農光互補的研究綜述及展望

陳健 王玲俊

摘要：搜集2011年以來國內外有關農光互補的文獻，將其梳理為光伏種植、光伏溫室和光伏養殖3個部分，通過對比發現，光伏種植的研究開始較早，且受到較多關注，其次是光伏溫室，再次是光伏養殖;光伏種植與光伏溫室的研究內容較相似，主要涉及作物生產和光伏發電的平衡、兩者之間的協同以及農光系統的優化;目前在光伏養殖方面的項目實踐并不少，但這方面的研究較缺乏。未來應從以下幾個方面加以完善：加強各學科之間的協作，進行跨學科研究;從全局視角對一個國家或地區的農光互補進行統籌安排，并作出相應的經濟、社會、環境效應評價;增加光伏養殖方面的研究，重點關注光照減少對所養殖生物的生長及生態環境的影響。

關鍵詞：農光互補;光伏種植;光伏溫室;光伏養殖

中圖分類號：S214.3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）05-0001-09

收稿日期：2021-07-02

基金項目：江蘇省社會科學基金（編號：20GLD010）;南京工程學院高層次引進人才科研啟動基金（編號：YKJ202024）。

作者簡介：陳 健（1985—），男，江蘇江陰人，博士研究生，講師，從事產業經濟與管理、光伏農業等研究。E-mail：c.j1125@163.com。

大力發展可再生能源，有效應對氣候變化，促進能源清潔低碳轉型已成為全球廣泛共識[1]。在此背景下，光伏系統的應用被認為潛力巨大，其在光捕獲方面的效率甚至超過了光合作用[2]。將光伏系統安裝在露天區域可使成本降至最低，這也導致一些光伏電站建在農用地上，從而引發能源生產和糧食生產之間的“爭地”矛盾。因此，發展農光互補成為一種解決方式。農光互補也被稱為農光一體化，它是指在同一塊土地上既進行光伏發電又進行農業生產，實現一地兩用，并強調光伏發電與農業生產的相互影響、競合關系以及耦合共生。農光互補源于Goetzberger等在1982年提出的太陽能轉化和作物種植共存（coexistence）的想法[3]，直到2011年才開始在全球范圍內陸續開展項目實踐[4]，發展至今已具有一定規模。Schindele等指出，2017年以來日本、法國、美國馬薩諸塞州、韓國和中國政府在農光互補的應用和推廣方面引入了相關政策[5]，這些國家的農光互補市場已經領先于其他地區，其中中國的規模最大，同時其他國家也正在跟進中。德國Fraunhofer光伏系統部門開展了多個農光項目，其中位于Heggelbach農場的項目表明，在農地上方5 m高處安裝太陽能電池板后，土地利用效率能提高近2倍。印度新能源和可再生能源部申明，到2022年在農業領域建立近26 GW太陽能發電能力，這對于印度這樣的農業大國而言意義非凡[6]。Schindele等認為，目前全世界的農光項目數已超過2 200個[5]，這些項目的裝機容量在整個光伏裝機容量中占有一定比例。據統計，截至2019年年底，中國并網發電的農光項目裝機容量在光伏裝機容量中的占比約為7%（數據搜集于中國儲能網http：//www.escn.com.cn/，并進行了整理）。鑒于農光互補在全球范圍內的發展現狀和潛力，靈位結合近10年來學者對該領域進行的初步研究，因此有必要對這些研究進行梳理和總結，以便為今后的研究指明方向，從而促進農光互補在全球范圍內更好地發展。本文對光伏種植、光伏溫室和光伏養殖3個方面的研究進行全面綜述，將這3個方面的研究成果進行對比，分析相互之間的聯系、區別，揭示現有研究的不足，指出未來的研究應從哪些方面進行完善。

1 光伏種植

1.1 作物種植與光伏發電的平衡

1982年，德國Fraunhofer太陽能系統研究所（ISE）的Goetzberger等提出太陽能轉化和作物種植共存（coexistence）的想法，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。其認為這些光伏系統僅占用了1/3的土地和光照資源，且進一步改進技術可以提高其在作物生產中的適用性[3]。

