Агроэлектроэнергия: солнечная энергия над сельскохозяйственными культурами

Солнечные фермы нуждаются в земле, а лучшая земля для солнечной энергии, открытая, плоская и солнечная, зачастую является сельскохозяйственной. Это создает спокойный конфликт между продовольствием и энергией. Агроэлектроэнергия (также называемая агрофотоэлектричеством или солнечным совместным использованием) пытается разрешить эту проблему: панели на высоких опоры или в широко расположенных рядах, с культурами или пастбищами под ними и между ними.

Честное резюме: ** agrovoltaics доказано, чтобы повысить общую производительность гектара, часто на 50-80%, но он всегда отказывается от некоторой электроэнергии по сравнению с нормальной солнечной ферме, часто отказывается некоторый урожай по сравнению с открытым полем, и стоит больше, чтобы построить, чем любой из них. Он выигрывает там, где тень помогает урожаю, где земля слишком ценна, чтобы от нее отказаться, или где правила требуют продолжения сельского хозяйства.

Что это такое

Существует три широких конструкции (Fraunhofer ISE, 2024):

• Навесные (подпорные) системы. Панели на раме высотой от четырех до шести метров, так что тракторы и комбайны могут проходить под ними. Наиболее хорошо изученным примером является Хеггельбах в южной Германии.
• Системы промежуточных помещений. Ряды панелей на нормальной высоте с широкими продольными полосами между ними. Вертикальные, двусторонние (bifacial) панели, обращенные на восток и запад, являются одним из вариантов: в Epppelborn-Dirmingen в Германии вертикальная система мощностью 2 МВт оставляет по крайней мере 90% земли для обработки.
• Пастбища и опыляющие организмы под обычными солнечными фермами. Овцы под панелями являются распространенными; стоимость фермерства на гектар ниже, и некоторые эксперты вообще не считают это агроволокном.

Теплицы с солнечными крышами и панелями над садами, виноградниками и ягодами (где они могут заменить сетки от града и пластиковые покрытия) находятся между этими типами.

Как это работает

Свет делится, а не удвояется. Солнечный свет на поле имеет фиксированный бюджет: около 1000-2000 кВт/ч на квадратный метр в год в большинстве сельскохозяйственных регионов. Панели перехватывают часть его, а зерно получает остальное. Трудность в том, что многие культуры не могут использовать полный летний солнечный свет. Фотосинтез в листьях поднимается при свете и затем уплощается в точке насыщения светом; выше этого дополнительный свет добавляет тепловой и водный стресс, а не рост. Тенестойкие культуры, такие как листовые овощи, клевера, многие фрукты и ягоды насыщаются раньше и теряют мало, когда часть света уходит (Fraunhofer ISE, 2024). Солнечные культуры, такие как кукуруза или пшеница в холодный год теряют больше.

Соотношение эквивалента земли. Стандартный способ судить о совместном поле - это LER = Y_crop,shared / Y_crop,alone + Y_power,shared / Y_power,alone. Проще говоря: добавьте долю нормального урожая, который вы все еще получаете, к доле электроэнергии, которую вы получаете от нормальной солнечной фермы. КПЗ в 1,0 означает, что совместное использование не лучше, чем разделение земли на две части; 1,6 означает, что общий гектар выполняет работу 1,6 отдельных. Моделирование Дюпраза и коллег предсказало 1,35-1,73 для пшеницы и солнечного света в южной Франции (Dupraz et al., 2011).

Тени изменяют микроклимат. Под панелями почва весной и летом остается прохладнее, меньше воды испаряется, а в жаркие, сухие периоды культура может давать лучший урожай, чем на открытом поле (Barron-Gafford et al., 2019; Fraunhofer ISE, 2019). Панели также выигрывают: влажный воздух над растениями удерживает их немного прохладнее, чем панели на голой земле.

Электричество на гектар падает. Ряды должны быть расположены для света и машин, так что меньше панелей подходит. В Heggelbach установленная мощность на гектар была примерно на 25% ниже, чем у обычной солнечной фермы, но двусторонние панели высоко над землей ловили дополнительный отраженный свет, так что электричество на гектар составляло 83% от нормального хозяйства.

Пределы

Теоретически. Солнечный свет делится: каждый киловатт-час света, который принимают панели, урожай не получает. Агрофотоэлектричество может побеждать отдельное землепользование только тогда, когда культура не использует весь свет, который она получает (или был поврежден им). При высокой плотности панелей обе урожаи уменьшаются: нормальная солнечная ферма покрывает гораздо больше земли, чем может выдержать любая культура.

Практично.

