平衡，因为其能量产出更高且具有动态遮阳优势。

方向与行间距 模块方位和行间距 •决定了遮阳模式、灌溉分布和光照均匀性
•方向的变化会影响年度作物产量
•控制双面模块的收益和能量产出
•方位优化可以提高模块的能量转换效率
[51,54,55,53]
在干旱地区，方向和行间距的选择必须平衡机械化通行性和遮阳控制。

安装方式 基础类型 •影响土壤扰动和土地的可逆性
•安装高度影响PV的资本支出（CAPEX）和系统的长期可靠性
[10,51,54]
可逆的基础更有利于保持土地的可逆性并减少土壤退化。

灌溉 灌溉渠道和雨水收集 •提高干旱气候下的水分利用效率（WUE）和作物适应性
•灌溉分布需要根据阴暗和未遮挡区域进行优化
•对PV产出的直接影响较小
[54,52]
干旱气候下的APV灌溉设计必须防止盐分积累并保持地面反照率，以维持双面模块的收益。

作物选择 作物类型和根系深度 •耐阴作物可使产量提高30-70%，而中等耐荫作物在不同遮荫和气候条件下的效果不一
•影响模块间距、清距和能源经济效益
•影响地面反照率和双面模块的收益
[51,57,56]
针对特定作物的建模对于可靠的APV设计是必要的。

2.2 APV系统建模
与传统PV系统不同，APV建模必须同时捕捉PV性能、作物反应及其耦合的微气候反馈[51]。然而，目前仍缺乏一个统一的建模平台，能够整合辐射、微气候、作物生长和PV产量过程。现有的方法依赖于不同模型的组合，每个模型分别处理系统的不同组成部分。在PV方面，反照率、遮阳和温度的微气候变化显著影响性能，特别是对于双面模块。由于背面辐射取决于作物类型和生长阶段，假设反照率恒定的传统PV工具往往会低估能量产生。作物管理也会通过污染、反射和蒸发量（ET）改变PV效率，这突显了需要全面且经过验证的模型的必要性。除此之外，准确进行APV建模的一个主要挑战是缺乏在PV遮荫下的作物生长数据以及跨作物类型和气候条件的实地证据[58,59]。

如表2所示，APV建模大致可以分为四个领域：辐射建模、微气候建模、作物建模和PV产量建模。每个领域涵盖了从简化的经验工具到高分辨率的机制或基于物理的模拟。辐射建模方法从分解和转置模型到能够解析遮荫异质性和双面效应的先进光线追踪和3D表示不等[49],[60],[61],[62]。比较研究表明，各向异性模型通常优于各向同性模型，尽管准确性会随气候和系统配置而变化[57]。微气候建模关注PV阵列引起的能量平衡组分（净辐射、显热、潜热和土壤热通量）的变化[63]。虽然基于能量平衡和CFD的方法[49]可以捕捉耦合的辐射和对流过程，但对于露天APV系统的实地验证仍然有限。