1.1.1 光伏設施對作物種植的影響 大約過了30年，法國國家農業科學研究院（INRA）的Dupraz等結合上述想法首次提出“agrivoltaic”的概念。該研究團隊在法國蒙彼利埃附近建立了第1個光伏農場，并在農場中的4個相鄰地塊種植同一種作物，其中2個在全日照（作為對照）下，另外2個分別在標準密度和半密度的光伏陣列下。研究結果表明，雖然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，但光伏板遮陰減少了蒸騰作用，并可能提高水利用效率（water use efficiency，WUE），關鍵是要在光伏電力生產和作物生產之間找到平衡。此外，他們提出用土地當量比（land equivalent ratio，LER）測量農光系統的效率，LER=YcropinAV/Ymoncrop+YelectricityAV/YelectricityPV。其中：YcropinAV表示農光系統中作物的產出;Ymonocrop表示單獨將土地用于耕種作物的產出;YelectricityAV表示農光系統中光伏的產出;YelectricityPV表示單獨將土地用于光伏發電的產出。結果顯示，該系統的應用可使土地產出增加35%～73%，即LER位于1.35～1.73，進而體現出該系統的高效[7]。之后，同為法國國家農科院的Marrou沿著Dupraz的思路在該領域進行更加深入細致的研究。他們首先以生菜為對象探討其在光伏板局部遮陰（50%和70%的入射輻射量）下的產量和輻射利用效率（radiation use efficiency，RUE），結果發現單位可用輻射量的生菜產量并未減少，甚至有所提高。主要由于類似生菜這類植物可以適應農光系統的環境，它會以更強的光捕獲能力來部分或全部彌補可用光照的減少。生菜主要通過擴大葉片總面積的方式來增強光捕獲的能力，同時總葉片數量有所下降，說明生菜葉片在該過程中發生了形態上的改變，導致葉片分布與原來不同。可見，農光系統可以通過選擇合適的作物品種和光伏板的特別布置進行優化，從而找到食品生產和電力生產的最佳協作方式[8]。隨后，Marrou等擴大了試驗對象，繼續以生菜、黃瓜和硬質小麥為對象，探究農光系統下的小氣候環境，并評估作物生長率（crop growth rate）是否受光伏板遮陰的影響。結果表明，遮陰下的日均作物溫度和作物生長率并沒有顯著變化;由于土地溫度的變化，作物的葉片排放率（leaf emission rate）有顯著改變，但僅僅發生在生菜和黃瓜生長的幼年期。結果顯示，小型農光系統與封閉的溫室系統不同，應將其作為露天生產系統來看待。因為在農光系統中，除了作物的日均可用光照有所減少，其他作物冠層的小氣候參數與露天生產系統并沒有顯著差異。所以，應更多關注農光系統中作物的光照減少問題，而不是從露天生產系統到農光系統的轉換問題[9]。Marrou等進一步對太陽能電池板的遮陰如何影響土壤-作物系統中的水流進行分析，通過計算農光系統中生菜和黃瓜生長過程中水分的實際蒸散（actual evapotranspiration，AET），發現光伏板遮蓋下作物的水分蒸散量減少了14%～29%，具體程度要視遮陰程度和作物生長情況而定。原因主要在于光伏板遮陰下作物生長氣候需求（climate demand）的減少，而水利用效率并未有所提高。該研究結果表明，通過選擇土壤覆蓋迅速的作物品種，可以提高農光系統的水利用效率，這有助于增強光捕獲能力，并減少土壤中水分的蒸發，從而為植物蒸騰和生物生長留下更多的水[10]。

1.1.2 作物種植與光伏發電的平衡方法 Dupraz等的研究是開創性的，他們提出農光互補的概念，并對農光系統中作物的生長進行全面研究，得出了很多結論，為后續研究和農光系統的應用提供了理論基礎。從他們的研究結論可以得知，農業種植與光伏發電的耦合可以是有效率的，但需要對其進行優化，即在農業生產和光伏發電之間進行平衡，形成兩者之間較好的協作關系。該關系的形成可以從2個方面著手，一是作物選擇，二是光伏設施的調整。對于前者而言，Beck等認為，在光伏板下種植的作物必須為耐陰作物[11];對于后者而言，Harinarayana等通過模型研究發現，光伏板距離耕地5 m高，并保持光伏陣列的間距為7.6 m或11.4 m，且將光伏板按棋盤樣式排列，這種情況下耕地的光照減少較小，從而不影響作物生長。且由于陽光中含有有害的紫外線A和B，預計中午時分陽光的減少可以幫助植物生長，進而提高產量[12]。Hassanpour等對位于俄勒岡州立大學校園內1個約為2.42 hm2光伏農場2015年5—8月的微氣候和土壤濕度進行測量，發現光伏板下各區域生物量生產和土壤水分含量具有極大差異，造成該結果的原因是光伏陣列產生的陰影具有異質性。他們建議未來的農光系統設計應通過優化光伏電池板的擺放來消除這一異質性[13]。此外，Valle等提出應用移動光伏板來提高土地總產量[14]，即太陽跟蹤系統[15]。類似地，Elamri等建議使用動態的農光裝置，他們認為該裝置易于增加生產的空間均勻性，并認為該裝置應從組件尺寸、控制策略和灌溉優化方面進行多重改進[16]。Liu等則提出半透明光伏板，該光伏板只透射作物生長所需要的光，以此來提高農光系統的效率[17]。

近年來，我國學者也對農業種植與光伏發電的耦合模式進行相關研究。魏來等將上述模式稱為農光耦合系統[18]，將其定義為在光伏電站建設過程中，利用所架設光伏板下方的空間進行農作物種植所形成的一種復合系統[19]。與國外相似，我國也在一些地區開展了田間試驗，研究光伏板遮陰對作物生長的影響。基于2015—2016年在江蘇省連云港市生態光伏區進行的試驗，陳鳳等研究了光伏板遮陰對連麥2號、連麥6號、連麥7號、連麥8號、淮麥33、淮麥39、徐麥30、徐麥33、徐麥35、保麥2號、保麥5號、保麥6號等12個小麥生長發育及產量的影響，發現連麥7號、連麥8號和徐麥33的產量高于其他品種，更能適應弱光條件[20]。單成鋼等分析光伏發電與丹參種植耦合模式下的光照變化及丹參生長情況，試驗地點為山東沂南，丹參種植時間為2017年3月。結果表明，當日照時數能達到 720 h （無遮陰下的70%）以上時，對丹參生長不具有顯著影響[21]。王加真等通過在光伏發電過程中引入濾光膜技術，對茶葉種植和光伏發電的耦合模式進行改進，并于2018年4—8月在貴州省遵義市的茶園內進行試驗。結果顯示，濾光膜可將入射茶園的陽光進行光譜分離，在阻擋紫外線和紅外線的同時將茶葉生長需要的紅藍光透過，可以提高茶葉品質[22]。基于浙江大學紫金港校區為期1年多的田間試驗，魏來等對農光耦合系統中甘薯的生長發育情況進行分析，發現光伏板的架設對甘薯生長有一定的影響，但該不利影響可通過農作技術加以改進，此外，其認為農光耦合系統的應用可以提高單位土地面積的經濟效益，該系統有較好的推廣前景[18]。張加強等分析農光耦合系統中油用牡丹產量的性狀影響因素，發現該系統中對產量有顯著正效應的3個因素為冠幅、結實率和單株種子，該結論為農光耦合模式下油用牡丹的選育和栽培提供了理論依據[23]。綜上可知，我國學者所得出的結論基本與國外研究結果一致，即農光耦合系統對作物生長有一定影響，但可以通過作物選擇和技術改進加以優化。