• Выбор культуры. В нормальном немецком году надземные системы стоят пшенице, картофелю и сельдерею 18-19% их урожая. Это приемлемо только в том случае, если доходы от электроэнергии компенсируют их и урожай остается выше того, что фермеры считают пригодным для продажи (около 80%).
• Структурные расходы. Высокие каркасы, которые располагаются на комбайне, требуют больше стали и более глубоких фундаментов: Фраунгофер оценивает €372 за кВт для установки надземных систем против €76 для наземных солнечных батарей (Фраунгофер ИСЕ, 2024).
• Неравномерный свет и дождь. Линии тени и капельного дождя перемещаются в течение дня, поэтому культуры растут неравномерно, а дождь проходит по краям панелей в линиях, если он не собирается или распространяется.
• Фермерские работы. На пути стоят опоры; в Хеггельбахе полосы вокруг них отняли 8% поля из производства.
• Правила и земля. Во многих странах поле, на котором установлены панели, теряет свой сельскохозяйственный статус или субсидии, если только правила не определяют, что считается реальным двойным использованием, как это делается в немецком стандарте DIN SPEC 91434 и во французских тендерах, посвященных агроэлектроэнергетике (Фраунгофер ИСЕ, 2024).

Реальные проекты, измеренные

Проект	Что это такое	Что было измерено или отражено в отчетности	Источник
Хеггельбах, Германия (с 2016 года)	194 кВт с двухсторонних панелей на 5-метровых опоры более чем на трети гектара; ряды расстоянием 9,5 м друг от друга; пшеница, картофель, сельдерей, клевер	2017: clover −5.3%, other crops −18 to −19%; land use efficiency 160%. 2018 (hot, dry): celeriac +12%, potatoes +11%, wheat +3%, clover −8%; land use efficiency 186%. Light on the crop 30% lower. Electricity 1,266 kWh per kW in the first year and 1,285 kWh per kW in 2018 (249,857 kWh), against a German average of about 950	Фраунгофер ИСЕ, 2017; 2019
Испытательный полигон ” Биосфера-2 ” , Аризона, Соединенные Штаты	Овощные культуры, выращиваемые под панелями в засушливом климате, по сравнению с открытыми участками и обычной солнечной батареей	Затенение уменьшает стресс растений от засухи и повышает урожайность некоторых культур; панели над растениями работают прохладнее, чем на голой земле	Баррон-Гаффорд и др., 2019
Гельсдорф, Германия (2021)	258 кВт·ч полупрозрачных панелей над органическим яблоневым садом по сравнению с сетями от града и пластиковыми крышками	Исследования по вопросам освещения, защиты растений и общественного признания (в процессе получения результатов)	Фраунгофер ИСЕ, 2024
Края пустыни Гоби, Китай	700 МВтп на ягодных плантациях, также предназначенных для замедления процесса опустынивания	Сообщается о производственных мощностях; независимые данные о посевах не публикуются	Фраунгофер ИСЕ, 2024
Япония, «совместное использование солнечной энергии»	С 2013 года субсидировано более 3000 небольших систем	Число сообщенных систем	Фраунгофер ИСЕ, 2024

Из этого следует выделить два урока. Во-первых, одна и та же система дала результат в 160% в одном году и 186% в следующем, потому что погода изменила значение тени для сельскохозяйственных культур: агрофотоэлектричество следует оценивать на протяжении многих сезонов. Во-вторых, крупнейшие системы в мире публикуют наименьшее количество данных о сельскохозяйственных культурах. Наиболее убедительные доказательства по-прежнему поступают из горстки исследовательских сайтов.

Что это стоит

Вариант	Стоимость электроэнергии	Год и источник
Высокие навесные агрофотоэлектрические установки (свыше 4 м), Германия	около €0.08 за кВт/ч в среднем (8,15 евроцентов), около 50% выше наземной солнечной	2024, Руководство Fraunhofer ISE
” Интерспейс агрофотаники ” , Германия	около 0,06 евро за кВт/ч в среднем (6,03 цента), чуть выше наземных солнечных	2024 год, тот же источник
Агроэлектроэнергия в целом	0,06-0,10 евро за кВт·ч	2024 год, тот же источник
Дополнительные затраты на установку вместо наземной солнечной электростанции, Соединенные Штаты	$0.07 to $0,80 на Вт (наибольшее для культур под высокими конструкциями)	2020, НРЭЛ, Хоровиц и др.
Солнечная энергия в коммунальном секторе, Соединенные Штаты	$0.04 to $ 0,10 за кВт·ч	Июнь 2026, Lazard LCOE+ версия 19
Эталон: солнечная энергия на крыше здания	около $0.19 центральный	наша Модель стенового вентилятора
Коммерческие и общинные солнечные батареи на крышах, Соединенные Штаты	$0.09 to $ 0,20 за кВт·ч	Июнь 2026, Лазард