表2. 可用APV建模方法的总结和关键见解。

建模方面 方法 工具 目的 优点 缺点
Radiation Modeling Decomposition & Transposition Models Yang, Starke 将GHI或PAR分解为直射和漫射组分，并转换到阵列平面 基于光照分布的基础，适用于标准PV系统 需要适应作物反照率效应
Boolean Approach Scilab, Agri-OptiCE? 根据GHI（未遮挡）和DHI（有遮挡）离散化地面面积 简单 计算效率高 过度简化了复杂的光照相互作用
View-factor & Raytracing Bifacial Radiance, SPADE, Daysim, Revit? 模拟遮阳、反射和双面几何结构 高精度 捕捉详细的PV-作物相互作用 计算密集
Spatial/CFD Models SolidWorks Flow Simulation? 在地面层面上绘制辐射空间分布 提供辐射的空间分布 低估了辐射量 计算负担重
3D Plant Representation LuSim 使用3D几何形状模拟作物冠层 简单模型可用 捕捉光学孔隙度 计算需求高
Micro-climate Modeling Mathematical Representation Energy Balance Equations 量化影响作物生长的能量通量 基本表示方法 需要与作物和辐射模型结合
Rain Distribution Models AVrain 模拟PV阵列下的雨水分布 捕捉土壤湿度和水分胁迫模式 有限的验证
CFD SolidWorks Flow, ANSYS 计算辐射、风速和温度分布 详细的微气候和PV冷却分析 计算要求高
Analytical Models Scilab, MATLAB, Revit, Python 模拟多种环境参数 灵活且适用于多维度研究 APV特定验证有限
Crop Modeling Empirical Models SIMPLE 使用观察数据模拟作物生长 快速，适用于产量估计 可能无法准确反映遮阳影响
Mechanistic Models DSSAT, APSIM, GECROS 基于过程的作物生长模拟 考虑基因型、小时级和遮阳效应 需要详细校准 计算工作量大
Hybrid Models EPIC, STICS 结合经验和机械组分 简单方法 可能会高估重遮荫条件下的作物产量 需要校准以获得准确结果
PV Integration PVsyst, SAME 估计PV能量输出 广泛使用，适用于基本APV情况 制约遮荫/作物相互作用的能力
Efficiency Models PVWatts 应用固定转换效率 快速便捷的能量估计 精度较低 缺乏APV动态特性
Equivalent-Circuit Single diode, Double diode 详细电气模拟 高精度 用于建模平台 数据密集 需要实地验证
Specialized Tools BIGEYE, OptiCE 模拟不均匀遮阳、反照率、温度和微气候 专为APV技术定制 无法捕捉光谱效应
Crop Modeling Integrate radiation, temperature, and soil 整合辐射、温度和土壤湿度响应以估算生物量和产量 经验模型为大规模评估提供计算效率 机械框架在间歇性遮荫下提供更高的生理真实性 需要大量校准几个具有广泛干旱和半干旱气候地区的区域因此成为聚光光伏（APV）部署的关键区域，包括中国、印度、美国、中东和北非（MENA）地区（摩洛哥、阿尔及利亚、突尼斯、利比亚、埃及、以色列、约旦、黎巴嫩、也门、伊朗、伊拉克和叙利亚，以及海湾合作委员会（GCC）国家）、智利、墨西哥、澳大利亚和南非。尽管存在土地和水资源的限制，但这些地区丰富的太阳能资源表明，当光伏与农业结合通过APV系统时，可以大幅增加未来的电力生产，同时提高这些干旱地区的水分利用效率（LUE）。下载：下载高分辨率图像（568KB）下载：下载全尺寸图像图5. 各种气候及其相关太阳能资源潜力的全球分布。(a) 显示干旱区域的Koppen Geiger气候分类（BWh、BSh、BWk和BSk）。(b) 全球年平均太阳辐照度（GHI）。大面积干旱地区与高太阳辐照度的重叠说明了在这些地区部署光伏和APV的巨大潜力。3.1. 干旱地区APV的预期效益整合光伏面板可以保护作物免受极端天气和温度的影响。通过这一双重功能，APV可以提供诸如改善作物生长、节约用水、保护土壤和生成清洁能源等关键效益。尽管许多APV研究是在温带气候下进行的，但控制作物与光伏相互作用的机制，如遮荫引起的微气候变化和减少蒸散作用（ET），在干旱环境中尤为重要，因为这些地区具有高辐照度和水资源短缺的问题。如图6所示，光合作用在达到光饱和点（LSP）之前会随着辐照度的增加而增加，超过这个点后，过量的光照会导致光氧化应激和更高的水分需求，从而降低作物生产力[2]。典型的APV系统可以提供33-50%的遮荫，有助于防止光抑制并维持光合作用效率[19]。光伏面板的遮荫还可以减少高达29%的蒸散作用[3,109,110]，从而提高水分利用效率（WUE），保持土壤湿度，减少灌溉需求，并增强土壤生物多样性[19]。此外，作物在光伏面板下形成的微气候可以降低模块的工作温度，并将光伏效率提高约10%[111]，这在通常温度较高的沙漠气候中可能是一个可行的效果。本节详细描述的预期效益可以与第4节中的发现相关联，该节总结了在干旱气候中观察到的实际效益。下载：下载高分辨率图像（409KB）下载：下载全尺寸图像图6. 光合作用速率与阳光强度的关系（光响应曲线）。全球范围内[112]的估计表明，仅需要0.3%的世界适宜居住土地就可以满足2020年的电力需求，而Bolinger等人[113]表明，APV系统可以缓解农业与生物多样性之间的土地使用冲突，尽管其功率密度低于纯光伏系统[114]。表4比较了报告的光伏和APV的功率密度，图7展示了它们的分布。尽管有这些效益，但由于并非所有作物都能耐受部分遮荫，因此优化系统设计以同时满足作物和能源产量的要求是复杂的。因此，必须优化面板尺寸、方向和布局，为干旱地区的特定作物提供理想的光照条件。此外，灰尘积累和不良的土壤条件会降低作物的生存能力，而政策缺口、农民意识不足和不清楚的土地使用规定进一步阻碍了干旱地区的大规模采用。表4. 实用规模光伏电站和APV系统的功率密度估计[26,29,39,40,113], [[115], [116], [117], [118], [119], [120], [121], [122], [123]]。光伏配置功率密度（MWp/ha）平均功率密度（MWp/ha）实用规模固定倾斜（纬度）0.5-0.90.70跟踪0.42-0.810.61APV垂直E-W（文献综述）0.16-0.350.28固定倾斜（纬度）*（文献综述）0.15-0.700.47固定倾斜（纬度）*（美国数据库）0.00-1.270.50跟踪（美国数据库）0.16-0.970.41下载：下载高分辨率图像（681KB）下载：下载全尺寸图像图7. 通过文献回顾和InSpire数据库获得的不同配置的APV系统功率密度分布。注意：固定倾斜包括升高式和地面安装的系统。3.2. 光伏模块退化问题及缓解措施尽管对作物有益，但在干旱环境中运行的光伏系统由于强烈的紫外线辐射、高温、灰尘积累和热循环而加速退化，这会不利地影响整个APV系统的性能。虽然干旱地区提供高太阳辐照度，但这种恶劣的环境条件可能会影响APV的微气候和长期能源产量[64]。例如，紫外线暴露、湿度和温度的综合效应据报道会降解光伏模块的背板、封装材料、玻璃、金属接触点和电池，导致每年约1.49%的可靠性损失和高达1.87%的年度功率损失[65,124]。一些关键的退化机制是由短路电流减少和封装材料在高温紫外线照射下透明度降低引起的变色[124]。紫外线辐射还会导致抗反射涂层侵蚀、分层、腐蚀和热点形成[90]。灰尘和污染会进一步降低性能，使光透射率降低20-30%，增加模块温度，并使光伏功率转换效率每升高1°C下降约0.5%[125,126]。每天0.1-1%的污染率和沙子磨损也会增加光学退化和维护需求[127]。其他退化机制包括潜在诱导的退化（PID）（最高效率损失30%）、昼夜温度变化引起的热应力、灌溉引起的水解以及与紫外线相关的晶格损伤，这可能导致高达11%的功率损失[8,10,128]。总体而言，这些机制表明，在干旱气候中，APV系统可能会经历与传统光伏安装相当的退化路径，在某些情况下甚至更加严重，这是由于环境和农业因素的联合作用。缓解策略包括采用适应气候的材料、持续监测和针对干旱光伏环境的优化操作，这也可以影响APV系统的性能。针对特定地点的加速老化测试结合紫外线、温度和湿度可以改进寿命预测[65]，而参数提取模型可以早期检测电气退化[124]。基于材料的解决方案包括吸紫外线涂层、TiO2纳米粒子层、紫外线稳定的封装材料以及光谱选择性的抗反射涂层，以减少紫外线引起的退化[90,129]。研究还表明，抗污染方法如电动动态除尘系统（技术准备程度较低）、自清洁纳米涂层和基于人工智能的预测性维护可以在沙漠条件下优化清洁并维持光伏性能[126,127]。结构上的改进包括增加通风的升高安装、用于热调节的相变材料、智能跟踪系统以及集成灌溉的清洁线圈，也可以提高耐用性和系统稳定性[12,91]。此外，选择适应气候的作物并利用冷却方法也有助于调节模块温度并在干旱环境中维持APV效率[64]。3.3. 预期的灌溉和节水效果如第3.1节所解释的，尽管许多实证研究来自温带气候，但控制蒸散作用（ET）和辐射平衡的基本机制是普遍的。因此，这些发现为APV系统如何在干旱和半干旱环境中提高水分利用效率提供了重要见解，在这些环境中，高辐照度和水资源短缺会放大这些效果。例如，水对植物生长至关重要，处理由低土壤湿度引起的干旱压力[130]。APV系统可以通过减少蒸散作用和通过遮荫改变大气需求来影响干旱地区的灌溉水动态。由于蒸散作用与太阳辐射密切相关（Penman-Monteith关系[131]），遮荫通过增加湿度、降低蒸汽压（VP）和限制光合作用过程中固定的每单位碳的蒸腾作用[3,38]来降低蒸散作用。这提高了光利用效率和水分利用效率，增强了干旱抵抗力[19]。实证研究还报告了APV带来的显著节水效果：俄勒冈州节水增加了328%[111]，亚利桑那州干旱地区的土壤湿度提高了15%[3]。在以色列的内盖夫沙漠，选定作物的灌溉节省率在春季为24%至30%，夏季为7%至11%[109]，而[110]报告在50-70%的阳光水平下蒸散作用减少了14-29%，[132]估计智利的垂直APV系统的蒸散作用减少了14.4%。在西班牙，观察到土豆、洋葱和甜瓜作物的灌溉节省率为9-14%[121]。总体而言，研究表明，在高辐射和温度压力下，APV显著提高了水分效率[12]。需要注意的是，APV还调节了土壤-植物-大气的水分动态。虽然遮荫在湿润年份可能会降低产量，但在干旱期间它可以减少蒸发和水分损失，从而有益于作物。尽管这些机制在温带气候中被观察到，但它们突显了APV在可变水分条件下稳定产量的作用。例如，在德国南部，冬季小麦和土豆在APV下的产量根据年降雨量的不同而变化，分别从-19%到+3%和-20%到+11%[133]。在美国马萨诸塞州的炎热夏季也观察到了类似的干旱缓解效益[134]。Scheiwer等人[130]强调了APV在易受干旱影响的地区（如美国西部、中东、印度和澳大利亚）的潜力。除了产量稳定性外，APV还可以减少地下水使用和相关的二氧化碳排放，同时有助于缓解灌溉干旱区的土壤盐碱化[135]。图8展示了APV设计对土壤健康和生物多样性的影响，而图9显示了遮荫如何在干旱压力下提高水分利用效率和稳定产量。下载：下载高分辨率图像（577KB）下载：下载全尺寸图像图8. 左侧配置代表一种工业化的东西向布局，它限制了土壤对阳光的曝晒，减少了水分浸入，可能会影响土壤健康。相比之下，右侧配置采用朝南的布局，包含旨在提高土壤肥力和促进生物多样性的设计措施[38]。下载：下载高分辨率图像（607KB）下载：下载全尺寸图像图9. 光伏面板遮荫对APV系统中植物生产力和水分利用的影响。在温带地区（左侧），遮荫会降低光合作用和产量。在干旱地区（右侧），遮荫会降低蒸腾作用水分损失，提高水分利用效率，并在变化的气候条件下稳定产量。4. 干旱地区的APV：全球现状和发展预计APV在具有高太阳辐射的（半）干旱地区具有最大的潜力[5], [[12], [13], [14]]，在这些地区也存在着FEW（食物、能源和水）方面的几种协同作用。如前所述，结合适当的水资源管理、合适的作物选择和优化的施肥，APV系统为沙漠农业提供了可持续的解决方案。然而，APV的性能仍然取决于当地农业因素，如气候、土壤条件和灌溉用水的可用性。尽管前景广阔，但全球阳光带干旱和半干旱地区的APV采用仍然有限。本节回顾了这些气候下的APV发展，总结了试点项目、实验设置和商业安装，重点是基于lernen（LER）、水分利用以及结合光伏和作物产量数据的系统设计和性能结果。4.1. 以色列以色列最近启动了一个国家APV计划，旨在扩大可再生能源和农业的双重土地利用系统，目标是在2030年前将可再生能源发电量增加到30%，最初计划在100个地点部署约100 MWp的APV容量，每个地点限制在1.5公顷[51]。几个试点和商业规模的项目展示了它们日益重要的意义：在内盖夫沙漠，Erell等人[109]改造了一个商业光伏电站，在单面倾斜的光伏模块下种植柠檬天竺葵和澳大利亚紫罗兰（见图10），报告的学习率为1.67，模块冷却效果为4.5°C，电力产量增加了1.2%，在作物生长早期节省了24-30%的灌溉用水，在成熟期节省了7-11%的灌溉用水，而[136]研究了微气候效应和叶形态对光伏性能的影响。Doral Energy在半干旱地区实施了几个APV项目（见图11）[137]：a) Ma'ale Gilboa项目（预计到2024年达到10 MWp，覆盖60公顷土地，种植葡萄、荔枝和芒果等作物），b) Revadim项目于2023年启动，覆盖15公顷土地，将光伏与鳄梨果园结合，c) Bar-Ilan项目始于2021年，容量为60 kWp，包括土豆、番茄、罗勒和洋葱等作物。这些举措展示了APV在以色列水资源有限、高辐射环境中的可行性和效益。下载：下载高分辨率图像（749KB）下载：下载全尺寸图像图10. 以色列内盖夫沙漠中的APV试点电站，在光伏模块行间和下方种植柠檬天竺葵（Pelargonium graveolens）和澳大利亚紫罗兰（Dichondra repens）（引用自[109,136]）。下载：下载高分辨率图像（790KB）下载：下载全尺寸图像图11. Doral Energy在以色列开发的APV安装[137]。4.2. 智利Fraunhofer太阳能技术中心的智利子公司于2018年在智利建立了三个APV试点电站。这些试点安装的容量约为13 kWp，使用安装在4米高固定结构上的单面光伏模块来种植西兰花、花椰菜、羽衣甘蓝、土豆和南瓜[42,116,138,139]。一个案例研究专注于在4米高度的模块下种植生菜的情况，研究了农业活动对光伏污染的影响。Jung等人[116,138]在智利中部进行了技术经济分析，并得出结论，APV是传统园艺的一个有利选择。如图12所示，该研究扩展到了一个安装于3.5米高度、面积为12.5千瓦的单面固定倾角聚光光伏（APV）系统，该系统用于种植生菜和花椰菜。记录显示，平均每日污染损失高达0.35%，而在没有清洁的干燥夏季期间，性能比率（PR）下降到了40%。最近在Chanco进行的一项建模研究评估了一个100千瓦的东西向垂直双面APV系统[132]，该系统产生的电力比朝北倾斜的配置少10.5%，同时将当地作物的灌溉需求减少了14.4%（1410立方米/公顷），这证明了APV系统的实际可行性。下载：下载高分辨率图像（856KB）下载：下载全尺寸图像