1.2 光伏種植的相關效應

同時，學者對農光系統的應用前景作出樂觀預估。Harinarayana等認為，農光互補可在印度乃至全世界得以順利實施[12]。在德國，由于這種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[24]。而在美國的鳳凰城都市統計區，上述想法的實施既可以滿足社會對清潔電力的需求，同時也可以起到保護周圍農業生產用地的作用，因此可考慮在該地區引進此類項目[25]。Dinesh等開發了光伏生產和農業生產的耦合模型，用以評估農光互補的技術潛力。結果表明，只需將美國生菜種植轉換為農光互補方式，就可增加40～70 GW的光伏發電能力，說明農光系統有巨大的應用潛力[26]。

1.2.1 經濟效益 隨著農光技術的不斷發展，關系到其能否大規模推廣的經濟因素逐漸受到學者的關注。事實上，上述農光系統的優化就是在給定經濟背景下，進行食品生產和能源生產的權衡[8]。Dinesh等將生菜種植和光伏發電的耦合模式（分為半密度光伏板和全密度光伏板）與單一模式（單獨的生菜種植）的經濟價值進行對比，發現全密度光伏板農光模式的年總經濟價值最高，為272 138美元/hm2;而單一模式為209 000美元/hm2，前者比后者高30%[26]。Malu等通過測算發現，印度葡萄農場在應用農光技術后，其每年額外的發電收入為51 362美元/hm2，約為葡萄銷售收入（3 511美元/hm2）的15倍。進而從光伏系統支出成本視角對農光項目的投資回收期和投資回報率進行敏感性分析，發現當光伏系統的支出成本從2美元/W降至0.25美元/W時，項目投資回收期會從15.2年降至1.9年，其投資回報率會從4%提高至50%[27]。即隨著技術進步和成本下降，農光系統將會體現出更好的經濟性。Valle等對比陽光定期跟蹤（regular tracking）和受控跟蹤（controlled tracking）2種光伏面板移動模式下農光項目的總產量，發現如果種植高附加值農作物，受控模式可以體現出真正的經濟收益[14]。Schindele等對農光互補的應用進行技術經濟分析，不同于以往的研究，他們以價格績效比率（price-performance ratio，ppr）來衡量農光系統的經濟性。ppr=PPb，其中：P表示農光系統的價格;b表示農光系統的績效。該比率大于1，表明農光系統的技術經濟協同性不夠高，是不盡合理的;而當該比率≤1時，說明農光系統具有經濟合理性。具體而言，該研究對德國境內的一個農光項目進行案例分析，并測算在農光系統中耕種有機土豆和冬小麥2種情況下的ppr，結果分別為0.85、4.62。總體而言，Schindele等不建議在作物輪作系統中采用農光互補方式，該技術應與永久性有機種植的經濟作物結合使用，如漿果、水果、草藥、堅果、藥用植物、啤酒花和釀酒葡萄等[6]。Agostini等對農光系統進行經濟評價，發現具有拉伸結構的單軸太陽跟蹤、雙軸太陽跟蹤農光系統的度電成本（levelized cost of electricity，LCOE）分別為89.5、88.9歐元/（MW·h），略高于地面光伏系統、屋頂光伏系統的度電成本，分別為84.7、75.4歐元/（MW·h）。進而他們測算雙軸太陽跟蹤農光系統、地面光伏系統和屋頂光伏系統的凈現值、內含報酬率和投資回收期。凈現值結果顯示3類項目都是經濟可行的，內含報酬率分別為13%、14%、17%，投資回收期分別為9、8、6年[28]。總的而言，農光系統的應用會增加單位面積農地的產出，給農民帶來更多的經濟價值。但如果與地面光伏系統和屋頂光伏系統相比，由于農光系統的發電成本更高，其經濟性要略差。

1.2.2 環境影響 除了經濟方面，農光系統的環境影響也是學者頗為關注的。相較于傳統的光伏發電，農光系統的全球變暖潛能值（global warming potential，GWP）略高，但對比該系統在土地利用方面的優勢，該差距并不明顯。Agostini等對農光系統進行更加全面的環境評價，內容涉及氣候變化（溫室氣體排放）、酸化、富營養化、呼吸性無機物產生、光化學臭氧形成和資源利用等。通過與其他同樣功能的技術（屋頂光伏、地面光伏、風能、煤電、天然氣、玉米沼氣、高粱沼氣等）相比較，發現除風能發電外，農光系統的溫室氣體排放量最少。而在資源利用方面，農光系統對礦物和金屬的消耗少于屋頂光伏和地面光伏，但多于其他各種發電形式。除上述2個方面外，其他方面的對比情況與溫室氣體排放基本一致，即高于風能，低于其他形式[28]。說明農光系統具有較好的環境效應。

