太阳能农业的复兴之路

　　一些想法在一夜之间涌现，而其他人则生根得更慢，等待适当的条件茁壮成长。Agrovoltaics是一个太阳能电池板和粮食作物在同一块土地上共存的系统，它恰恰属于后一类。

　　弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的创始人阿道夫·戈茨伯格（Adolf Goetzberger）和阿明·扎斯特罗（Armin Zastrow）在1981年开创了这一理念。当时，光伏发电的价格昂贵，电脑也很少见。因此，他们研究了可编程袖珍计算器上的两用系统的方程式，并发表了一篇名为Kartoffeln unterm Kollektor（面板下的马铃薯）的论文 - 阿道夫·戈茨伯格后来指出这是一个很容易接受的原因，因为马铃薯在一点点阴影下生长得更好。

　　三十五年后，世界似乎已经为他们的想法做好了准备。自2010年以来，太阳能电池板的价格暴跌了50％以上 - 许多农民发现在巨大的太阳能电池阵列之下种植作物更有利可图。对于任何一个农民来说，这种转变具有经济意义。但是，它逐渐地建立了一场可能破坏全球粮食安全的游戏。

　　Agrovoltaics正是摆脱困境的一种方式。也就是说，如果它能够满足世界对食物和能源的贪婪欲望。其中存在一个关键问题：农民可以在太阳能电池板下获得相同的食品生产吗？有越来越多的研究表明它们可以。

　　太多的阴影会伤害庄稼，太少会损害发电量。太阳能电池板之间的适当间距以及阵列的倾斜是获得正确的电力和作物生产组合的关键。

　　2010年，Christian Dupraz和他在法国国家农业研究所的同事建立了蒙彼利埃附近的第一个农业研究农场。他们在充足的阳光下种植了两种作物，而另一种作物则采用标准密度的光伏阵列 - 这种电池产生的电量最多。第三季作物在半密度阵列下生长，这使得更多的光通过太阳能电池板。

　　在三个生长季节结束时，在全密度面板下种植的作物已经损失了近50％的生产力。这并不特别令人惊讶。值得注意的是，半密度板下的植物与完全日照下的植物一样多产，甚至更多。

　　例如，研究员 HélèneMarrou解释说，生菜通过增加叶片大小来适应低光照。她还在2013年的一篇论文中写道，在一个变暖的世界里，供水可能供不应求，太阳能电池板下的阴影植物可以减少对水的需求。“我们在这个实验中表明，用PVP（光伏发电系统）遮蔽灌溉的蔬菜作物可以节省14％到29％的蒸发水，这取决于产生的阴影水平和作物种植。”

　　太多阴影会伤害庄稼，太少会损害发电量。太阳能电池板之间的适当间距以及阵列的倾斜是获得正确的电力和作物生产组合的关键。

　　在法国的研究结果的基础上，弗劳恩霍夫研究所的德国研究人员- 阿道夫·戈茨伯格（Adolf Goetzberger）正式启动 - 已经开始讨论大型农场运营的可行性问题。在德国康斯坦茨湖附近三分之一公顷的农田上，他们安装了720个双面太阳能电池板 - 这意味着它们可以捕捉来自上方和下方的光线。在法国，然而他们的面板安装离地面很高，让最多的日光可能达到农作物并且使大型农场设备阵列下移动。

　　2016年9月，研究人员将太阳能试验工厂连接到电网，并在阵列下种植冬小麦，芹菜，马铃薯和三叶草。在第一年之后，食物和电力的总产量比每两平方米收获的食物和电力高出60％。

　　与在阳光下生长的三叶草相比，三叶草做得最好，生产力仅下降了约5％。与没有太阳能电池板的试验地块相比，马铃薯，小麦和芹菜的产量降低了约19％。弗劳恩霍夫研究所的学生助理Benedikt Klotz解释说：“整体发电远远超过农业损失。”

　　这些面板提供了足够的能量，可为62个家庭供电一年; Klotz说，目标是在未来提升这一目标。该试点研究计划持续三年。“最终，我们希望引领APV（agrophotovoltaics）进入大规模建设的行业准备阶段。”

　　假设，如果美国种植的所有莴苣都转变为农业光伏系统，它可能会使该国整个装机容量增加一倍。

　　那么这有多大呢？这是最近一些模型研究所解决的问题。例如，密歇根技术大学的工程师Joshua Pearce想知道如果太阳能电池板安装在印度的葡萄农场会发生什么。考虑到葡萄的耐荫性，他和同事创建了一个技术经济的计算机模型，插入了数字，发现与传统农业相比，印度葡萄农场的经济价值可以增加15倍以上 - 葡萄产量没有下降。如果土地的这种双重用途发生在印度，那么能源发电可能足以为1500万人提供电力。

　　Pearce及其同事还研究了美国的莴苣种植。假设，如果美国的所有生菜生产都转换为农业系统，光伏发电可以增加40到70千兆瓦。从这个角度来看，这个数字几乎是2017年底美国整个光伏发电装机容量的两倍。