图12. 智利中部的两个12.5千瓦APV试点项目，使用了安装在3.5米高度的光伏模块（图片来源：Fraunhofer Chile [10]）。

4.3. 中国
截至2024年，中国已成为APV安装容量的全球领导者，预计每年新增装机容量为3.26吉瓦，累计装机容量超过12吉瓦[2]。一种新的土壤-植物-光伏-大气连续体（SPPVAC）模型表明，光伏面板能够降低温度（1.2-2.3°C），增加土壤湿度（+38.5%），并提高生物量（大豆+48.3%，苜蓿+42.9%）[140]。同样，干旱炎热地区的实地研究表明，在花生和黑麦草种植下，土壤质量和微生物活性显著提升，这表明APV可以作为生态恢复的双重解决方案[141]。世界上最大的APV项目位于宁夏的戈壁沙漠附近，覆盖面积为2000公顷，装机容量为700兆瓦，用于支持枸杞种植。在光伏和农业部门的支持政策推动下，中国企业正在积极推进大规模APV的应用。宝丰集团与华为合作在滨河新区开展APV项目，据报告，该项目减少了30-40%的土壤水分蒸发，并使植被覆盖率提高了86%[142]。参考文献[143]中的研究发现，光伏行区域的土壤湿度增加了59.8%-113.6%，其中前部区域的湿度保持效果最佳，这表明湿度梯度受到面板配置和遮荫的影响。

