农用光伏:作物上的太阳能

太阳能农场需要土地，而最适合太阳能的开阔、平坦和阳光明媚的土地往往是农田。 这就在食物和能源之间制造了一个无声的冲突。 农用光伏(也称为农用光伏或太阳能共享)试图解决这个问题:在高支撑上或间距宽的行中安装电池板,并在下面和之间种植作物或放牧。

诚实的总结: * * 农用光伏已被证明可以提高一公顷土地的总产量,通常是50%到80 % , 但与普通太阳能农场相比,它总是会放弃一些电力,与露天田地相比,它往往会放弃一些作物产量,并且建造成本比任何一种都要高。 当阴影有助于作物生长,土地太宝贵而无法放弃,或者规则要求农业继续进行时,它就会获胜。 * *

什么是

目前有三种广泛的设计(Fraunhofer ISE, 2024 ) :

• Overhead (stilted) systems. Panels on a frame four to six metres high, so tractors and combine harvesters can pass underneath. 研究最为深入的例子是德国南部的黑格尔巴赫。
• 间隙系统。 行的面板在正常高度与宽的农场条之间。 垂直的双面板面向东西方,这是一种选择:在德国Eppelborn-Dirmingen,一个2兆瓦的垂直系统至少保留了90%的可耕地。
• 传统太阳能农场下的放牧和授粉栖息地。 面板下的羊是常见的;每公顷的耕作价值较低,一些专家根本不把这算作农业光伏。

具有太阳能屋顶和面板的温室,在果园、葡萄园和浆果(在这些地方可以取代冰雹网和塑料盖)坐在这些类型之间。

它是如何工作的

光是共享的,而不是双倍。 田间的阳光是固定预算:在大多数农业地区,每年每平方米约1000至2000千瓦时。 面板截获部分,作物得到其余的。 诀窍是许多作物不能使用夏天的全部阳光。 叶子中的光合作用随着光线的增加而上升,然后在光饱和点平坦;在这一点以上,额外的光会增加热量和水分压力,而不是生长。 耐阴作物,如叶绿植物、三叶草、许多水果和浆果等,在光线被部分遮挡时会很早饱和并且损失不大(Fraunhofer ISE, 2024 ) 。 像玉米或小麦这样的日光热量较多的作物在寒冷的年份损失更多。

土地等值比例 判断共享字段的标准方法是LER = Y_crop,shared / Y_crop,alone + Y_power,shared / Y_power,alone。 简单来说:把你仍然能得到的正常收成份额加到你所获得的正常太阳能电厂的电力份额上。 LER值为1.0意味着共享不比将土地分成两半更好;1.6意味着一个共享的公顷可以完成1.6个单独公顷的工作。 Dupraz等人的模型预测法国南部小麦和太阳能的产量为1.35至1.73(Dupraz et al . , 2011 ) 。

阴影改变了微气候。 在板下的土壤在春夏季保持凉爽,水蒸发较少,在炎热干旱的时期作物比露天田地做得更好 (Barron-Gafford等人 . , 2019; Fraunhofer ISE, 2019 ) 。 电池板也会受益:植物上方的潮湿空气使其比裸露地面上的电池板稍微凉爽一些。

每公顷的电力下降。 行间必须有足够的距离,以便照明和机器,因此适合安装的面板较少。 在Heggelbach,每公顷的安装容量比传统太阳能电厂低25 % , 但地面高处的双面板捕捉了额外的反射光,因此每公顷的发电量是正常农场的83 % 。

限制

理论上。 阳光是共享的:每千瓦小时的光面板采取,作物不会得到。 农用光伏技术只能在作物没有使用所有接收到的光线（或受到损害）时才能击败单独的土地利用。 在高电池板密度下,两种收成都会缩小:一个正常的太阳能农场所覆盖的地面比任何作物都要大得多。