1.2.3 社會影響 此外，社會影響也逐漸受到學者的重視。眾所周知，農光技術的應用可以保障食品和能源安全[10]，但其社會接受程度仍有待進一步提高。從目前的研究結果來看，農光技術在各地有著不同的社會影響。在歐洲，民眾認為農光項目的建造會破壞環境景觀[29]。Irie等對農光系統進行全行業社會影響范圍（sector-wide social impact scoping，SSIS）調查，對象包括光伏農場經營者、農場員工和附近居民。結果顯示，雖然很多農場經營者預計農光系統的安裝總體上會產生一些負面影響，但在考慮對全球和后代的影響后，農光系統通常能被人們接受，且是廣泛接受[30]。由此可以預見，農光系統未來將會有較好的社會認可度。

2 光伏溫室

Poncet等指出，光伏板可以集成至受控環境農業（controlled environment agriculture，CEA）中，并認為農業溫室與光伏發電的結合具有協同效應：光伏發電滿足了農業溫室的能源需求，從而縮短了溫室項目的投資回收期。同時，應從整體上去評估光伏溫室（photovoltaic greenhouse，PVG）這類創新系統的社會經濟和環境可接受性，并關注光伏發電和農業溫室生產之間的平衡，以及從經濟上意識到兩者是光伏溫室的基本組成部分。此外，光伏溫室的發展需要進行跨學科的研究開發，包括溫室設計的優化、光伏系統對作物有用波長的透射以及選擇適應光伏發電環境的作物等[31]。

2.1 溫室農業生產與光伏發電的平衡

Kadowaki等分析2種類型光伏陣列[光伏覆蓋率（PV cover ratio，指光伏板覆蓋溫室大棚面積的百分比）為12.9%]的幾何排列對溫室中大蔥生長的影響，發現選擇最佳傾斜角度的直線排列對光伏發電最有利。但是，直線排列光伏陣列遮擋了溫室中某些位置50%以上的光量子通量密度（PPFD），阻礙了植物生長。而當光伏陣列樣式為棋盤時，植物生長可得到改善。可見，光伏陣列的幾何排列極大地影響了光伏板下植物的生長[32]。Cossu等對朝南光伏溫室內的太陽輻射分布及其對作物產量的影響進行試驗，發現溫室效應由于有限的太陽輻射而減弱，導致在1年中最冷月份的平均溫度低于最低閾值，限制了果實的生長和成熟。說明當50%的溫室棚頂面積受到光伏板遮擋時，溫室內太陽能輻射年均減少量為64%，而在光伏板覆蓋區域為82%，其他區域為46%。所以，應避免對溫室栽培進行高度且持續的光照遮擋[33]。正是由于上述問題的存在，很多學者提出在溫室農業生產和光伏發電之間進行平衡的方案，即對光伏溫室進行優化。歐浪情等設計了一種由聚光光伏發電系統和農業大棚兩部分組成的光伏農業系統，通過將濾光膜貼在系統聚光器上，并與無濾光膜的情況進行對比，分析濾光膜對植物生長的影響，發現有濾光膜情況下植物生長的絕大多數形態指標優于無濾光膜情況下的植物生長，將濾光膜應用到光伏溫室可實現作物增收和作物品質改善[34]。為了確定光伏溫室的主要設計參數（光伏覆蓋率、溫室高度和方向、光伏陣列樣式）與溫室內可用太陽輻射之間的一般關系，以便為設計具有農業可持續性的新一代光伏溫室系統提供參考，Cossu等對比分析歐洲較具代表性的4種商業光伏溫室的總輻射量，發現光伏覆蓋率每提高1%，年總輻射量減少0.8%;與東西向溫室相比，南北向溫室的平均累積總輻射量增加24%;光伏板的棋盤樣式排列和南北向平行排列都能提高溫室內光分布的均勻性，這2種排列方式可作為下一代光伏溫室的設計標準[35]。Cossu等估算上述4種光伏溫室中14種作物的產量，用以確定適合作物種植的光伏溫室類型。基于日累積光量（daily light integral，DLI），該研究對比光伏溫室內部的光照情景與作物的光照需求，并估算作物的潛在產量，發現光伏覆蓋率為25%的溫室適用于包括高光照需求作物（西紅柿、黃瓜、甜椒）在內的所有品種（該研究考慮的14種作物），該類溫室中作物的減產程度有限（低于25%），甚至可以忽略不計。而諸如蘆筍一類最佳DLI低于17 mol/（m2·d）的中光照需求作物和低光照需求作物可在光伏溫室內種植，其光伏覆蓋率高達60%。只有DLI低于10 mol/（m2·d）的低光照需求花藝品種如一品紅、長壽菜和龍血樹，才能在光伏覆蓋率為100%的溫室中種植[36]。祁娟霞等對比光伏日光溫室、光伏雙膜雙網大棚和光伏陰陽棚（分為陽棚和陰棚2種）內部的環境差異，發現光伏日光溫室和光伏陰陽棚陽棚適宜果菜越冬生產，光伏雙膜雙網大棚冬季溫度較低，不適宜種植食用菌，而光伏陰陽棚陰棚則可用于食用菌種植[37]。此外，Allardyce等針對傳統不透明光伏板提出半透明光伏板，將其應用至光伏溫室系統中可提高作物產量[38]。Gao等提出采用動態光伏溫室將可持續的能源生產與植物栽培融為一體，通過調節太陽跟蹤角度，可提供更多的能源生產和微氣候控制的可能性[39-40]。

