王玲俊 陳健
摘要 搜集了光伏與農業結合的相關文獻,將其梳理為3個方面:光伏在農業中的應用、農光互補和光伏農業,進而對這3個方面的研究進行了綜述。研究發現,光伏在農業中的應用主要用于解決農業生產中的能源短缺以及綠色生產等問題;農光互補則不同,它更加注重光伏發電與農業生產的相互影響、競合關系以及耦合共生;而光伏農業是我國特有的提法,其含義包括光伏在農業中的應用和農光互補2個方面。未來的研究可從產業共生視角進行,分析光伏產業與農業共生融合的經濟、社會和環境效應。
關鍵詞 光伏;農業生產;農光互補;光伏農業
中圖分類號 F 303.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611(2021)18-0018-04
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.005
開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
Review of Related Research on the Integration of Photovoltaic and Agriculture
WANG Ling-jun1,2, CHEN Jian3
(1.School of Economics and Management, Nanjing Institute of Technology, Nanjing, Jiangsu 211167;2.Institute of Industrial Economy and Innovation Management,Nanjing Institute of Technology, Nanjing, Jiangsu 211167;3. College of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037)
Abstract This article collected relevant literature on the integration of photovoltaic and agriculture, and sorted them into three aspects: the application of photovoltaic in agriculture, agrivoltaic and photovoltaic agriculture, and then reviewed the research in these three aspects. We found that the application of photovoltaic in agriculture is mainly used to solve the problems of energy shortage and green production in agricultural production. Agrivoltaic is different. It pays more attention to the mutual influence, competition and cooperation, and coupling symbiosis between photovoltaic power generation and agricultural production. And photovoltaic agriculture is a unique formulation in China, and its meaning includes the application of photovoltaic in agriculture and agrivoltaic. Future research can be conducted from the perspective of industrial symbiosis to analyze the economic, social and environmental effects of the symbiosis and integration of photovoltaic industry and agriculture.