Что говорит таблица: против крыши сайта эталон, агроэлектроэнергия является дешевой электроэнергией; против обычной солнечной фермы, это дороже. Его дело не самый дешевый киловатт-час, но киловатт-час, который не стоит урожая. Фраунгофер отмечает, что фермерское хозяйство, использующее собственную энергию, вместо того чтобы покупать электроэнергию по цене 14-16 евроцентов за кВт/ч, экономит от 7 до 9 евроцентов на каждый вырабатываемый им кВт/ч.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Горячие, сухие и солнечные регионы, где тень и низкое испарение помогают культурам и снижают орошение.
• Фрукты, ягоды, виноград и овощи которые уже нуждаются в сетях от града, дождевой защите или теневой ткани: панели заменяют расходы, которые фермер платит в любом случае.
• Тенеустойчивые культуры и пастбища, такие как клевера, салат, шпинат и многие травы.
• Места, где сельскохозяйственные земли находятся под охраной и обычная солнечная ферма не будет разрешена, или где общины возражают против потери полей.
• Фермы, использующие собственную энергию для ирригационных насосов, холодильных камер, доильных, сушильных или электрических машин.

Он не может выиграть:

• На самой дешевой электроэнергии в одиночку. Нормальная солнечная ферма на земле никто не хочет, чтобы фермерство всегда будет дешевле.
• С солнечным голодным культурам в прохладном, облачном климате, где каждый световой проход имеет значение для урожайности.
• Где большие машины должны работать свободно, если только конструкция не высокая и широкая, что именно делает ее дорогой.
• Где субсидии или правила делают это солнечной фермой в маске. Выпас нескольких овец под плотными панелями полезен, но это не выигрыш от совместного использования земли, о котором идет речь на этой странице.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: что общие земли могут достигать соотношения эквивалента земельных ресурсов значительно выше 1 (160% и 186%, измеренные в Хеггельбахе); что затенение уменьшает урожайность солнечных культур в нормальные годы примерно на пятую часть при 30-процентном сокращении освещения; что затенение помогает некоторым культурам в жарких, сухих условиях; что высокие структуры повышают стоимость электроэнергии.

Правдоподобно: что агрофотоэлектричество повышает устойчивость культур к жаре и засухе по мере потепления климата (подтверждено экспериментами и моделированием, например, имитированная кукуруза на неорошаемых землях в северной Италии, которая давала все большую и более стабильную урожайность под панелями (Amaducci et al., 2018)); что панели могут заменить сетки от града и пластиковые крышки при выращивании фруктов; что только в Германии имеется место для около 1700 ГВт агрофотических систем на подходящих культурах (Fraunhofer ISE, 2024).

Спекулятивные: крупные глобальные оценки, такие как “менее чем 1% пахотных земель может компенсировать глобальный спрос на энергию” (Аде и др., 2019), в которых не учитываются такие факторы, как хранение, сетки и посевные культуры; долгосрочные последствия для почвы и экономики фермерских хозяйств на протяжении 25-30 лет; реакция сельскохозяйственных культур при весьма различных геометриях панелей, которые не были опробованы на местах.

Открытые исследовательские вопросы

• Какие культуры, в каких климатических условиях, сохраняют по крайней мере 80% своего урожая под 20-40% тени, в течение десяти сезонов, а не одного или двух?
• Могут ли панели, которые поворачиваются, чтобы пропустить свет на критических этапах роста растений, превзойти стационарные панели в достаточной степени, чтобы оправдать их стоимость?
• Как следует собирать и распределять дождевые воды с панелей, чтобы они не разрушали почву, а помогали ей?
• Сколько на самом деле стоит поддержание высоких конструкций в течение 30 лет на работающих фермах и как они влияют на страхование и технику?
• Как правила считают “реальное” сельское хозяйство под панелями, не приглашая солнечные фермы в маске?
• Кто владеет стоимостью: фермер, землевладелец или разработчик энергетических ресурсов?

Что нужно для рабочего прототипа

Для новой агрофотоэлектрической идеи (новая структура, новая стратегия отслеживания, новая система выращивания культур) рабочая модель означает реальные культуры и реальные панели, измеренные по сравнению со справочным участком без панелей, по крайней мере в течение одного полного сезона.