4.4. 印度
由于印度拥有庞大的农业基础、大量的中小型农场以及持续的农村电气化努力（仍有21.3%的农场未通电），印度在APV应用方面具有巨大潜力。据估计，如果将印度1%的农业用地转换为APV系统（每公顷0.45兆瓦），那么总装机容量可达到630吉瓦[144]。政府政策支持在农业或荒地上安装最大2兆瓦的分布式光伏系统，目标是达到10吉瓦的装机容量[28,29]。参考文献[29]对印度的APV进行了全面研究，详细介绍了22个正在运行的APV项目和3个试点项目，其中一些位于干旱地区。值得注意的例子包括焦特布尔的中部干旱区研究所（CAZRI）的100千瓦试点项目、巴洛吉的30千瓦鱼塘系统、锡卡的1兆瓦Harsha Abakus项目以及阿拉瓦利地区的3兆瓦Abellon Energy项目。Santra等人[145,146]和Poonia等人[120]研究了拉贾斯坦邦沙漠气候条件下使用固定朝南模块（0.5米高度）的105千瓦APV系统的技术经济性能，并测试了多种倾角和密度配置。种植的作物包括芦荟、茄子、菠菜、绿豆、孜然和鹰嘴豆，平均光能利用效率（LER）为1.41[29]。Patel等人[29,147]评估了Abellon工厂1兆瓦系统的能源产出和经济可行性，该系统使用棉纤维覆盖物在固定倾角光伏系统（每公顷0.42兆瓦）的行间保持水分，同时种植了葫芦、秋葵、西瓜、姜和辣椒等作物。图13展示了其中一些APV安装实例。在印度西北部的塔尔沙漠等水资源稀缺的地区，可再生能源项目非常活跃[28,148,149]，这些项目推动了人们对耐旱高价值作物（如芦荟、龙舌兰和仙人掌）的兴趣，这些作物能够在恶劣条件下生长，并与APV系统相得益彰。芦荟具有较高的生物量产量、短生长周期和良好的耐阴性。Ravi等人[148]的生命周期和经济分析表明，将芦荟与光伏系统结合使用，每年可产生7-14百万吨的生物量，而无需额外占用土地或增加灌溉需求。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像

图13. 印度干旱和半干旱地区的研究和商业地面安装及高架固定倾角APV系统示例：a) b) 和 c) CAZRI的APV项目[120]，d) 拉贾斯坦邦的芦荟种植[148]，e) Abellon Energy工厂的间作种植，f) 特伦甘纳农业大学的APV项目，g) Amrol工厂（参考文献[29]复现）。

4.5. 美国
在美国，APV技术正在快速发展，研究表明到2030年可能有超过80万公顷的土地适合安装APV系统，这一发展主要得益于能源部（DOE）对太阳能-农业共址项目的资助以及“农村能源美国计划”（Rural Energy for America Program）对农场内光伏应用的激励[2]。NREL的太阳能技术办公室（SETO）支持诸如“兆瓦级基础APV研究”（FARMS）等倡议[25]，旨在为农业和农村经济提供可扩展的APV解决方案。马萨诸塞州等州实施了结构性计划（例如SMART），而伊利诺伊州和纽约州则为APV项目提供优惠的招标政策。然而，监管方面的碎片化仍然是一个挑战，导致APV政策不一致[51]，缺乏统一的国家级框架，这突显了需要协调的多级治理机制[25,150,151]。NREL绘制了美国全国483个APV系统的地图，其中20多个安装位于亚利桑那州、新墨西哥州和科罗拉多州等干旱地区[115]。这些地区的实地研究表明APV系统的有效性显著。Barron-Gafford等人[3]在亚利桑那州图森市测试了一个高架固定倾角APV系统（作物种植面积为170平方米），发现与传统农业相比，樱桃番茄和辣椒的产量分别提高了2.9倍和2倍，且在每隔两天灌溉的情况下，APV系统的土壤湿度高出15%。研究还发现作物冠层有助于提高光伏系统的冷却效果[12]。目前美国最大的APV农场位于科罗拉多州的Jack's Solar Garden（1.2兆瓦[25]），该农场在1.8米和2.4米高的光伏面板下评估了40种作物品种，发现较高的结构提供了更均匀的光照和更好的生长条件[6]。Sturchio等人[152]分析了一种跟踪式APV系统，发现局部光照强度差异高达8倍，土壤湿度变化了30%，植物生产力差异达到了40%，这突显了微气候的异质性[153]。参考文献[154]中的建模研究表明，在凤凰城和亚利桑那州的私人农田上安装半密度APV系统，如果种植苜蓿、棉花和大麦，可产生该地区总电力需求的3.4倍——分别满足居民能源需求的5倍、4.7倍和1.5倍。图14展示了亚利桑那州和科罗拉多州的试点项目。

图14. a) 亚利桑那州的Biosphere 2 APV研究综合体（图片来自NCAT的AgriSolar Clearinghouse），b) 科罗拉多州的Jack's Solar Farm及其中的APV系统（图片来自Jack's Solar Farm [155]），c) Jack's Solar Farm中的多年生C3草种植（图片来自参考文献[29]）。

4.6. 意大利
来自意大利半干旱地中海地区的研究显示，不同微气候和遮荫条件下，作物对APV系统的响应各不相同。在普利亚地区，固定式APV系统在葡萄种植中显示出巨大潜力，部分遮荫显著提高了土壤湿度、降低了温度、风速和蒸气压差，并改变了光谱组成，从而提高了葡萄产量（+277%），同时保持了超过90%的地面光伏发电量[156]。同样，在意大利南部对六种药用植物进行的试验显示，遮荫系统减少了蒸散量（最多减少了81%）并稳定了微气候条件，尽管减少了不耐阴物种的新鲜生物量，但显著提高了油料产量（约30%），改善了水资源匮乏地区的经济效益[157]。相反，在巴里进行的番茄试验表明，传统和半透明面板下的高遮荫（50-80%）减少了光合作用、水分利用效率（WUE）和总产量（27-58%），同时减少了灌溉需求，并在四个月内产生了超过10兆瓦时的电力[158]。这些研究结果表明，虽然APV系统可以提高耐阴作物的质量，但如果不仔细优化，可能会降低需光作物的产量。

4.7. 西班牙
尽管西班牙缺乏正式的APV政策，但Iberdrola、Endesa和BayWare等公司正在推进APV试点项目，应用于红辣椒、西兰花、洋蓟、百里香、番木瓜、鼠尾草、牛至、迷迭香、薰衣草、香菜、花椰菜、橄榄园和葡萄园等作物[25,159,160]。在科尔多瓦，安装在橄榄园上的南北向水平跟踪器（高度3.0米，宽度1.5米）将LER提高了28.9-47.2%[161]。Varo Martinez等人[162]还评估了科尔多瓦的一个5.3千瓦APV试点项目，发现光伏遮荫对蚕豆产量没有负面影响。Toledo等人[163]研究了APV在西班牙生态恢复中的作用，通过生命周期分析方法估计，该系统每年可节省745吨氮、1928吉瓦时的能源和27百立方米的水资源。Fernandez Solas等人[164]分析了橄榄园（品种包括Manzanilla、Picual和Chemlali）中的APV系统（高度3.5米），发现透明度水平在0.57-0.71之间，高辐射区域的透明度较低。此外，Iberdrola在Guadamur的40千瓦葡萄园系统使用人工智能控制的跟踪器来优化光照分布[165]。此类系统的广泛部署可以将西班牙的光伏装机容量增加近50%。图15展示了西班牙的部分APV安装实例及建模方法。