Key words Photovoltaic;Agricultural production;Agrivoltaic;Photovoltaic agriculture
基金項目 南京工程學院產業經濟與創新管理研究院開放基金項目(JGKC202002);南京工程學院高層次引進人才科研啟動基金項目(YKJ202024);江蘇省社會科學基金項目(20GLD010)。
作者簡介 王玲俊(1984—),女,江蘇丹陽人,副教授,博士,從事產業組織與產業政策、光伏農業研究。*通信作者,講師,博士,從事產業經濟與管理、光伏農業研究。
收稿日期 2021-01-17
全球氣候變暖和化石資源枯竭促使人類不斷尋求可再生的綠色能源,太陽能資源由于具有安全、便利等特點,其利用受到了各國關注[1],其中以光伏發電這一形式最為普遍。另外,世界人口的持續增長需要農業生產出更多的糧食,這也意味著更多的電力消耗。光伏發電如能應用到農業部門,既可保障糧食安全,又可達到環境保護和資源節約等目的。事實上,早在20世紀60年代,英國、法國、印度、葡萄牙和美國等國的有關實驗室就開展了太陽能在農業中應用的相關研究,應用方面包括農產品和木材烘干、養殖棚的空氣調節等[2]。隨著光伏技術的出現,太陽能光伏在農業中的應用逐漸受到了關注,1975年首臺光伏水泵面世開啟了光伏與農業結合的歷程[3]。在此之后,光伏在農業中的應用逐漸呈現出多樣化的態勢,從剛開始的農業灌溉到現在的照明、通風、農業機械、農業自動化和農業機器人等[4]。此外,為了達到光伏發電在電力供應總量中占比不斷提升的目標,許多國家都積極投身于光伏電站的建設中。然而,作為光伏電站主要形式的地面光伏電站,其建設需要投入大片土地,土地資源成為光伏產業發展的一大限制因素。鑒于此,有學者提出了農光互補(agrivoltaic或agrophotovoltaic),也即一地兩用,在同一土地上既進行農業生產又進行光伏發電。此后,農光互補在世界范圍內開展了很多項目實踐,成為光伏與農業結合的第2種形式。在光伏與農業結合現象出現的40多年里,很多學者對這一現象進行了研究,并取得了豐碩的研究成果,但此領域的綜述文獻并不多見。筆者搜集了光伏與農業結合的相關文獻,對其進行了梳理及綜述,并對該領域未來的研究進行了展望。
1 光伏在農業中的應用
航空航天是光伏技術的最早應用領域,而較早對光伏在農業中應用進行的研究正是發起于這一領域。美國航空宇航局(NASA)的Lewis研究中心于1980—1981年發起了一項針對光伏發電系統在農業部門中應用的全球市場預測研究。出于農業部門的經濟重要性、能源狀況、電氣化程度、太陽能資源和地域代表性等方面因素的考慮,該研究選擇了尼日利亞、摩洛哥、哥倫比亞、墨西哥和菲律賓為調查對象,分析了美國光伏產品國際營銷的障礙,并提出了相關建議[5]。隨后的一段時間內,學者主要關注了太陽能光伏在農業中應用的障礙,這些障礙主要來自經濟、制度和社會3個方面[6]。由于這些障礙的存在,20世紀90年代論及光伏在農業中應用的文獻很少。正如Katzman等[7]所預測的那樣,無論是從成本效益角度還是商業可行角度,光伏在農業中的最佳應用時機應在2000年之后。進入21世紀,雖然初期仍有文獻提到了光伏在農業中的應用障礙這一問題,如Radulovic[8]在研究如何促進光伏在印度農業部門中的應用時,提出了要克服“政治障礙”這一建議,Mousazadeh等[9]在相關研究中也對“替換成本障礙”這一問題進行了分析。但很多學者對光伏在農業中的應用有著樂觀的預期,認為太陽能的開發與利用可以促進全球可持續農業和農村發展[10],并且在智能生態農業中有很好的應用前景[11]。與此同時,除了在農業灌溉中的應用,光伏在農業中的應用呈現出多樣化趨勢,有農業溫室系統、農產品儲存、農業電動車和農場照明等。
1.1 光伏在農業灌溉中的應用