2.2 光伏溫室的經濟社會效益

中國是發展光伏溫室較早的國家之一，其總裝機容量在2014年年底就已達到612 MW[41]。據統計，2019年年底我國已并網發電光伏溫室項目的累計裝機容量已達3 984 MW[數據搜集于中國儲能網http：//www.escn.com.cn/，并進行整理]。Wang等在回顧中國現代溫室和太陽能產業發展概況的基礎上，提出溫室系統與光伏發電的整合方案，進而介紹中國各地已實施的光伏溫室工程項目，并以新疆維吾爾自治區的光伏溫室項目為例，對其進行經濟效益分析，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，投資回收期可進一步縮短。此外，該研究揭示了中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，從而促進現代光伏溫室系統的進一步發展[42]。同樣是基于國內情況，Li等對5種不同類型的光伏農業溫室系統進行經濟效益和社會效益分析，發現它們的年投資回報率為9%～20%，投資回收期為4～8年，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、減排二氧化碳。此外，通過進一步的敏感性分析發現，在包括上網電價的眾多因素中，光伏溫室系統的經濟效益對作物價格最敏感。光伏農業公司應重點關注作物種植，而政策制定者應將激勵從光伏電力生產轉向作物生產[43]。

3 光伏養殖

3.1 漁光互補及其相關效應

除農業種植和農業溫室外，農業養殖（漁業養殖、畜牧養殖）也可與光伏發電進行耦合。Pringle等指出，漂浮光伏（floating photovoltaic，FV）系統一旦與漁業養殖結合，就可形成農光系統，他們將這一特殊的農光系統稱為“aquavoltaic”[44]。通過使用合適的技術使光伏板漂浮在水體上，該類安裝技術被稱為漂浮光伏[45]。世界上首座漂浮光伏電站出現于2007年的日本愛知縣，其裝機容量僅為 20 kW。隨后很多國家加入到建造漂浮光伏電站的行列，截至2018年，全球漂浮光伏項目超過300個，電站裝機容量達到1 314 MW。其中，中國是漂浮光伏市場最大的國家，占總裝機容量的75%。漂浮光伏與漁業養殖的結合具有潛在的協同效應，如節水、可控的水生環境和生態系統恢復。但是兩者之間也存在一些潛在的不利因素，如生態影響和生物污染。由于該領域仍處于起步階段，光伏組件對魚類生長及其產量的影響仍有待進一步研究[44]。我國漁業養殖與光伏發電的耦合被稱為“漁光互補”，但并不局限于漂浮光伏與漁業養殖的結合。趙軼潔等認為，漁光互補是在養殖水面上架設光伏板，從而形成“上可發電、下可養魚”的創新模式，漁光互補是新興產業與現代農業的完美結合，再加上休閑農業的開發，可形成一、二、三產業的疊加，充分提高土地的利用效率[46]。由于漁光互補模式下的光伏組件所處的是一個水上環境，與地面光伏和屋頂光伏等模式所處的環境不同，有學者對漁光互補電站發電性能的相關影響因素如放置方式[47]、太陽輻射[48]等進行研究。如果僅從光伏發電單一方面來考慮，漁光互補發電的度電成本高于地面光伏[45]。但漁光互補還包括水產養殖部分，尤其是養殖一些附加值較高的喜陰魚類，可大大提高項目的經濟效益[33]。漁光互補還具有較好的環境效應，如在富營養化的情況下減少藻類生長，產生無CO2排放的清潔電能，通過防止蒸發來節省水資源。且由于在水體上安裝了光伏板，減少了清潔光伏模塊用水[49]，也為農業、采礦、旅游和其他活動節省了寶貴的土地。此外，與地面安裝的光伏系統相比，減少了鳥類與板的碰撞[50]，并可改善水庫水質[51]。而其社會方面的效應跟農業種植與光伏發電耦合模式相似，包括節能環保、加快能源電力結構調整、帶動就業以及促進經濟發展[52]。

3.2 牧光互補及其相關效應

畜牧養殖與光伏發電的耦合在我國被稱為“牧光互補”[53]，該模式可以通過在養殖棚頂鋪設光伏板來實現，也可以通過直接將光伏設施作為養殖動物的圍擋來實現。Lytle等認為兔子養殖和光伏發電耦合共生模式具有多種協同作用：第一，減少太陽能農場的運維成本，約占太陽能收入的1.4%～7.9%;第二，源于兔子銷售或土地租金的經濟收益增加，約占太陽能收入的1.0%～17.1%;第三，通過將現有的光伏設施（光伏板和支架）作為圍欄，為兔子養殖節省成本（高強度兔子養殖的最大成本），并保護兔子免受空中掠食者的侵害以及過多的陽光照射。此外，此類項目的開發會增加農光互補的社會支持，并擴大美國對兔肉的市場需求[54]。

4 總結與展望

4.1 研究總結

綜上可知，農光互補有兩方面的含義，即狹義的農光互補特指光伏種植，廣義的農光互補則包括光伏溫室和光伏養殖。國外所提的“agrivoltaic”也有狹義和廣義之分，狹義的“agrivoltaic”是指光伏種植，就廣義而言，photovoltaic greenhouse和“aquavoltaic”都是其特殊形式。由此看來，我國的農光互補和國外的“agrivoltaic”具有相同的內涵。現有研究結果表明，農光互補的真正價值在于它可以同時生產食物和能源，為農民帶來經濟利益，并具有潛在的協同效應。這對人口稠密的工業國家是具有吸引力的，因為這些國家的可再生能源擴張變得越來越重要，但同時需要保護生產性農田。農光互補不可避免地會導致小氣候條件的改變，特別是太陽輻射的減少以及水平衡的變化。由于輻射是影響作物生長的最重要因素之一，因此在光伏陣列下進行耕作極有可能導致農業產量下降。但在干旱年份，光伏板下的小氣候變化有助于產量穩定，可以補償季節性氣候和作物產量的波動。且隨著氣候條件的預期變化，這一點在將來可能變得更加重要。此外，對于一些耐陰作物，農光互補的應用可能是有益的;在炎熱、干旱的氣候條件下，農光互補可以增加節水量并保護作物免受高溫和過度輻射的不利影響。