实用

• 作物选择。 在德国,在一个正常的年份里,小麦、土豆和芹菜的空中系统成本占其产量的18%到19 % 。 只有在电力收入能够弥补这一差距，而且收成高于农民认为可销售的水平（约80%）时，才能接受这种做法。
• 结构成本。 跨越联合收割机的高架需要更多钢材和更深的地基:弗劳恩霍夫估计安装天线系统每千瓦时需372欧元,而地面安装太阳能发电系统则需76欧元。弗劳恩霍夫ISE,2024年).
• 不均匀的光线和雨水。 阴影和滴水线在一天中移动,因此作物生长不均匀,雨水以线状流离失所,除非被收集或散布。
• 农场工作 支撑物会阻碍作业;在黑格尔巴赫,支撑物周围的土地带占了8%的田地生产。
• 规则和土地。 在许多国家,面板下的田地失去了其农业地位或补贴,除非规则定义什么算是真正的双重用途,如德国DIN SPEC 91434标准和法国专门的农用光伏招标(弗劳恩霍夫ISE,2024年).

实际项目，计量

项目	什么是	衡量或报告的内容	来源
德国黑格尔巴赫 (2016年起)	194 kWp双面板,5米支撑,超过三分之一公顷;行距9.5米;小麦、马铃薯、芹菜、三叶草	2017年:三叶草 -5.3 % , 其他作物 -18%至-19 % ; 土地利用效率为160 % 。 2018年(炎热干旱 ) : 芹菜 +12 % , 马铃薯 +11 % , 小麦 +3 % , 三叶草 -8 % ; 土地利用效率为186 % ; 光照下降了30 % 。 第一年每千瓦时的电力消耗为1266千瓦时,2018年为1285千瓦时(249857千瓦时 ) , 而德国平均值约为950千瓦时。	中国电力协会, 2017; 2019
美国亚利桑那州生物圈2号试验场	与开放式地块和正常太阳能阵列相比,在干旱气候下的电池板下种植的蔬菜作物	遮阳减少了植物的干旱应激，提高了一些作物的粮食产量；植物上面的板比裸露地面上的更凉爽	巴伦-加福德等人,2019年
德国格尔斯多夫 (2021年)	与冰雹网和塑料盖相比,半透明面板在有机苹果园上安装了258千瓦时	关于光、作物保护和公众接受的研究(正在取得成果)	弗劳恩霍夫ISE,2024年
戈壁沙漠边缘,中国	700兆瓦时用于浆果种植园，也旨在减缓荒漠化	报告的能力；没有公布独立作物数据	弗劳恩霍夫ISE,2024年
日本 , ” 太阳能共享”	自2013年以来,已有超过3000个小型系统	报告的系统数目	弗劳恩霍夫ISE,2024年

其中有两个教训值得一提。 首先，同一系统在一年中产生了160%的结果，在下一年又产生了186%的结果，因为天气改变了阴影对作物的意义：农用光伏必须在多个季节进行评估。 其次，世界上最大的系统发布的作物数据最少。 最有力的证据仍然来自少数研究站点。

! [ Heggelbach农用光伏系统的高钢支撑之间生长的作物,头顶倾斜的电池板。 ] ( . . / . . / . . /assets/earth/agrivoltaics-heggelbach-under.jpg “德国Heggelbach的小麦在电池板下面。 图片:托比·凯尔纳 CC BY-SA 4.0”)

什么是它的成本

选择	电费	年份和来源
高架农用光伏(4米以上 ) , 德国	平均每千瓦时约0.08欧元(8.15欧分 ) , 比地面安装太阳能发电高出约50%	2024年, 弗劳恩霍夫ISE指南
德国Interspace农用光伏	平均约每千瓦时0.06欧元(6.03欧分 ) , 略高于地面安装的太阳能	2024年，同一来源
农用光伏总体情况	每千瓦时0.06至0.10欧元	2024年，同一来源
地面太阳能电厂的额外安装成本，美国	$0.07 to $每瓦0.80(高架结构下作物的最高值)	2020年, NREL, Horowitz等人
公用事业规模的太阳能，美国	$0.04 to $每千瓦时0.10	June 2026, Lazard LCOE+ version 19
基准:屋顶太阳能在建筑物	约0.19美元 中央	我们的 风扇墙模型
美国商业和社区屋顶太阳能	$0.09 to $每千瓦时0.20	June 2026, Lazard