光伏與農業的結合最早出現在農業灌溉領域,Katzman等[7]以美國的內布拉斯加州和得克薩斯州為例,結合燃料成本等因素對太陽能光伏灌溉系統的成本效益和商業可行性進行了分析。無獨有偶,我國在論及光伏在農業中的應用時,最早也是在農業灌溉方面。吳永忠等[12]結合我國西北地區干旱少雨以及太陽能資源豐富的自然條件,分析了該地區對光伏提水的需求,提出可在西部大開發中應用光伏提水,從而在保證農業生產的同時達到節能、環保、扶貧和經濟社會的可持續發展等目的。盛絳等[13]對光伏水泵系統在農業方面的應用前景進行了分析,認為該系統的應用,尤其是在一些干旱地區的應用,如我國的西北部地區、新疆南疆地區等,可以實現巨大的經濟社會效益。在此之后,很多學者對光伏灌溉系統進行了進一步的技術與經濟分析[14-15],并有學者認為該系統應用的經濟性需結合應用地點和作物種類等進行綜合考慮[16]。類似地,Campana等[17]對我國牧草光伏灌溉系統的最佳選址進行了研究,認為最佳應用區域受以下幾個因素的影響,如增加的牧草潛在產量、牧草管理成本、牧草需水量、地下水深度、牧草價格和二氧化碳價格等。此外,光伏灌溉系統不僅能滿足農業生產對水的需求,同時能實現對灌溉系統的智能化管理[18]。總體而言,雖然對光伏灌溉系統的應用仍存在一些爭論[19],但在一些干旱地區,尤其是一些能源短缺并主要依靠農業生存和發展的地區,如中東和非洲等地區的農業國家,應用光伏灌溉系統可在有效緩解能源短缺的同時促進農業生產。
1.2 光伏在農業溫室系統中的應用
隨著人口增長和城市化進程的加快,人類對食物的需求迅速增加,而糧食產量的提高很大程度上取決于諸如農業溫室系統這類高效園藝技術的應用[20]。對于農業溫室作物的生產而言,最大的成本來自為控制環境溫度而耗費的能源,而就對環境的影響而言,光伏可為農業溫室生產提供綠色可持續的能源[21]。Saini等[22]對不同種類的光伏技術應用于農業溫室系統進行了環境經濟分析,結果發現,銅銦鎵硒(CIGS)光伏技術的投資回收期較短,而且碳排放量最少,具有較好的環境效應。Yano等[23]研究發現,采用透明和半透明的光伏板,可增加進入溫室大棚的光照量。Hassanien等[24]對采用半透明光伏板的溫室大棚使用情況進行了調查,并研究了大棚內番茄的生長情況和生長環境,結果發現,晴天情況下,光伏組件的遮陰會使大棚內溫度下降1~3 ℃,但對相關濕度沒有顯著影響;這類系統的投資回收期為9年。
1.3 光伏在農業其他方面的應用
除了以上2個方面,以光伏技術為基礎的光伏制冷系統可用于糧食儲存,同時,光伏也可用于農產品烘干[25]。光伏系統還可應用于農用機械。Xue[26]分別計算了10和30 kW光伏農用電動車的投資回收期、凈現值和效益成本率,并與各自型號的拖拉機進行了對比,結果表明,低功率的光伏農用電動車是明智及經濟的投資選擇,盡管初始投資成本較高,但這種電動車特別適合我國的農村和偏遠地區。事實上,由于農用機械主要應用柴油發動機,這一動力系統的耗油量大,環境污染嚴重,光伏發電系統在農機中的應用具有較好的前景[27]。此外,光伏還可以用于農業照明[28],對于邊遠地區而言,這一方式的意義尤為重大[29]。最后,還有很多其他方面的應用正在逐漸開發,如作物保護[30]、農業自動化[31]等。
綜上所述,光伏在農業中的應用主要用于解決農業生產中的能源短缺以及綠色生產等問題,而隨著光伏技術的發展,其應用成本得以下降,相較于傳統的化石能源,光伏在農業中的應用更具經濟優勢,最終會促進光伏在農業中應用的進一步發展。
2 農光互補
農光互補,也被稱為農光一體化,是指在同一土地上既進行光伏發電又進行農業生產,其強調的是一地兩用。因此,與光伏在農業中的應用不同,農光互補更加注重光伏發電與農業生產的相互影響、競合關系以及耦合共生。
2.1 光伏溫室