4.8. 澳大利亚
澳大利亚拥有广阔的土地资源和较高的太阳辐射强度，具有很大的APV应用潜力。政府对清洁能源和可持续农业的支持进一步加强了这一机会。Mamun等人[9]强调了澳大利亚各地APV系统的可行性评估，而Guerin[166,167]研究了其在新南威尔士州的农业影响。Valisielv等人[168]报道了珀斯的一个温室项目，该项目的光传输率达到了70%，每天可产生19千瓦时的电力，几乎抵消了40%的能源成本。在新南威尔士州北部的Tamworth，Wynergy[169]计划在干旱地区部署七个5兆瓦的APV系统。此外，Enel在其位于维多利亚州的34兆瓦Cohuna Solar Farm进行的实验性APV项目支持绵羊放牧和小麦、大麦及油菜的种植，旨在建立公用事业规模APV应用的最佳实践[170]。然而，目前大多数这些项目仅提供一般性的描述性信息，详细的技术性能数据有限。

4.9. 北非和东非
在Fraunhofer ISE的支持下，2021年在阿尔及利亚北部的Khemis Miliana部署了一个10千瓦的高架APV试点项目（高度2.5米，安装面积600平方米，使用东西向模块，倾斜角度为15°，用于支持土豆和草莓的种植[171]。在东非，APV系统提供了多重效益，包括每年最高30兆瓦时的光伏发电量，提高了作物产量（尤其是豆类、羽衣甘蓝和瑞士甜菜），并在热应力条件下提高了作物的存活率，同时减少了12.6%的灌溉需求[24]。土地生产力几乎翻了一番（LER为1.77–1.88），使得APV成为半干旱地区实现韧性的有效策略。扩展到该地区的其他地区后[172]，研究了肯尼亚、埃塞俄比亚、卢旺达、乌干达、索马里和布隆迪的APV潜力，指出了关键障碍，如利益相关者意识不足和跨部门政策整合不足。目前还有两个试点项目正在开发中：肯尼亚Kajiado县的56千瓦项目和坦桑尼亚Morogoro的35千瓦项目。Kajiado的初步数据显示，这些项目改善了卷心菜、茄子、生菜和玉米的生长情况。在尼日尔的Dosso地区，Bhandari等人[173]评估了一个50千瓦的APV项目，该项目的LER分别为1.33（不包括产量损失）和1.13（包括损失）。McDonald等人[174]探讨了非洲范围内的APV规模化应用，提出了“作物区域集成光伏”（CAIPV）概念，将部分光伏遮荫整合到田间、果园和温室中，以支持干旱地区的农村和城市韧性。

4.10. 海湾合作委员会（GCC）国家
APV在GCC国家具有特别显著的应用前景[12]。鉴于该地区对能源密集型海水淡化技术的依赖以及食品生产面临的挑战，参考文献[175,176]指出，APV为提高GCC地区的食品和能源安全提供了有希望的途径。一个著名的例子是阿布扎比的APV项目，该项目安装了一个454.74千瓦的APV系统，每年可产生约799兆瓦时的太阳能。Al Ali等人[177]进一步评估了在单面高架（1.5米）APV系统下种植黄瓜的情况，该系统将模块倾斜角度设置为25°。研究报告指出，在夏季的遮阴条件下，植物的生长、果实产量得到了提升，死亡率则有所下降。此外，还有一些初步的试点项目正在开展：在沙特阿拉伯的不同地区，已经部署了三个使用Mirai Solar半透明光伏组件的示范项目，这些组件能够在为作物提供遮阴的同时实现能源生成（>100 W/m2，1.5 kg/m2）[178]。Abdulmouti等人[179]探索了在阿拉伯联合酋长国（UAE）椰枣种植园中应用聚光光伏（APV）的布局，并提出了改进的倾斜安装系统（见图17）。对于约旦[180]的研究表明，据估计9.5%的土地适合安装APV系统，而且仅仅覆盖一半的夏季番茄灌溉田地就可以满足国家50%的可再生能源目标，同时还能节约4-8.6%的 total water use。尽管有这些努力，但该地区实际运行的APV示范项目仍然很少，这突显了推动可扩展的FEW解决方案的重要机会。

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图17. (a) 椰枣树上的APV系统；(b) 改进的倾斜安装系统，使用透明或半透明光伏面板 [179]。