Фаза	Работа	Что это доказывает	Приблизительная стоимость	Время
0. Проектное исследование	Моделирование освещения и тени в течение года, модель посева для выбранной культуры, структура и смета расходов	Конструкция сохраняет достаточно света для вырубки на бумаге	$10k to $30к	2-3 месяца
1. Испытание на небольших участках	Несколько киловатт панелей на дублированном участке с открытым эталонным участком; датчики освещения (ПАР), влажности почвы, урожайности при сборе урожая, измерение электроэнергии	Измеренный урожай и электроэнергия, первое соотношение эквивалента земли	$40k to $120к	1 вегетационная
2. Многосезонные полевые испытания	50-200 кВт на рабочем поле с фермером, два или более сезонов, отбор проб под руководством агронома	Годовые колебания, доступ к технике, принятие фермерами	$250k to $600к	2-3 года
3. Коммерческий эксперимент	Разрешения, подключение к сети, сертификация конструкций, страхование урожая	Банковское финансирование проекта	зависит от размера	От 1 до 2 лет

Фазы 0-2 стоили примерно $300,000 to $750,000, в основном на сталь и годы агрономии. Это наши оценки, а не котировки.

Кто нам нужен

• Агроном или физиолог растений для выбора культур, проектирования реплицируемых участков и измерения урожая и качества.
• Конструктор фотоэлектрических систем, знакомый с бифациальными и трекинговыми системами и моделированием тени.
• Структура для высоких, длинных конструкций под нагрузками ветра и снега.
• Фермер-партнер с полем, техникой и терпением для многолетнего испытания.
• Гидролог для распределения осадков, влажности почвы и экономии орошения.
• Сельскохозяйственный экономист и юрист по землепользованию для проверки бизнес-модели и правил.

Есть идея получше?

Возможно, у вас есть более дешевая структура, система зерновых, которая любит тень, или умнее способ перемещения панелей в течение дня. Некоторые члены Фонда Local Solar System могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы идея была реализована, она должна иметь работающую реальную модель, которая фактически производит энергию, измеряемую на инструменте, а не заявленную. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и мы не можем обещать финансирование, доходы или внедрение.

Для агрофотоэлектрики, наименее дорогостоящим измерением, которое считается рабочей моделью, является один вегетационный сезон небольшого участка под панелями рядом с идентичным открытым участком, с датчиками света, взвешенным урожаем и измеренной электроэнергией. Это дает первое измеренное соотношение эквивалента земли. Отправьте ее через форму вклада и посмотрите, как она сравняется с другими идеями на радаре идей. Подходы братьев и сестер: плавающая солнечная использует водные поверхности вместо полей, а PV-термические крыши делают крыши делать две работы.

Источники

1. Фраунгофер ISE (2017). Использование солнечной энергии для производства электроэнергии и сельскохозяйственной продукции: агрофотоэлектричество повышает эффективность землепользования более чем на 60 процентов. Пресс-релиз, результаты первого года Heggelbach.
2. Фраунгофер ISE (2019). Агрофотоэлектричество: высокий урожай в жаркое лето 2018 года. Пресс-релиз.
3. Тромсдорфф, М. и др. (2024). Агрофототехника: возможности для сельского хозяйства и перехода к использованию энергии. Руководство для Германии, 3-е издание. Фраунгофер ИС.
4. Веселек А., Эманн А., Зикели С. и др. (2019). Агрофотоэлектрические системы: применение, проблемы и возможности. Обзор. агрономии в целях устойчивого развития 39, 35.
5. Дюпраз, К., Марру, Х., Талбот, Г. и др. (2011). Сочетание солнечных фотоэлектрических панелей и продовольственных культур для оптимизации землепользования: к новым схемам агроэлектроэнергии. Возобновляемые источники энергии 36(10), 2725-2732.
6. Баррон-Гаффорд, Г.А., Павао-Цукерман, М.А., Майнер, Р.Л. и др. (2019). Агрофотометры обеспечивают взаимные выгоды в рамках связи продовольствие-энергия-вода в засушливых районах. Натуральная устойчивость 2, 848-855.
7. Amaducci, S., Yin, X. и Colauzzi, M. (2018). Агроэлектрические системы для оптимизации землепользования в целях производства электроэнергии. Прикладная энергетика 220, 545-561.
8. Аде, Э.Х., Гуд, С.П., Калаф, М. и Хиггинс, К.У. (2019). Потенциал солнечной фотоэлектрической энергии наиболее велик над сельскохозяйственными угодьями. Научные отчеты 9, 11442.
9. Хоровиц, К., Рамасами, В., Макник, Дж. и Марголис, Р. (2020). Капитальные затраты на фотоэлектрические установки двойного назначения: эталон 2020 года для наземных фотоэлектрических систем с опылителем-дружественной растительностью, пастбищами и культурами. NREL/TP-6A20-77811.
10. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19: солнечная энергия для коммунальных предприятий $40 to $98 за МВт/ч; солнечная энергия для общин и C&I $88 to $197 за МВт/ч.
11. Local Solar System Foundation (2026). Вентилятор Стена: открытая модель, крыша солнечной эталон.