表格中说的是:与站点的屋顶基准相比,农用光伏是廉价电力;与正常的太阳能农场相比,它更贵。 其案例不是最便宜的千瓦时,而是不需要收获成本的千瓦时。 弗劳恩霍夫指出,一个使用自有电力的农场,而不是以每千瓦时14至16欧分的价格购买电力,它所产生的每千瓦时节省7至9欧分。

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 热,干燥和阳光明媚的地区,在那里阴影和较低的蒸发有助于作物和减少灌溉。
• 水果、浆果、葡萄和蔬菜 已经需要冰雹网、雨罩或遮阳布的农户:这些板子取代了农民无论如何都要支付的费用。
• 耐阴作物和草地,如三叶草、生菜、菠菜和许多草药。
• 农田受保护的地点 并且不允许建造正常的太阳能农场,或者社区反对失去田地。
• 使用自身能源的农场 灌溉泵、冷库、挤奶、干燥或电动机械。

它不能赢得:

• 在最便宜的电力单独。 在土地上没有人想要耕种正常的太阳能农场将永远是更便宜的。
• 在阴凉多云的气候中种植需要阳光的作物,每一点光线都对产量有影响。
• 大型机器必须自由工作的地方,除非结构高大宽阔,这正是它的成本所在。
• 在补贴或规则使它成为伪装的太阳能农场的地方。 在密集的电池板下放牧几只羊是有用的,但这不是本页所讨论的土地共享收益。

什么是证明,合理和推测

证明： 共有土地的土地当量比率可以远高于1(在黑格尔巴赫测得的为160%和186 % ) ;在正常年份,阴影会使渴望阳光的作物在光线减少30%时产量下降约五分之一;阴影有助于一些作物在炎热干旱条件下生长;高大的建筑物会提高电费。

可能的： 农业光伏技术提高了作物对气候变暖时的热量和干旱的抵御能力(得到试验和建模的支持,例如在意大利北部模拟雨水灌溉玉米,在太阳能电池板下产量越来越稳定)Amaducci等人,2018年) ; 电池板可以取代冰雹网和塑料覆盖在水果种植; 仅德国就有空间为大约1700GW的农业光伏适合作物 (弗劳恩霍夫ISE,2024年).

投机性： 全球大规模的估计,如”不到1%的耕地可以抵消全球能源需求 ” (Adeh等人,2019年)，这些方法忽略了储存、网格和作物；对25至30年土壤和农场经济的长期影响；在没有进行实地测试的非常不同的板状几何形状下作物如何反应。

开放式研究问题

• 哪些作物在哪些气候下能够在20%到40%的阴影下保持至少80%的产量，并且不仅仅是一个或两个季节？
• 在关键作物阶段转动以让光线穿过的跟踪面板能否比固定面板更具成本效益?
• 如何收集和分配来自电池板的雨水,以便它有助于而不是侵蚀?
• 维护高架结构在农场工作30年的真正成本是多少,它们如何影响保险和机械?
• 规则如何计算”真正的”面板下的农业,而不邀请伪装成太阳能农场?
• 谁拥有价值：农民、土地所有者还是能源开发商？

一个工作原型需要什么

对于新的农用光伏理念(新结构、新跟踪策略、新作物系统 ) , 工作模型意味着真正的作物和真实的电池板,与没有电池板的参考地块相比,至少一个完整的季节。

阶段	工作	它证明了什么	粗成本	时间
0. 设计研究	光照和阴影模拟,选定作物的作物模型,结构和成本估算	设计保持足够的光线,以便在纸上作物	$10k to $30k 开奖记录	2至3个月
1. 小块测试	在一个复制地块上安装几千瓦的电池板，并设有开放式参考地块；光传感器(PAR)、土壤湿度、收获时产量、计量电力	测量的作物产量和电力，第一土地当量比	$40k to $120k 开奖记录	1个生长季节
2. 多季度实地试验	50至200千瓦,在农民的工作田地上进行,两个或多个季节,由农学家主导取样	年度变化、机械使用、农民接受	$250k to $600k	2至3年
3. 商业试点	许可证、电网连接、结构认证、作物保险	一个银行可信的项目	取决于尺寸	1至2年

