【Applied Energy最新原创论文】一种农业友好型单轴动态农业光伏系统:模拟、实验以及在中国传统暖棚的大规模应用

学术   2024-11-11 18:31   四川  

原文信息:

Agricultural friendly single-axis dynamic agrivoltaics: simulations, experiments and a large-scale application for Chinese Solar Greenhouses

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261924012741


Highlights

(1) Analyzing the spatial and temporal distribution patterns of light fields under agrivoltaics (APV).

(2) Applying phenotypic and canopy photosynthesis techniques to the study of plants under APV.

(3) Integrating dynamic photovoltaic strategies with crop stubble.

(4) A large-scale case comprising 60 photovoltaic greenhouses was completed.

摘要

近年来,农业光伏(APV)概念取得了进展,但尚未得到广泛推广和大规模应用,其主要障碍在于对作物栽培的影响尚未达到最佳效果。本研究利用双面组件在雄安(N39.02°,E116.11°)建立了两套单轴动态跟踪光伏(PV)系统: 太阳能跟踪(ST)采用最大发电量策略,反向跟踪(RT)采用最小阴影面积跟踪策略。与固定轴光伏系统(倾角=25°)相比,ST 使发电量增加了 3.9%,而 RT 则使发电量减少了 34.7%。ST 和 RT 的发电量差异在晴天和多云天气最为明显,阴天的差异很小。我们通过分析生菜生长期间冠层面积的变化来研究这些系统对作物生长的影响,并使用冠层光合作用和蒸腾测量系统(CAPTS)比较春小麦(C3 作物)和谷子(C4 作物)的净光合速率(Pn)。结果表明,生菜在整个生长期在 ST 条件下叶面积较大,谷子在 RT 条件下净光合速率较高,而春小麦在两种条件下的净光合速率差别不大。本研究将上述研究配置与位于北京榆垡的中国传统暖棚(CSG)相结合。在生产季节,动态光伏系统切换到无阴影模式,以确保温室内作物的光合作用。反之,在CSG闲置季节,系统会切换到ST模式,以确保光伏发电。通过整合发电和种植数据,土地等值比(LER)可达到 1.46,投资回报率(ROI)按建设成本计算为 20%。通过实验和实际案例研究,动态光伏系统显然可以与 CSG 有效集成,为光伏发电和作物种植提供充足的土地和空间。

更多关于"农业光伏"的研究详见:

https://www.sciencedirect.com/search?qs=Agrivoltaics&pub=Applied%20Energy&cid=271429

Abstract

The concept of agrivoltaics (APV) has made progress in recent years but has not yet been widely promoted and applied on a larger scale. The main hindrance lies in the fact that the effects on crop cultivation have not been optimal. This study establishes two sets of single-axis dynamic tracking photovoltaic (PV) systems utilizing bifacial modules: Solar tracking (ST) employing the maximum power generation strategy, and Reverse tracking (RT) employing the minimum shadow area tracking strategy for ground-mounted tracking. In Xiongan (N39.02°, E116.11°), ST increases power generation by 3.9% compared to fixed-axis PV systems (Tilt=25°), while RT decreases power generation by 34.7%. The discrepancy in power generation between ST and RT is most noticeable on clear sky and partly cloudy days, with minimal difference on cloudy days. We investigate the impact of these systems on crop growth by analyzing changes in canopy area during the lettuce growing period and compare the net photosynthetic rates (Pn) of spring wheat (C3 crop) and millet (C4 crop) using canopy photosynthesis and transpiration measurement systems (CAPTS). The results indicate that lettuce shows a larger leaf area under ST throughout the growing period, millet exhibits a higher net photosynthetic rate under RT, while there is marginal difference in the Pn of spring wheat under both systems. This study integrates the above research configuration with Chinese Solar Greenhouses (CSGs) located in Yufa, Beijing. During the production season, the dynamic PV systems switch to the shadow-free mode to ensure the photosynthesis of crops within the CSGs. Conversely, during the idle season of the CSGs, the system shifts to ST mode to ensure PV power generation. By integrating power generation and planting data, the Land Equivalent Ratio (LER) can reach 1.46, with the Return on Investment (ROI) of 20% based on construction costs. Through experiments and practical case studies, it is evident that dynamic PV systems can be effectively integrated with CSGs, providing sufficient land and space for both PV power generation and crop cultivation.

Graphics

图1. 实验基地的示意图

图2. APV光场模拟流程及结果

图3. APV光场测量结果

图4. APV下作物表型分析

图5. APV下作物冠层光合作用分析

图6. 动态光伏与中国传统温室结合

团队介绍

本研究由中国科学技术大学、雄安创新研究院、中电投新农创科技有限公司以及以色列的研究人员共同完成。


第一作者简介:

张伟,毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所,现任雄安创新研究院助理研究员,从事农业光伏系统模拟及实验验证,农业光伏下植物表型及光合作用研究以及设施农业植物光配方等研究。


通信作者简介:

刘文,中国科学技术大学光学与光学工程系教授,教育部长江学者,安徽省光电子科学与技术重点实验室主任。主要从事光电子技术研究,曾担任863、973、科技部重点研发计划首席科学家。


张昕昱,中国科学技术大学光学与光学工程系副研究员。主要从事兼顾光合作用及光储直柔的光电农业技术研究。专注于植物光度学、半导体照明、光学传感及智能控制领域,面向能源农业、工厂化农业应用。曾获全国优秀创新创业博士后。以第一及通讯作者在Applied Energy等国际知名期刊发表论文12篇,授权专利27项。近三年主持国家自然科学基金青年项目、中国科大雄鹰基金等省部级以上项目10余项,成果荣获美国R&D100、国务院国资委双碳案例一等奖、全国博士后双创大赛优胜奖等荣誉。

关于Applied Energy

本期小编:李康;审核人:赵秉旭

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