正如Weselek等所指出的那樣，農光互補仍處于早期發展階段，其技術進步和應用領域的拓展具有很大空間[4]。相應地，農光互補自2011年提出以來，對其進行研究的時間僅10年，同樣處于早期階段，未來需要更多的研究結合不同氣候條件和作物品種，評估其在現代農業系統中的適用性。盡管如此，通過對這些研究進行梳理仍有以下幾點收獲：第一，從研究開始的時間來看，就本研究所搜集的文獻，光伏種植方面的研究開始較早（2011年），其次是光伏溫室的研究（2012年），較晚的是光伏養殖的研究（2015年）。值得一提的是，法國國家農業科學研究院的研究團隊在光伏種植、光伏溫室這2個方面率先進行了研究，最先提出了農光互補的概念，并最早發表了相關研究成果，為該領域作出了突出貢獻。而我國則是進行光伏養殖（漁光互補）研究較早的國家，這跟我國在這方面的項目實踐有關（表1）。第二，從研究數量來看，本研究所搜集的文獻中光伏種植方面的研究最多（27篇），其次是光伏溫室（13篇），最后是光伏養殖（10篇），這與研究開始的時間有一定的關系。此外，對本研究所搜集的文獻中第一作者單位所在國統計可知，發文數量較多的國家有中國、美國、法國、日本、德國和意大利，這些基本都是農光互補應用較多的國家。而就科研機構的發文數量來看，法國國家農業科學院和德國Fraunhofer太陽能系統研究所最多。這兩大機構分別從農業和能源角度對農光互補進行研究，也充分說明了該領域的跨學科性[31]。第三，從研究類型來看，由于尚處于早期階段，3個方面的研究多為試驗研究和項目案例研究，尤以前者居多。如法國學者Dupraz等的研究[7，8-10]、我國學者魏來等的研究[18-23]以及意大利學者Cossu對光伏溫室的研究[33，35-36]都為試驗研究。而項目案例研究多涉及農光互補的經濟社會效應，如我國學者Li等對光伏溫室經濟社會效應的分析[43]，以及日本學者對農光系統社會影響的分析[30]。第四，從研究內容來看，由于涉及農業生產和光伏發電的耦合，所以兩者之間的平衡以及協同是3個方面研究的共同話題，此外，農光系統的經濟、社會、環境效應也是共性話題。而從更具體的研究內容來看，光伏種植和光伏溫室更加相似。由于兩者都涉及作物生產，前述耦合就演變為光合作用與光伏效應的平衡，所以這2個方面最初的研究都針對太陽輻射[7，32]，進而包括光伏板遮陰下的小氣候環境等[11，37]。而兩者進行系統優化的方式也頗為相似，都包括作物選擇[8，31]、動態的農光系統[16，39-40]以及半透明光伏板[17，38]的應用。此外，就研究內容的趨勢而言，隨著農光項目實踐的增加，其經濟、社會和環境效應越來越受到學者的關注。如Schindele等農光互補進行技術經濟分析，并提出相關政策建議[6]，以及Agostini等對農光系統進行經濟和環境評價[28]，未來的研究將更多地圍繞這些方面展開。

4.2 研究展望

農光互補的研究雖然才進行了短短10年，但其已經經歷了從實驗室到試點項目，再到商業項目的過程。2014年以來全球已建成超過2 200個農光項目，累計裝機容量在2020年1月達到了2.8 GW[5]。但據統計，我國農光項目的裝機容量早已超過這一數字（表1）。根據在中國儲能網光伏農業板塊搜集的信息，我國2011—2019并網發電的農光項目共274個（表1），總裝機容量約為13.5 GW[數據搜集于中國儲能網http：//www.escn.com.cn/，并進行了整理]，遠遠超出Schindele等的估計[5]，且這僅是不完全統計。可見由于缺乏農光互補規模的官方統計信息，學界對農光互補的具體實施情況缺乏了解，而這會導致無法制定適當的管理計劃，無法大規模提高其農業可持續性，無法評估土地消耗以及對該地區產生的環境、經濟和社會影響[35]。總體而言，目前尚缺乏對一個國家或一個地區農光互補的總體情況研究。而對一國而言，農光互補在光伏發電中的占比及其在農業中的占比需要進行合理規劃[6]。因為農光互補本質上是一種土地利用的新型方式，如何實現社會福利最大化是這方面研究值得關注的事。

綜上分析，對于該領域未來的研究提出以下幾點建議：第一，要繼續加強各學科之間的協作，進行跨學科研究。2015年德國聯邦教育與研究部（BMBF）設立了一個農光互補的研究項目，該項目包括技術開發、環境與生物多樣性、社會、農業、政治和經濟分析等5個重點內容[6]。孫耀杰也在一項名為“現代農業與光伏發電互補耦合機理研究與工程優化關鍵技術”的科技成果簡介中有相關論述，即農光互補涉及農業園藝學、產業經濟學、新一代信息技術和綠色節能建筑等多個科學領域[55]。可見，除了農業和光伏技術，農光互補的實施還需要考慮經濟社會和環境方面的影響。第二，除了進行具體的試驗研究和項目案例研究，要從更大、更全局的視角，且是分區域、不同氣候條件去研究如何在一個國家或地區對農光互補進行統籌安排，并對這些安排在經濟、社會、環境方面的效應作出評價，進而提出相關的政策建議。第三，目前的研究在光伏種植和光伏溫室方面已經取得了初步進展，但在光伏養殖方面較欠缺。而事實上，光伏養殖的項目實踐并不少見，尤其是在我國（表1），以本研究搜集的數據來看，光伏養殖（主要是漁光互補）項目最多。但太陽輻射的減少對魚類生長、水下環境甚至是整個生態系統有何影響，目前的研究并未有太多涉及。

農光互補可能是未來農業系統的重要組成部分，它能應對當前和未來的一些重大社會和環境挑戰，如氣候變化、全球能源需求、糧食安全和土地使用等。因此，應加強農光互補所涉及的各個學科之間的協作，對每一具體類型的農光互補模式進行試驗和項目案例研究，并以此為基礎對農光互補的實施做出統籌安排，讓其發揮最佳的經濟、社會和環境效應，進而實現可持續發展。

參考文獻：

[1]Fernandes L，Ferreira P.Renewable energy scenarios in the Portuguese electricity system[J]. Energy，2014，69：51-57.