表5和表6汇总了干旱气候条件下APV研究的结果，包括系统配置、能源和作物性能指标以及共生效应，如光利用效率（LUE）和光能透过率（LER）。

表5. 亚洲、非洲和澳大利亚干旱地区APV研究概览：文献中报告的关键系统特性、性能指标和双重土地使用效果。

| 国家 | APV类型 | APV配置 | 容量 | LER | 作物 | 关键性能指标和发现 |
|------|---------|---------|------|------|--------|
| GMEL [109] | 以色列 | ? 单面固定倾斜 | 1.67 | Dichondra repens, Viola hederacea | 实验性 | 温度：降低4.5°C，光伏输出：增加1.2%；遮阴显著提高了水资源利用效率 |
| [136] | 以色列 | ? 单面固定倾斜 | 1.67 | Lemon geranium, Australian Viola | 实验性 | 温度：降低3.5°C，光伏输出：增加1%；提高了效率和土壤稳定性 |
| [2] | 中国、美国 | ?? 垂直安装，单面/双面固定倾斜 | -- | 水稻、玉米、生菜、番茄 | 实验性和模拟 | 遮阴：增加20-70%，温度：降低1.5°C，土壤湿度：增加15%，蒸发量：降低14-29%，作物产量：增加150%，光伏输出：增加3%，土地使用损失：降低10-15% |
| [140] | 中国 | ? 固定倾斜 | 50 MW | 大豆、苜蓿、欧洲防风草和药用作物 | 实验性和模拟 | 气湿度：增加35.8%，土壤湿度：降低12-38.5%；大豆产量：增加48.3%，苜蓿：增加42.9%，欧洲防风草：增加26.7% |
| [141] | 中国 | ? 双玻璃单面固定倾斜 | 1.04 MW | 花生、黑麦草 | 实验性 | 土壤湿度：增加45.6-56.1%，土壤质量：增加52-184%；微生物活性得到改善 |
| [143] | 中国 | ? 固定倾斜 | --- | 模拟 | 土壤湿度：增加113.6%，土壤温度：降低1.7°C；为干旱地区的APV创造了更好的微气候 |
| [120] | 印度 | ? 多晶硅固定倾斜 | 安装：105 kWp；推算：520 kWp | 靠雨水和灌溉的作物 | 实验性和模拟 | 测试了105 kWp APV系统中的不同植物布局；布局1（100%密度）由于最佳的土地利用和最小的遮阴效果，产生了最高的能量（4.3 kWh/天/千瓦）和作物产量 |
| [144] | 印度 | ? 多晶硅固定倾斜 | 168.64 kW | 葡萄 | 模拟 | 农民收入：增加15%；非最佳朝向：导致约25%的能量损失 |
| [145] | 印度 | ? 固定倾斜 | 105 kWp | --- | 实验性 | 光合有效辐射（PPFD）：在光伏板下为24至135 μmol/m2/s，在遮阳间隙为90至1295 μmol/m2/s；DLI区域分为0-5、5-20和20-30 mol/m2/天 |
| [146] | 印度 | ? 多晶硅固定倾斜 | --- | 实验性 | 关键的最优设计参数是遮阴动态、作物选择和水分收集；需要开展关于作物表现的实地研究 |
| [147] | 印度 | ? 结晶硅固定倾斜 | 3 MW | 姜黄、生姜、葫芦、秋葵 | 实验性 | 3 MW APV在7.08公顷土地上年产生的能量约为4.66 M kWh；水分再利用和作物遮阴的协同作用是提高效率的关键 |
| [148] | 印度 | 单晶硅固定倾斜 | 2 MW | 芦荟 | 模拟 | 在干旱地区，带有芦荟的光伏系统可以实现清洁和灌溉的水资源共享；遮阴相比独立系统提高了产量、水分生产力、经济效益和可持续性 |
| [167] | 澳大利亚 | --- | 102 MW | 案例研究 | 102 MW APV项目在250公顷农地上实施，对区域影响很小，土地使用可逆；有利于土地优化、产量增长和节水 |
| [168] | 澳大利亚 | --- | 实验性 | 高透明度玻璃和发光聚光器改善了作物生长；能源使用量降低40%，自给率提高37.8% |
| [24] | 坦桑尼亚、肯尼亚 | ?- | - | 36.6 kWp, 62.1 kWp | 多种作物 | 实验性 | 减少了PAR辐射，土壤湿度增加12%；作物产量和光伏输出稳定（12-30 MWh/年） |
| [172] | 肯尼亚 | - | 56 kWp, 3 × 60 kWp, 35 kWp | --- | 作物产量增加10-60%，光能利用效率提高100%；需要本地研究和政策支持 |
| [173] | 尼日尔 | - | 50 kW | 模拟 | APV的回报更高，排放更低；有潜力改善农村生计 |
| [174] | 非洲 | --- | CAIPV | 模拟 | 适合非洲的双重食品-能源生产；报告了农田限制和政策差距 |
| [177] | 阿联酋 | ? 单面固定倾斜 | --- | 黄瓜 | 实验性和模拟 | APV减少了阿联酋的热应激；作物产量（重量和体积）提高了4倍 |
| [179] | 阿联酋 | --- | 半透明倾斜 | 椰枣 | 模拟 | 光合有效辐射增加14-29%，光能利用效率提高328% |
| [180] | 约旦 | --- | 番茄、生菜 | 模拟 | 约旦9.5%的土地适合农业光伏；光能利用效率降低8.6%；半密度的光伏系统用于番茄生产可以满足2030年的能源目标 |

表6. 欧洲、北美和南美洲干旱地区APV研究概览：文献中报告的关键系统特性、性能指标和双重土地使用效果。

| 国家 | APV类型 | 光伏配置 | 容量 | LER | 作物 | 关键性能指标和发现 |
|------|---------|---------|------|------|--------|
| GMEL [42] | 智利 | ? 多晶硅固定倾斜 | 12.48 kWp | 花椰菜 | 实验性 | APV面板平衡了能源生产、适度温度，并提高了作物湿度；遮阴效果提高了20% |
| [116] | 智利 | ? 单晶硅固定倾斜 | 163.31 kWp | 生菜 | 模拟 | 比较了APV（2.4米，310°方位角，22°倾斜）和传统光伏（0°方位角，28°倾斜）；特定产量略有下降，但光能透过率提高 |
| [132] | 智利 | 垂直双面 | 100 kWp | 谷物和饲料作物 | 模拟 | 垂直安装减少了电网限电，同时减少了污染 |
| [138] | 智利 | 双面SAT | 550 kWp | 蓝莓 | 模拟 | 初始成本比遮阳网高87%（110,000美元/公顷 vs. 15,133美元/公顷）；通过成本-产量转换指标可以实现长期效益 |
| [139] | 智利 | 多晶硅固定倾斜 | 12.48 kWp | 生菜 | 实验性 | 研究了PV系统对污染的影响；能源损失减少30%，污染率每天增加0.35% |
| [3] | 美国 | ? 单面/双面/半透明固定倾斜 | 200 kWp | 辣椒、墨西哥辣椒、樱桃番茄 | 实验性 | 温度降低1.2°C，土壤湿度增加15%；作物产量分别增加300%和200% |
| [12] | 美国 | 固定倾斜 | --- | 卷心菜、甜菜、羽衣甘蓝、番茄 | 实验性 | 提高了土壤湿度； PAR辐射降低60-85% |
| [150] | 美国 | --- | --- | 需要4-5米的高度和≥3米的间距，以及双面/跟踪模块来实现更高的光能透过率 |
| [151] | 美国 | --- | --- | 基于定性访谈的研究 | 承认存在监管障碍和高成本；市场需求和激励措施推动了光伏的发展 |
| [152] | 美国 | SAT | 1.2 MW | Bromus inermis | 实验性 | APV改变了微气候，西部边缘的作物产量增加了33%，东部边缘增加了46%；由于设计复杂性和前期成本较高，采用率有限 |
| [153] | 美国 | SAT | --- | Bromus inermis | 实验性 | 提高了草地生产力和服务品质；面板边缘的微气候效应提高了产量 |
| [154] | 美国 | 固定倾斜 | 1.3-1.6 MW | 苜蓿、棉花、硬质小麦 | 模拟 | 50%和25%密度的APV布局可以产生当前区域能源需求的1.5-3.4倍；50%密度最大化了作物产量 |
| [156] | 意大利 | 不透明薄膜非晶硅固定倾斜 | 3.54 MW | 葡萄 | 实验性 | 土壤湿度增加16%，作物产量增加277%；温度降低1°C，风速降低 |
| [157] | 意大利 | SAT不透明面板 | --- | 药用和芳香作物 | 模拟 | 温度降低5°C，蒸发量降低13.1%，水分需求降低81% |
| [158] | 意大利 | 单晶硅（传统和半透明） | 390 Wp, 310 Wp | 番茄 | 实验性 | 作物产量降低28-58%，水分需求降低16-21%；温度降低1.3°C（50%遮阴）和2.3%（80%遮阴）；改善了果实的水分含量和酸度 |
| [162] | 西班牙 | - | 5 kWp | 扁豆 | 实验性 | 使扁豆在不同遮阴条件下能够生长；能源监测和作物生长分析有助于优化系统设计 |
| [163] | 西班牙 | - | 16 GWp | 模拟 | GIS和PVGIS可以优化产量和土地利用；由于10%的土地损失，作物产量略有下降 |
| [164] | 西班牙 | ? 单晶硅固定倾斜 | --- | 橄榄树 | 模拟 | APV可以覆盖30%的电力需求；光伏输出增加了2.5%；1%的APV用地每年可减少4百万吨二氧化碳 |