Wang等[32]在回顧我國現代溫室和太陽能產業發展概況的基礎上提出了溫室系統與光伏發電的整合方案,進而介紹了我國各地已實施的光伏農業溫室工程項目;并以新疆的光伏農業溫室項目為例,對其進行了經濟效益分析,發現項目的投資回收期為8.7年,如果考慮光伏系統的價格下降,則投資回收期可進一步縮短;該研究揭示了我國光伏溫室系統在實踐中存在的問題,主要包括缺少產業標準、補貼困境和技術障礙;最后指出,發展先進的光伏技術可以更好地蓄熱,并實現光伏發電和光利用的平衡,從而促進現代光伏農業溫室系統的進一步發展。同樣是基于國內的情況,Li等[33]研究指出我國近年來農光互補項目數量猛增,進而對5種不同類型的光伏農業溫室系統進行了經濟和社會效益分析,發現它們的年投資回報率為9%~20%,投資回收期為4~8年;并且,這些系統的應用能帶來巨大的社會效益,如提供就業、增加稅收和二氧化碳減排;進一步的敏感性分析發現,在包括上網電價的眾多因素中,光伏農業溫室系統的經濟效益對作物價格最為敏感;光伏農業公司應重點關注作物種植,而政策制定者則應將激勵從光伏電力生產轉向農業作物生產。由于光伏系統的應用會對作物產量產生一定的影響,很多學者就如何提高光伏溫室系統中作物的產量進行了技術方面的研究,并提出了相關的技術解決方案。例如,Allardyce等[34]針對傳統的不透明光伏板提出的半透明光伏板,Moretti等[35]提出的移動光伏板系統等。
2.2 光伏種植與光伏養殖
早在1982年,Goetzberger等[36]便提出了太陽能轉化和作物種植可以共存(coexistence)這一想法,而在此之前,用于太陽能轉化的土地被認為無法作為他用;這里的共存特指對太陽能發電裝置進行改造,使土地能同時用于作物種植;具體的做法是將太陽能集熱器提高到地面上方2 m,并增加它們之間的間距,以避免對作物造成過度遮擋;這些光伏系統僅占用了1/3的土地和光照資源,并且進一步的技術改進可以提高其在作物生產中的適用性。大約過了30年,這一想法才被表述為“agrivoltaic”,并在世界范圍開始了大規模的實踐[37]。法國國家農業科學研究院(INRA)的Dupraz等[38]首次提出了上述概念,該研究團隊在蒙彼利埃附近建立了第一個光伏農場,并在農場中的4個相鄰的地塊種植了同一種作物,其中2個在全日照下(作為對照),另外2個分別在標準密度和半密度的光伏板列陣下,結果發現,光伏板的架設遮擋了作物生產所需的陽光,從而降低了作物產量;光伏板遮陰減少了蒸騰作用,并可能提高水利用效率,關鍵是要在光伏電力生產和作物生產之間找到平衡。之后,該團隊中的Marrou等[39-41]沿著上述思路進行了后續研究,發現光伏板的架設確實可以減少作物中水的蒸散,從而增加作物產量,但需要選擇合適的作物品種,如生菜等喜陰作物。與此同時,其他學者對上述應用的前景進行了樂觀預估。Harinarayana等[42]認為“agrivoltaic”的想法在印度可以順利得以實施。在德國,由于agrivoltaic對土地雙重利用的方式不會減少作物種植面積,人們會樂于接受它[43]。而在美國的鳳凰城都市統計區,上述想法的應用既可以滿足社會對清潔電力的需求,又可以起到保護周圍農業生產用地的作用,可以在該地區引進此類項目[44]。上述“agrivoltaic”特指農業種植與光伏發電在同一土地上的共生融合,除此之外,還有農業養殖與光伏發電的結合,如“aquavoltaic”[45],特指水產養殖與光伏發電的結合。
2.3 農光互補的相關效應
很多學者都認為農光互補是滿足農業生產能源需求和實現農業綠色生產的較好選擇。由于技術進步,各種農業光伏技術在經濟上的不確定性已大大降低,許多研究已證明了這些技術在經濟上是具有可行性的[16,21,46]。不僅如此,其社會效應[33]和環境效應[20,22,47]也得到了證實。
2.3.1 經濟效應。
Dinesh等[46]通過計算證實,如果選擇合適的農作物,同時將遮陰效應造成的產量損失降至最低,農光互補可以使農場的收入增加30%以上。Dupraz等[38]用土地當量比來衡量農光互補系統相對于單獨光伏系統在產量方面的優勢,模擬顯示,在農光互補系統中,整體的土地當量比可以提高70%。而Amaducci等[48]研究表明,與單獨生產玉米并使用地面安裝的光伏組件單獨生產能源相比,農光互補可以將可再生能源的土地生產率提高1倍。Malu等[49]通過對印度葡萄農場應用光伏系統的技術經濟分析,認為安裝光伏系統的葡萄農場的經濟價值可能增長15倍以上。還有學者基于案例研究了5種不同類別光伏溫室系統的經濟績效,認為該類系統可以取得良好的經濟績效,它們的年投資回報率(AROI)為9%~20%;根據不同的光伏溫室生產農作物,投資回收期為4~8年[33]。