[2]Blankenship R E，Tiede D M，Barber J，et al. Comparing photosynthetic and photovoltaic efficiencies and recognizing the potential for improvement[J]. Science，2011，332（6031）：805-809.

[3]Goetzberger A，Zastrow A.On the coexistence of solar-energy conversion and plant cultivation[J]. International Journal of Solar Energy，1982，1（1）：55-69.

[4]Weselek A，Ehmann A，Zikeli S，et al. Agrophotovoltaic systems：Applications，challenges，and opportunities：a review[J]. Agronomy for Sustainable Development，2019，39（4）：1-20.

[5]Schindele S，Trommsdorff M，Schlaak A，et al. Implementation of agrophotovoltaics：techno-economic analysis of the price-performance ratio and its policy implications[J]. Applied Energy，2020，265：114737.

[6]中國儲能網新聞中心. 農光互補：相得益彰還是兩敗俱傷？[EB/OL]. （2020-9-14）[2021-07-02]. http：//www.escn.com.cn/news/show-1096924.html.

[7]Dupraz C，Marrou H，Talbot G，et al. Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use：Towards new agrivoltaic schemes[J]. Renewable Energy，2011，36（10）：2725-2732.

[8]Marrou H，Dufour L，Wery J. How does a shelter of solar panels influence water flows in a soil-crop system？[J]. European Journal of Agronomy，2013，50：38-51.

[9]Marrou H，Guilioni L，Dufour L，et al. Microclimate under agrivoltaic systems：Is crop growth rate affected in the partial shade of solar panels？[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2013，177：117-132.

[10]Marrou H，Wery J，Dufour L，et al. Productivity and radiation use efficiency of lettuces grown in the partial shade of photovoltaic panels[J]. European Journal of Agronomy，2013，44：54-66.

[11]Beck M，Bopp G，Goetzberger A，et al. Combining PV and food crops to agrophotovoltaic？Optimization of orientation and harvest[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference. Frankfurt，2012：4096-4100.

[12]Harinarayana T，Vasavi K S V.Solar energy generation using agriculture cultivated lands[J]. Smart Grid and Renewable Energy，2014，5（2）：31-42.

[13]Hassanpour A E，Selker J S，Higgins C W. Remarkable agrivoltaic influence on soil moisture，micrometeorology and water-use efficiency[J]. PLoS One，2018，13（11）：e0203256.

[14]Valle B，Simonneau T，Sourd F，et al. Increasing the total productivity of a land by combining mobile photovoltaic panels and food crops[J]. Applied Energy，2017，206：1495-1507.

[15]Amaducci S，Yin X Y，Colauzzi M.Agrivoltaic systems to optimise land use for electric energy production[J]. Applied Energy，2018，220：545-561.

[16]Elamri Y，Cheviron B，Lopez J M，et al. Water budget and crop modelling for agrivoltaic systems：Application to irrigated lettuces[J]. Agricultural Water Management，2018，208：440-453.

[17]Liu W，Liu L Q，Guan C G，et al. A novel agricultural photovoltaic system based on solar spectrum separation[J]. Solar Energy，2018，162：84-94.

[18]魏 來，余明艷，覃楠楠，等. 農光耦合系統對田間光照條件和甘薯生長的影響[J]. 浙江大學學報（農業與生命科學版），2019，45（3）：288-295.

[19]魏 來.農光互補系統中甘薯生長發育特征研究[D]. 杭州：浙江大學，2017.

[20]陳 鳳，郭明明，樊繼偉，等. 不同小麥品種生長發育及產量對光伏板遮蔭的響應[J]. 麥類作物學報，2017，37（12）：1581-1588.

[21]單成鋼，王憲昌，張教洪，等. 光伏-丹參生產模式下的光照變化及其對丹參生長的影響[J]. 山東農業科學，2018，50（10）：73-79.

[22]王加真，張昕昱，金 星，等. 可用于光伏農業的反射濾光膜對貴州茶葉品質的影響[J]. 西南農業學報，2019，32（10）：2319-2323.

[23]張加強，朱開元，譚 晨，等. “農光互補”下油用牡丹單株產量性狀的相關性及回歸分析[J]. 浙江農業科學，2020，61（5）：982-985.

[24]Rsch C. Agrophotovoltaik-die energiewende in der landwirtschaft[J]. GAIA-Ecological Perspectives for Science and Society，2016，25（4）：242-246.

[25]Majumdar D，Pasqualetti M J. Dual use of agricultural land：Introducing ‘agrivoltaics’ in Phoenix Metropolitan Statistical Area，USA[J]. Landscape and Urban Planning，2018，170：150-168.

[26]Dinesh H，Pearce J M. The potential of agrivoltaic systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，54：299-308.

[27]Malu P R，Sharma U S，Pearce J M. Agrivoltaic potential on grape farms in India[J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments，2017，23：104-110.

