農業光伏板幫助農民收獲能源

ANDRE DACCACHE/UC DAVIS

地球上沒有未利用的耕地，這個星球上已經養活了80億的人口，大約有100萬植物和動物面臨滅絕的威脅。壓力是顯而易見的。近日在蒙特利爾，活動人士和外交官正在就一項生物多樣性條約進行談判，努力為野生動物保留30%被認為對生物多樣性至關重要的陸地和海洋。這種日益零和的資源競爭正是加州大學戴維斯分校土壤生物物理專家Majdi Abou Najm開始對太陽能和農業進行土地和節水重新思考的原因。

Abou Najm正在探索如何調整架設在農田上的半透明光伏板，以吸收和傳輸最佳波段的陽光，從而在不阻礙下方作物生長的情況下產生大量電力，而不是將土地專門用于太陽能農場。在某些情況下，這些面板甚至可以提高產量。

“聯合國預測，到2050年，人類將需要多60%的食物、40%的水和50%的能源。我們正處于一個階段，一次解決一個問題是行不通的。我們需要優化，”加州大學戴維斯分校土地、空氣和水資源系教授Abou Najm說。

將太陽能技術和農業結合起來的努力——被稱為農業光伏——已經進行了十年。在過去幾年中，一些研究人員已經開始探索使用允許一些光線通過的光伏板，而不是簡單地捕捉所有光線并投射陰影。他們已經暗示了一個絕佳的機會：通過利用太陽能光譜中較高能量的藍色部分發電，并讓許多植物更喜歡的紅光通過，從而提高系統的凈效率和盈利能力。

這是一個可行的機會，這要歸功于由半導體薄膜或顆粒制成的可調諧半透明太陽能電池板的日益普及。例如，亞利桑那大學和幾個以色列研究所的研究人員正在使用總部位于法國南特的Armor Group生產的有機光伏薄膜研究農業光伏。與此同時，位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的量子點開發商UbiQD已經使用其半導體粒子來生產透明光伏。

Abou Najm與意大利帕多瓦大學的水文學家Matteo Camporese一起做出的貢獻，是第一個能夠預測光譜分裂的綜合增長模型，這將最大限度地提高作物、氣候和太陽能電池板組合的土地和水效率。

Abou Najm說，這是一個復雜的問題，關鍵部件之間存在非線性相互作用。他補充道，通過反復試驗進行優化將減緩不斷增長的領域?！斑@是第一個可以同時研究所有這些相互作用并用一組方程求解它們的模型?！痹撃Ｐ蜕蟼€月發表在美國地球物理聯盟期刊《地球的未來》上。

研究人員通過模擬生菜、羅勒和草莓的農業光伏種植來評估他們的模型。他們證實，在更紅的光線下生長有助于減少用水并促進生長，但發現通過一些更藍的光線可以獲得最佳結果。

最近與加州大學戴維斯分校農業工程教授Andre Daccache一起進行的田野調查也證實了這一點。初步實驗使用彩色濾光片作為半透明PV的替代品，測量了番茄在各種條件下的種植情況。該團隊目前正在分析試驗期間收集數據的傳感器的大量數據。

優化的農業光伏可能在干旱的糧倉中特別重要，比如加利福尼亞中央谷，那里提供了大約四分之一的美國糧食供應。農民也很熱衷。Abou Najm說，五年前對農業光伏沒有興趣的當地農民現在渴望了解更多 —— 比如多年的干旱，以及越來越具破壞性的熱浪，今年9月的一次熱浪，加州一周的氣溫達到43°C至46°C。

Abou Najm說：“這真的讓人大開眼界。種植者們可以看到多少陽光也是一種令人不安的力量。他們看到了熱應激和熱灼傷對作物產量的影響，以及與熱相關的水成本?！?他預測，農業光伏技術可以以“大于個位數”的百分比減少用水。但他表示，需要進行更深入的分析：“我們需要更多的數據來進行全面的成本效益分析和用水效率分析，以證明農業光伏技術對農民的效用?！?/p>

量子點薄膜生產商UbiQD似乎也對農業光伏產生了更多興趣。

UBIQD

當IEEE Spectrum在2020年介紹UbiQD時，該材料開發商正在將薄膜商業化，這種薄膜通過吸收一些藍光并將其重新發射為紅光來促進植物生長，而不是首先開發的半透明農業光伏技術。創始人兼首席執行官Hunter McDaniel當時表示，該公司將這些光轉換薄膜推到了量子點農業光伏之前，因為農民對任何可能略微降低作物產量的東西都缺乏興趣。

但今年，UbiQD開始與加拿大光伏生產商Heliene合作開發農業光伏。UbiQD的新聞稿稱，他們的農業光伏將首先集成到溫室中，在那里他們可以通過更換屋頂玻璃獲得經濟優勢。

McDaniel和UbiQD沒有回應Spectrum對此事的置評請求。