0至2阶段费用大约为 $300,000 to $750,000,主要用于钢铁和农学年。 这些是我们的估计,而不是报价。

我们需要谁

• 农学家或作物生理学家 选择作物,设计复制地块和测量产量和质量。
• 光伏系统设计师熟悉双面和跟踪系统及阴影建模。
• 结构工程师 适用于风荷载和雪荷载下的高架、长跨度结构。
• 农民合作伙伴 与一个领域,机械和耐心的多年试验。
• 水文学家 雨分布,土壤湿度和灌溉节省。
• 农业经济学家和土地使用律师来测试商业案例和规则。

还有更好的主意吗?

也许您有一个更便宜的结构,喜欢阴影的作物系统,或者在白天移动面板的更聪明的方式。 Local Solar System基金会的一些成员可能有联系人,他们可以听到一个强大的能源想法。 要想被提出,一个想法需要一个工作的,真实的模型,它实际上产生了力量,在仪器上测量,而不是声称。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 没有一个可行的模式,筹集资金是非常困难的,我们不能承诺资金、回报或引入。

对于农用光伏,最便宜的测量值是 一个小块地的一个生长季节,在板子下,旁边是一个相同的开放式地块,光传感器,收获称重和电力计量。 这就得出了第一个测量的土地当量比率。 通过贡献表格发送它,并查看它与其他在想法雷达上的想法的比较。 兄弟的方法: 浮动太阳能使用水面而不是田野,和光伏热屋顶使屋顶做两个工作。

来源

1. 李文德（2017年）。 利用太阳发电和生产:农业光伏能将土地使用效率提高60%以上。 新闻稿,Heggelbach第一年业绩。
2. 李文德（2019年）。 农业光伏:在2018年炎热的夏天高收获产量. 新闻稿。
3. 特罗姆斯多夫等人 (2024). 农用光伏技术：农业和能源转型的机会。 A guideline for Germany, 3rd edition. 弗劳恩霍夫研究所
4. 韦塞勒克,A.,艾曼,A.,齐凯利,S.等人。 (2019). 农业光伏系统:应用、挑战和机遇。 回顾。 农业促进可持续发展 39, 35.
5. 杜普拉斯,C.,马鲁,H.,塔尔博特,G.等人。 (2011). 将太阳能光伏板和粮食作物结合起来以优化土地利用：实现新的农业光伏计划。 可再生能源36(10)，2725-2732.
6. 巴伦-加福德,G.A.,帕瓦奥-祖克曼,M.A.,少年,RL等人。 (2019). 农用光伏技术在旱地粮食-能源-水的关系中提供了互惠。 自然可持续性 2, 848-855.
7. 阿马杜奇,S.,阴,X. 和科劳齐,M. (2018). 农业光伏系统优化土地利用,用于发电。 Applied Energy 220, 545-561.
8. 阿德赫，E.H.，古德，S.P.，卡拉夫，M.和希金斯，C.W. (2019). 太阳光伏发电的潜力在农田上最大。 科学报告 9, 11442.
9. 霍罗维茨，K.，拉马萨米，V.，麦克尼克，J.和马戈利斯，R. (2020). 双重用途光伏安装的资本成本:2020年地面安装光伏系统与授粉者友好的植被,放牧和作物基准。 NREL/TP-6A20-77811.
10. Lazard (June 2026). 平衡能源成本+版本19: 公用事业太阳能 $40 to $98/MWh;社区和C&I太阳能 $88 to $每兆瓦时197美元。
11. Local Solar System 基金会(2026年)。 风扇墙:开放式模型,屋顶太阳能基准。