[28]Agostini A，Colauzzi M，Amaducci S. Innovative agrivoltaic systems to produce sustainable energy：An economic and environmental assessment[J]. Applied Energy，2021，281：116102.

[29]Ketzer D，Schlyter P，Weinberger N，et al. Driving and restraining forces for the implementation of the Agrophotovoltaics system technology—A system dynamics analysis[J]. Journal of Environmental Management，2020，270：110864.

[30]Irie N，Kawahara N，Esteves A M. Sector-wide social impact scoping of agrivoltaic systems：A case study in Japan[J]. Renewable Energy，2019，139：1463-1476.

[31]Poncet C，Muller M M，Brun R，et al. Photovoltaic greenhouses，non-sense or a real opportunity for the greenhouse systems？[J]. Acta Horticulturae，2012（927）：75-79.

[32]Kadowaki M，Yano A，Ishizu F，et al. Effects of greenhouse photovoltaic array shading on Welsh onion growth[J]. Biosystems Engineering，2012，111（3）：290-297.

[33]Cossu M，Murgia L，Ledda L，et al. Solar radiation distribution inside a greenhouse with south-oriented photovoltaic roofs and effects on crop productivity[J]. Applied Energy，2014，133：89-100.

[34]歐浪情，何子力，劉路青，等. 紅、藍雙通道濾光膜對植物生長的影響[J]. 植物生理學報，2016，52（12）：1909-1914.

[35]Cossu M，Cossu A，Deligios P A，et al. Assessment and comparison of the solar radiation distribution inside the main commercial photovoltaic greenhouse types in Europe[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，94：822-834.

[36]Cossu M，Yano A，Solinas S，et al. Agricultural sustainability estimation of the European photovoltaic greenhouses[J]. European Journal of Agronomy，2020，118：126074.

[37]祁娟霞，曹麗華，李建設，等. 寧夏不同光伏溫室和大棚冬季內環境比較研究[J]. 浙江農業學報，2017，29（3）：414-420.

[38]Allardyce C S，Fankhauser C，Zakeeruddin S M，et al. The influence of greenhouse-integrated photovoltaics on crop production[J]. Solar Energy，2017，155：517-522.

[39]Gao Y A，Dong J F，Isabella O，et al. Modeling and analyses of energy performances of photovoltaic greenhouses with Sun-tracking functionality[J]. Applied Energy，2019，233/234：424-442.

[40]Moretti S，Marucci A. A photovoltaic greenhouse with variable shading for the optimization of agricultural and energy production[J]. Energies，2019，12（13）：2589.

[41]Xue J L. Photovoltaic agriculture-new opportunity for photovoltaic applications in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，73：1-9.

[42]Wang T Y，Wu G X，Chen J W，et al. Integration of solar technology to modern greenhouse in China：Current status，challenges and prospect[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，70：1178-1188.

[43]Li C S，Wang H Y，Miao H，et al. The economic and social performance of integrated photovoltaic and agricultural greenhouses systems：Case study in China[J]. Applied Energy，2017，190：204-212.

[44]Pringle A M，Handler R M，Pearce J M. Aquavoltaics：Synergies for dual use of water area for solar photovoltaic electricity generation and aquaculture[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，80：572-584.

[45]Gorjian S，Sharon H，Ebadi H，et al. Recent technical advancements，economics and environmental impacts of floating photovoltaic solar energy conversion systems[J]. Journal of Cleaner Production，2021，278：124285.

[46]趙軼潔，孟憲學，王聚博.探索“漁光互補”發展光伏農業——以鄂州20MWp農業光伏科技示范園為例[J]. 安徽農業科學，2015，43（22）：360-362.

[47]賴旺富，涂潔磊，朱永平，等. 晴朗天氣時放置方式對水上光伏組件輸出性能的影響分析[J]. 云南師范大學學報（自然科學版），2017，37（2）：6-9.

[48]雷 震，郝雨辰，孔伯駿.太陽輻射對大型漁光互補光伏電站發電效益影響分析[J]. 南京信息工程大學學報（自然科學版），2021，13（3）：377-382.

[49]Cazzaniga R，Cicu M，Rosa-Clot M，et al. Floating photovoltaic plants：Performance analysis and design solutions[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，81：1730-1741.

[50]Pimentel da Silva G D，Branco D A C.Is floating photovoltaic better than conventional photovoltaic？Assessing environmental impacts[J]. Impact Assessment and Project Appraisal，2018，36（5）：390-400.

[51]Baradei S E，Sadeq M A.Effect of solar canals on evaporation，water quality，and power production：An optimization study[J]. Water，2020，12（8）：2103.

[52]江富平.光伏發電項目綜合效益評價研究：以“漁光互補型”光伏電站為例[D]. 武漢：湖北工業大學，2016.

[53]徐 昱.浙江慈溪：浙東最大“牧光互補”牛棚發電站項目正式投入使用[EB/OL]. （2018-1-30）[2021-07-02]. http：//www.escn.com.cn/news/show-494455.html.

[54]Lytle W，Meyer T K，Tanikella N G，et al. Conceptual design and rationale for a new agrivoltaics concept：Pasture-raised rabbits and solar farming[J]. Journal of Cleaner Production，2021，282：124476.

[55]孫耀杰.現代農業與光伏發電互補耦合機理研究與工程優化關鍵技術[EB/OL]. （2018-12-01）[2021-07-02]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001808069&v=TjRX%25mm d2F0fSS4uZRu29P2XnOtQLArUbeXgBHF41vmjSJnydZYAR7J9M0 FqjXeuvEf6nl0WaFtJgJYE%3d.