太陽能農業(yè)的復興之路

　　一些想法在一夜之間涌現(xiàn)，而其他人則生根得更慢，等待適當?shù)臈l件茁壯成長。Agrovoltaics是一個太陽能電池板和糧食作物在同一塊土地上共存的系統(tǒng)，它恰恰屬于后一類。

　　弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所的創(chuàng)始人阿道夫·戈茨伯格（Adolf Goetzberger）和阿明·扎斯特羅（Armin Zastrow）在1981年開創(chuàng)了這一理念。當時，光伏發(fā)電的價格昂貴，電腦也很少見。因此，他們研究了可編程袖珍計算器上的兩用系統(tǒng)的方程式，并發(fā)表了一篇名為Kartoffeln unterm Kollektor（面板下的馬鈴薯）的論文 - 阿道夫·戈茨伯格后來指出這是一個很容易接受的原因，因為馬鈴薯在一點點陰影下生長得更好。

　　三十五年后，世界似乎已經為他們的想法做好了準備。自2010年以來，太陽能電池板的價格暴跌了50％以上 - 許多農民發(fā)現(xiàn)在巨大的太陽能電池陣列之下種植作物更有利可圖。對于任何一個農民來說，這種轉變具有經濟意義。但是，它逐漸地建立了一場可能破壞全球糧食安全的游戲。

　　Agrovoltaics正是擺脫困境的一種方式。也就是說，如果它能夠滿足世界對食物和能源的貪婪欲望。其中存在一個關鍵問題：農民可以在太陽能電池板下獲得相同的食品生產嗎？有越來越多的研究表明它們可以。

　　太多的陰影會傷害莊稼，太少會損害發(fā)電量。太陽能電池板之間的適當間距以及陣列的傾斜是獲得正確的電力和作物生產組合的關鍵。

　　2010年，Christian Dupraz和他在法國國家農業(yè)研究所的同事建立了蒙彼利埃附近的第一個農業(yè)研究農場。他們在充足的陽光下種植了兩種作物，而另一種作物則采用標準密度的光伏陣列 - 這種電池產生的電量最多。第三季作物在半密度陣列下生長，這使得更多的光通過太陽能電池板。

　　在三個生長季節(jié)結束時，在全密度面板下種植的作物已經損失了近50％的生產力。這并不特別令人驚訝。值得注意的是，半密度板下的植物與完全日照下的植物一樣多產，甚至更多。

　　例如，研究員 HélèneMarrou解釋說，生菜通過增加葉片大小來適應低光照。她還在2013年的一篇論文中寫道，在一個變暖的世界里，供水可能供不應求，太陽能電池板下的陰影植物可以減少對水的需求。“我們在這個實驗中表明，用PVP（光伏發(fā)電系統(tǒng)）遮蔽灌溉的蔬菜作物可以節(jié)省14％到29％的蒸發(fā)水，這取決于產生的陰影水平和作物種植。”

　　太多陰影會傷害莊稼，太少會損害發(fā)電量。太陽能電池板之間的適當間距以及陣列的傾斜是獲得正確的電力和作物生產組合的關鍵。

　　在法國的研究結果的基礎上，弗勞恩霍夫研究所的德國研究人員- 阿道夫·戈茨伯格（Adolf Goetzberger）正式啟動 - 已經開始討論大型農場運營的可行性問題。在德國康斯坦茨湖附近三分之一公頃的農田上，他們安裝了720個雙面太陽能電池板 - 這意味著它們可以捕捉來自上方和下方的光線。在法國，然而他們的面板安裝離地面很高，讓最多的日光可能達到農作物并且使大型農場設備陣列下移動。

　　2016年9月，研究人員將太陽能試驗工廠連接到電網，并在陣列下種植冬小麥，芹菜，馬鈴薯和三葉草。在第一年之后，食物和電力的總產量比每兩平方米收獲的食物和電力高出60％。

　　與在陽光下生長的三葉草相比，三葉草做得最好，生產力僅下降了約5％。與沒有太陽能電池板的試驗地塊相比，馬鈴薯，小麥和芹菜的產量降低了約19％。弗勞恩霍夫研究所的學生助理Benedikt Klotz解釋說：“整體發(fā)電遠遠超過農業(yè)損失。”

　　這些面板提供了足夠的能量，可為62個家庭供電一年; Klotz說，目標是在未來提升這一目標。該試點研究計劃持續(xù)三年。“最終，我們希望引領APV（agrophotovoltaics）進入大規(guī)模建設的行業(yè)準備階段。”

　　假設，如果美國種植的所有萵苣都轉變?yōu)檗r業(yè)光伏系統(tǒng)，它可能會使該國整個裝機容量增加一倍。

　　那么這有多大呢？這是最近一些模型研究所解決的問題。例如，密歇根技術大學的工程師Joshua Pearce想知道如果太陽能電池板安裝在印度的葡萄農場會發(fā)生什么?？紤]到葡萄的耐蔭性，他和同事創(chuàng)建了一個技術經濟的計算機模型，插入了數(shù)字，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)農業(yè)相比，印度葡萄農場的經濟價值可以增加15倍以上 - 葡萄產量沒有下降。如果土地的這種雙重用途發(fā)生在印度，那么能源發(fā)電可能足以為1500萬人提供電力。

　　Pearce及其同事還研究了美國的萵苣種植。假設，如果美國的所有生菜生產都轉換為農業(yè)系統(tǒng)，光伏發(fā)電可以增加40到70千兆瓦。從這個角度來看，這個數(shù)字幾乎是2017年底美國整個光伏發(fā)電裝機容量的兩倍。