5. 全球干旱地区的APV技术经济潜力评估
基于第2节中的技术进步、第3节中的干旱地区APV的优势和挑战、以及第4节中的全球干旱地区APV的现状和发展，本文对全球干旱和半干旱地区的APV潜力进行了初步的数据驱动技术经济评估。目的不是详细估计每个APV系统的性能，而是了解APV的潜在价值及其在能源生产、农业和土地利用方面的广泛重要性。分析结合了全球气候类型、可用耕地和太阳能资源的数据库，在GIS框架内同时对不同地区和APV设计进行了比较。

5.1. 方法论概述
干旱地区的全球分布是通过Koppen–Geiger气候分类利用GIS确定的[181]。该数据集为划分全球干旱和半干旱地区提供了气候学上一致的框架。全球干旱地区的空间范围（B：干旱；W：沙漠；S：草原；H：炎热干旱；C：寒冷干旱）在图S1中展示（补充细节）。干旱地区的耕地或管理土地从具有890 × 890米2空间分辨率的全球共识土地覆盖产品中提取[182]。数据集被重新投影到等面积坐标系统中以进行精确的区域估算。然后从每个像素计算实际耕地面积，表示耕地百分比（0-100%），并显示了可用于潜在APV部署的总耕地空间分布，见图S2。干旱地区的光伏潜力数据来自Solargis太阳能资源数据（PVOUT）[183]（见图S3）。虽然Solargis假设光伏组件以最佳倾斜角度安装，但根据文献报道的相对产量差异应用了放大系数，以适应其他系统配置[184-189, 190]。双面跟踪系统的年能源产量估计采用了保守的1.24倍系数，垂直系统则使用0.66倍系数。评估这些数据集后，进行了技术经济评估，以确定土地可用性、能源产量以及光伏和作物收入潜力，考虑了两种常用的光耦合系数（GCR）：15%和25%。

5.2. 干旱地区的耕地可用性和APV潜力
干旱和半干旱地区的空间范围约为43百万平方公里，占地球总面积的约41%（排除了极地和被雪覆盖的区域）。在这些地区，总的耕地和管理土地约为4.6百万平方公里，是目前可用于APV实施的土地基础。具体来说，图S2和图S3显示，如中东和北非、中亚部分地区、印度西部、中国北部、澳大利亚、美国西部和非洲南部等干旱和半干旱地区，耕地集中在水资源有限的景观中。然而，在许多这些地区，耕地可用性仍然较低（每个映射单元约30-60公顷），突显了沙漠气候下可耕地资源的稀缺性。同时，这些地区的光伏特定产量非常高，通常超过约5.4-6.7 kWh/kWp（见图S3中的北非、阿拉伯半岛和印度西部）。这种关键的空间重叠表明，干旱地区结合了有限的耕地和极高的太阳能输出，为双重土地使用系统创造了强有力的激励措施，即使是在高产量区域的少量耕地也能产生大量太阳能，使得APV在干旱气候下的光能利用效率（LUE）很高。

实际可用于光伏实施的面积是根据15%和25% GCR基线的耕地面积估算的。对于光伏容量计算，假设了每千瓦光伏面板5平方米的土地使用面积（对应当前行业单晶硅模块的占地面积约19-22%的效率）。基于这一假设，估算的潜在安装容量分别为139太瓦（15% GCR，覆盖0.7百万平方公里）和231太瓦（25% GCR，覆盖1.1百万平方公里）。如果采用更保守的8-10平方米/千瓦的土地使用面积（反映传统光伏系统的总间距），容量分别降至约87-70太瓦和144-116太瓦。尽管考虑到更高的土地使用面积，绝对数值可能会降低，但干旱地区APV整合的整体规模和比较技术经济结论保持不变。

5.3. 干旱地区的综合能源-作物收益展望
针对第5.2节中确定的合适土地面积，分别对能源和作物收益进行了建模，考虑了15%和25%的GCR。使用GIS栅格计算工具[191]将估计的光伏容量与相应的光伏潜力相乘，得出每个像素的年能源产量（kWh/年，单位：Figs S4、S5和S6）。然后通过将每种光伏配置的年能源产量乘以0.10美元/千瓦的上网电价（FIT）来估算固定倾斜、跟踪和垂直双面系统的能源收入（单位：kWh/年，Figs S4、S5和S6）。这个基准是一个保守的、基于证据的假设，因为它低于Global Solar Atlas报告的大规模光伏系统的全球平均生产成本（0.12美元/千瓦[194]）。三个光伏配置的预计总收入见图18。