2.3.2 社會及環境效應。
除了經濟效應,農光互補系統還能帶來可觀的社會環境效應。Li等[33]對位于山東即墨光伏農業園的昌盛日電公司進行了調查研究,通過對公司管理人員和普通員工進行訪談,獲得了光伏農業溫室系統有關社會效應的信息,具體而言,光伏溫室可以增加稅收和提供就業,每個崗位大約有3萬元的年收入。Leon等[50]以光伏與番茄種植結合的系統為例,對農光互補系統的CO2排放量進行了測量,發現該系統CO2排放量小于傳統的農業生產系統;農光互補系統具有土地共享、陽光共享和發電等功能,這些新功能的體現需要對傳統的功能單元進行改變,或提出新的功能單元;對原有以土地面積為基礎的功能單元進行了修改,并提出了以貨幣為基礎的功能單元,從而解決了該系統中光伏與農業子系統作為不同市場商品生產者,兩者產出不能相加的問題;指出傳統和新型功能單元的結合有助于保持對農用土地作物生產功能的關注,并能更好地理解農光互補系統對環境的影響。此外,農光互補系統的環境效應不僅體現在溫室氣體的減排上,還會引發干旱地區農業生產的協同效應[37];比如,農光互補系統可以避免土壤中水分的過度蒸發[44,51],進而有利于作物生長,甚至起到水土保持、防止土地荒漠化等作用。
安徽農業科學2021年
3 光伏農業
彭梅牙[52]較早提出了這一概念,認為光伏農業是集光伏產品和現代種養技術于一體,并利用現代管理方法來進行太陽能轉化的現代設施農業,是一個能實現經濟社會發展、生態環境保護和光能高效利用的綜合農業生產體系;光伏農業的前提是保護和改善農業生態環境,其目的是生產無公害綠色的有機農產品,而這一過程需遵循生態學和農業生產規律,并運用現代科學技術和系統工程方法創新能量轉換方式;光伏農業也是觀光休閑農業、都市生態農業的一部分,生態社會效益高,可持續發展能力強。簡火仔[53]認為,光伏農業是將光伏發電應用到農業種養、灌溉、病蟲害防治和農業機械動力等領域的一種新型農業,其有利于環境保護、農業增效、農產品質量提升和農民增收,同時也能促進光伏產業的發展。2014年,國內的光伏農業開始加速發展,各地相繼建成了以光伏農業大棚等光伏設施農業為主的光伏農業項目,同時伴隨著光伏農業產業園和光伏農業基地的出現。隨著實踐的深入,學者對光伏農業提出了新的定義。阮曉東[54]認為,光伏農業是光伏發電與農業生產的結合,是一條“類工業”的綠色發展新路;由于光伏發電不僅解決了農業生產中的電力需求問題,產出的多余電力可并網輸出,是一種重要的農業工程形式。劉文科[55]指出,光伏農業是以光伏設施農業并網發電站為核心,將光伏發電和農業光電子工程應用到現代農業種養和農產品加工綜合利用的高技術農業產業。類似地,房玉雙等[56]提出,光伏農業是由光伏產業和傳統農業結合形成的高技術產業。從上述各種定義來看,相較于農光互補對“一地多用”和“農業發電兩不誤”想法的強調[57-58],我國提出的光伏農業其內涵更為廣泛,涵蓋了光伏在農業中的應用和農光互補2個方面。
4 結論與展望
光伏在農業中的應用可以解決農業生產對綠色能源的需求問題,隨著光伏技術的進步和光伏組件成本的下降,光伏在農業中的應用有著非常廣闊的前景。農光互補更加體現了光伏發電和農業生產的“共生”,從而共享土地和光照資源,提高資源利用率。而我國提出的光伏農業則包含了上述2個方面的內容。從研究內容來看,光伏在農業中應用的研究主要涉及如何將光伏技術應用于農業生產的各個環節,農光互補主要研究光伏發電與各農業子部門(農、林、牧、漁)的耦合以及相關效應,而光伏農業的相關研究則主要論及其概念和應用前景等問題。就光伏在農業中應用方面的研究而言,未來應以農業的發展趨勢為基礎,例如就光伏技術在智慧農業、精準農業中的應用展開研究。而農光互補則應關注光伏發電和農業生產“共生”的協同效應,并應在不同地區選擇不同作物展開研究。上述2個方面都會促進光伏和農業更好地結合,并推動光伏產業與農業的共生融合。所以,產業共生將會成為后續光伏農業方面研究的新視角。從該視角出發,可對光伏產業和農業共生耦合的一系列問題進行研究,包括經濟、社會和環境等方面。
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