论文信息：
Wei Zhang, Zonghan Yue, Haoyu Ma, Yang Gao, Wenjun Liu, Xiangsheng Huang, Long Zhang, Xiangyu Meng, Abraham Kribus, Helena Vitoshkin, Wen Liu, Xinyu Zhang. Agricultural friendly single-axis dynamic agrivolatics: Simulations, experiments and a large-scale application for Chinese solar greenhouses. Applied Energy, 2024.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123891
研究背景
APV（Agrivoltaics）作为一种新的能源农业解决方案，通过在太阳能电池板下种植作物和利用土地进行农业和能源生产，为解决粮食安全和能源危机提供了潜力。与庞大的光伏产业相比，APV作为一个相对较小的分支，其技术创新主要来源于光伏技术的进步。两个值得注意的创新是引入了动态光伏和双面太阳能电池技术，这大大增加了APV下的发电量和适合种植的作物范围。APV条件下的光场限制了植物的生长，目前主要通过光伏放置、跟踪策略和新型光伏技术来降低光伏对植物的影响，大多数关于APV条件下光场的研究仅限于软件建模和传感器测量，并且只关注植物的最终产量，而忽略了整个生长发育过程和与光合作用相关的理论。从APV发展的角度来看，虽然新技术的引入进一步提高了系统的辐射利用效率，但不可忽视的一点是成本的增加，如何将现有技术与特定地区的农业相结合也是成败的关键。在这项研究中，通过使用双面光伏组件实现了两个APV安装，并设置了太阳能跟踪(ST)和反向跟踪(RT)两个模式，通过软件模拟和仪器测量来探索每个装置下地面光分布的时空变化。为了进一步探索APV模式下植物的生长情况，同时整合了表型组学和冠层气体交换技术来监测设施内的生菜生长和发育。在中国太阳能温室(CSG)的开放空间中使用双面光伏系统，并结合定制的跟踪策略可缓解温室内作物的遮阳问题，该方法优化了土地利用，提高了发电量，为中国的APV发展提供了一个有前途的模式，对设施农业的发展具有重要的借鉴意义。
相关成果以“Agricultural friendly single-axis dynamic agrivolatics: Simulations, experiments and a large-scale application for Chinese solar greenhouse”为题发表在期刊《Applied Energy》（IF=10.1，JCR一区，中科院一区TOP）上。文章第一作者为中国科学技术大学张伟教授，通讯作者为中国科学技术大学刘文。
研究内容
太阳能光伏板单轴跟踪技术旨在光伏板捕获最大数量的太阳能，实现最大发电量。对于APV，在ST（Solar Tracking）下，需要调整太阳能电池板的倾斜角度，使直射阳光尽可能垂直地照射到电池板上，作物在整个生长周期内存在最大程度的遮阳。另一方面，在RT（Reverse Tracking）条件下，目的是为太阳能电池板下的植物提供更多的阳光，因此，希望使太阳能电池板尽可能与阳光直射平行，作物在整个生育期的遮荫程度最低。如图1所示展示为ST和RT系统示意图和照片。
图1. ST和RT(a)实验系统示意图和(b)照片
为了更有效地分析动态PV的辐照，可以采用分段建模进行精确计算。在研究一天内地面辐射的空间波动过程中，将其划分为3个时间段：7:00-8:00、8:00-17:00和17:00-18:00。在7:00-8:00之间，RT角度保持恒定在−60°，而ST角度在17.04 - 27.60°之间。为了建模目的选择中位数24.32°来表示这一时期的ST。8:00 - 17:00之间，RT在-60°到-55°之间变化，ST在29.06°到35.00°之间变化同样选择中间值，ST为34.29°，RT为-55.71°，来模拟这段时间内的角度。从17:00到18:00，RT保持在−60°，ST则选用中间值24.39°。图2a和b描绘了在RT和ST管理下种植区域的日光积分(DLI)分布。通过计算这些地区的平均DLI，分析发现，在ST下，平均DLI为20.42 mol/m2/d，而在RT下，平均DLI为31.24 mol/m2/d，与RT相比，DLI高出53.06%。如图2c所示，对DLI数据集的方差评估显示，RT和ST的方差分别为2.82和3.48，表明RT下的光场环境比ST下更均匀，这表明RT模式比ST模式更有利于光照需求较高的作物。