图18. 在干旱和半番茄和生菜被选为代表性作物，因为它们与APV系统（[195]）的兼容性已有文献记载。为了进行公平的评估，在产量建模中采用了保守的假设：番茄在遮荫条件下没有产量减少，而生菜由于具有一定的耐荫性，根据参考文献[6]的发现，其产量损失被建模为20%（该文献报告番茄的产量响应范围大约在-10%到+100%之间，而生菜的产量响应范围在-48%到+10%之间）。作物生产率（tha?1）采用了干旱气候条件下报告的田间数据[196]，市场价格（USDt?1）则来源于参考文献[197]。作物收入的空间分布分别显示在图19a至d中。下载：下载高分辨率图片（768KB）下载：下载全尺寸图片图19. 在25%和15%的GCR条件下，干旱可耕地种植作物的年收入的保守估计：番茄（A和B）以及生菜（C和D）。图18和图19中对能源和作物收入的综合分析显示，综合潜在收入规模并不完全一致。光伏收入潜力与太阳辐射强度成正比，而作物收入则特别依赖于可耕地或已耕种的土地面积。例如北非、阿拉伯半岛、印度西部、澳大利亚内陆和智利北部地区的光伏收入密度非常高，而在超级干旱地区（如阿拉伯半岛），由于可耕地面积有限，即使太阳能潜力巨大，作物收入仍然有限。另一方面，南亚和东非部分地区由于拥有较大的耕种面积，尽管太阳能产量略低，但作物收入潜力相对较强。虽然空间差异表明APV本身是一个土地效率优化问题，但这种权衡实际上是由土地分配结构决定的，而不是荫蔽条件下的农艺产量变化。尽管预计作物产量和土壤条件会有所改善，但在超级干旱地区，光伏收入占据了APV效益的主导地位。在半干旱地区，如果耕种土地资源充足，实现光伏和作物的平衡效益是可能的。总体而言，分析表明，在干旱地区，可耕种土地的可用性是APV可扩展性的主要限制因素。5.4. 干旱地区与非干旱地区土地价值密度的比较为了量化并比较干旱和非干旱气候下独立系统和APV系统的经济生产力，使用了土地价值密度指标（USDha?1yr?1）。独立作物的价值密度是通过基础田间作物产量乘以代表性市场价格计算得出的：(1) VDcrop = Y × P，其中Y是作物产量（tha?1），P是市场价格（USDt?1）。独立光伏的土地价值密度是根据年能源产量和FIT计算得出的：(2) VDPV = Eannual × FIT × Cha，其中Eannual是年能源产量（kWh/kWp?1yr?1），Cha是每公顷的安装容量（2000 kWp?1，基于5 m2/kWp?1的光伏面积假设）。同样，APV的土地价值密度计算公式为：(3) VDAPV = (VDPV × fPV) + (VDcrop × fcrop)，其中fPV对应选定的GCR（15%或25%），fcrop = 1 ? fPV。干旱和非干旱地区的年能源产量数据来自Solargis PVOUT数据集，例如卡塔尔的高辐射地区（约6.5 kWh/kWp?1day?1）和欧洲温带地区的平均辐射强度（约3.5 kWh/kWp?1）被分别作为干旱和非干旱的参考案例。西班牙的非干旱地区也被视为另一个高辐射（约4.5 kWh/kWp?1day?1）和高农业生产力的参考案例。这些地区的年番茄和生菜作物产量及平均市场价格数据来源于参考文献[[197]、[198]、[199]]。需要注意的是，用于两种作物收入计算的保守荫蔽响应场景也应用于此评估。图20显示了两种不同干旱和非干旱气候下，独立农业、独立光伏和APV系统的土地价值密度定量比较。图20表明，在干旱气候中，通过整合APV可以结构性地缓解独立农业的气候劣势。在A面板（干旱地区与欧洲平均水平相比），由于优越的太阳辐射，干旱系统的表现优于非干旱地区；而独立农业的 land value density 相对较低。例如，在干旱地区，独立农业的 land value density 较低（番茄：55,801 USDha?1yr?1；生菜：22,432 USDha?1yr?1），而独立光伏（特别是单轴跟踪系统）由于强烈的太阳辐射，实现了显著更高的值（约588,380 USD ha?1 yr?1）。因此，相应的APV系统 land value density 分别达到180,576 USDha?1yr?1（番茄）和160,554 USDha?1yr?1（生菜），比传统独立农业高出约3到7倍。更重要的是，B面板显示，当将干旱系统与高产的非干旱农业地区（西班牙）进行对比时，独立番茄种植表现出-41%的相对亏损。然而，通过整合APV配置，land value density 提高了+13%（单轴跟踪）到+33%（垂直跟踪），相对于非干旱地区提高了近70-90个百分点。分析表明，在干旱地区，将农业用地转换为APV的经济效益通常更高，因为这些地区的太阳潜力显著更强。相比之下，在非干旱地区，较高的作物产量加上相对较低的太阳产量减少了APV相对于传统农业使用的增量经济效益。因此，在干旱环境中，APV有效地弥补了低效农业和高效率光伏之间的巨大差距。总体而言，结果表明，APV在各种气候条件下都有益处，但在太阳资源丰富且基础农业生产力受限的干旱和半干旱地区，其技术和经济优势更为显著。虽然这与更广泛的经济解释一致，但APV的可行性仍强烈依赖于作物的适宜性和特定地点的因素，不应仅基于经济因素进行评估。总之，这项工作预见APV作为土地使用效率均衡器的潜力，可以在综合土地价值密度评估下，将农业劣势地区转变为接近竞争性的系统。6. 结论本研究全面总结了全球APV的发展情况，并对干旱和半干旱气候下的APV潜力进行了数据驱动的技术经济评估。通过整合实验证据和建模研究，综述确定了系统层面的普遍趋势，包括土壤和模块温度的降低、水分利用效率（WUE）和光能转换率（LER）的改善，涵盖了广泛的系统和作物类型。尽管如此，干旱地区的实证作物产量数据仍然有限，这突显了需要进行长期的大规模田间验证，以量化不同荫蔽条件和系统设计下的农业成果。进一步的分析表明，APV的性能强烈依赖于具体配置和背景。不适当的作物选择、过度遮荫或布局不当可能导致产量损失，这突显了针对特定作物的系统设计的重要性。当前APV建模方法的碎片化，涵盖了辐射、微气候、作物生长和光伏产量等方面，仍然是准确预测性能、财务可行性和大规模部署的关键障碍。全球评估发现干旱和半干旱地区有大约460万平方公里的可耕地，这意味着双重土地利用的巨大未开发机会。在15–25%的GCR下，这些土地理论上可以容纳139–231太瓦（TWp）的光伏装机容量，即使只利用1%，也能产生1.3-2.3太瓦的电力，几乎相当于当前的全球光伏发电量，同时维持农业生产。能源产量分析表明，单轴跟踪系统提供了最有利的能源-土地平衡，特别是在撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、印度西部和澳大利亚等地区，光伏收入潜力特别高。使用番茄和生菜作为耐荫代表性作物的作物级别分析表明，农业收入大致遵循耕种土地的分布，南亚、北非和东非地区的组合潜力最高。此外，在超级干旱地区，尽管光伏收入主导了APV效益，但在耕种土地资源充足的半干旱地区，可以实现光伏和作物的平衡效益。此外，表现最佳的APV配置可以将土地价值密度提高约3–7倍。未来，分析表明，在干旱地区，可耕种土地的可用性将是APV可扩展性的主要限制因素。虽然这些评估假设了基础农业生产力，但在未来的分析中纳入作物和配置特定的产量响应对于完善盈利能力估计和指导系统级优化至关重要。总体而言，APV成为干旱地区的一种战略性解决方案，为可再生能源发电、农业韧性和水资源保护提供了途径。要在更大范围内实现这一潜力，需要综合建模框架、长期田间数据、优化的系统和作物协同设计以及支持性政策机制，这些机制应认识到APV是一种多功能、适应气候的基础设施。作者贡献Dhanup Pillai：概念化、调查、资源获取、验证、初稿撰写、审稿与编辑、可视化、形式分析Sachin Jain：概念化、调查、软件开发、验证、形式分析Juan Lopez-Garcia：概念化、调查、初稿撰写、审稿与编辑、可视化、形式分析Abinisha Thiruchuthan：调查、资源获取、审稿与编辑Anas Karaki：审稿与编辑Oktoviano Gandhi：审稿与编辑Carlos Rodriguez：审稿与编辑Sertac Bayhan：审稿与编辑Veronica Bermudez：概念化、审稿与编辑关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的情况在准备这项工作期间，作者使用了OpenAI的ChatGPT来纠正原始句子中的拼写、语法、清晰度和整体编辑问题。在使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容。作者对提交的出版物内容负全责。