图2. 在(a)RT和(b)ST种植区的DLI分布；(c)RT和ST模式下的方差.*****p＜0.0001
通过收集2023年4-9月ST和RT的发电数据，并与相同装机容量下的固定倾斜光伏发电进行比较，结果如图3所示。6个月固定倾斜光伏发电21116.4 kWh， ST发电2199.9 kWh， RT发电1381.1 kWh。从结果来看，ST的发电量与固定倾斜光伏发电相似，增幅约为3.9%；RT发电量达到了固定倾斜光伏发电容量的65.3%。
图3. ST和RT模式及固定倾斜角下2023年4-9月发电量
对比两个跟踪系统在不同天气条件下的性能，结果如图4所示，晴天(图4a)和部分多云天(图4c)的ST和RT功率差异显著，晴天尤其明显。而在阴天，两种系统的发电量差异不大(图4b)。
图4.不同天气条件下的日发电量。(a)晴天；(b)阴天；(c)部分多云。
为了对比不同跟踪模式下植物生长状况，通过选择生长稳定的莴苣幼苗，在盆栽中种植。每个试验期和试验期各选择4株生菜，其中包括一个露天对照组。在生菜生长初期，利用支撑系统每3天拍摄一次垂直照片，记录生菜冠层的变化，使用PlantCV软件包(v4.0.1)提取代表生菜冠层变化的像素值，反映作物生长发育的速度，生菜冠层面积试验结果表明，生菜作为一种需要弱光的作物，在强光下生长受到明显的抑制。与RT相比，ST处理下的生菜生长速度更快。番茄和辣椒对于光照需求量更大，同时开展对比试验结果显示两种作物在RT下的产量均高于ST。通过分析粟（C4植物）和春小麦（C3植物）在ST和RT条件下的冠层光合速率变化，结果显示RT处理下的光合速率显著大于ST处理，但两种处理下春小麦的光合速率差异不显著。APV难以在农田大规模推广的主要原因是难以考虑到高光需求作物的生长，而RT模型可以最小化阴影对作物的影响；对于对光需求不敏感的作物，ST模式可以产生更多的能量。
APV在中国日光温室的应用潜力巨大，灵活使用ST和RT策略可以与中国大规模的温室相结合，从而可以种植不耐阴的作物。在实际应用中，一些温室可能会根据特定作物的生长特性选择使用两种策略的组合，以平衡发电和光调节要求。例如，可以在生长季节使用RT，以确保植物的最佳生长，而ST可以切换到冬季电力需求高的时期，以增加电力供应。这种综合战略可以根据季节和需求波动优化温室生产。最终的决定取决于温室的具体情况、种植的作物和经济可行性。无论选择何种策略，详细的技术和经济评估都是确定光伏系统最佳配置和运行策略的必要条件。为了更好地展示将ST和RT与温室相结合的耦合效益，分析了中国北方广泛种植的几种经济重要作物。通过收集它们的年生长期、相应的APV跟踪策略和单位容量发电量(1KW)的数据，形成结果如图5所示。在不同的作物生长阶段采用不同的APV跟踪策略，可以在达到一定发电量的同时平衡作物产，根据作物不同生长阶段满足特定光需求。
图5. 中国日光温室和APV跟踪策略：(a)番茄；(b)辣椒；(c)草莓；(d)茄子；(e)黄瓜；(f)西瓜。*使用PVsyst模拟发电过程。选取局部光伏系统的最佳倾角作为参考，最大功率角用于单轴跟踪(ST)，最小功率角用于反向跟踪(RT)
结论与展望
APV的一个关键挑战是PV下的光照不足，这限制了植物的生长。通过将模拟和实验验证相结合，使用DLI和PAR数据进行评估，以表征PV下的光场变化。结果表明，RT模式在光照量和均匀性方面优于ST模式，有利于光照需求较高的作物。光照强度与露天相似，呈单峰变化趋势，光照强度仅在早晚变化较大。目前研究的局限性在时间跨度小，难以模拟真实的跟踪PV条件。由于能源危机和粮食安全需求，APV产业将蓬勃发展，作为最大的光伏和农业国家，在不影响耕地的情况下发展APV + CSG是一个明智的选择。以北京的光伏温室基地的数据显示，西瓜的APV + CSG的投资回报率为20%，土地产值比以前高2.44倍，年减碳量超过5000吨，突显了其良好的投资和碳中和潜力。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123891
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