Agrovoltaics——將太陽能裝置放置在農田旁邊的做法——在世界範圍內被更頻繁地採用,作為在不影響土地使用的情況下引入分佈式清潔能源的一種方式。
根據俄勒岡州立大學的研究,太陽能和農業能源的共置可以提供美國總發電量的 20%。 據研究人員稱,大規模安裝農用光伏可導致每年減少 330 萬噸二氧化碳排放,而對農作物產量的影響“微乎其微”。
根據這項研究,農業光伏發電需要馬里蘭州那麼大的面積才能覆蓋美國 20% 的發電量。 這大約是 13,000 平方英里,即目前美國農業面積的 1%。 在全球範圍內,據估計,如果將 1% 的農田轉化為太陽能光伏發電,就可以生產世界所需的能源。
安裝農用光伏電池板的方法有很多種。 最常見的方法之一是抬高設施,為農場設備或牲畜騰出空間,以便在下方自由移動。 另一種流行的設計是將光伏板垂直放置,在成排的面板之間留出寬闊的空間。
美國
在加利福尼亞州薩默塞特,德國設計的 Sunzaun 垂直太陽能電池板安裝在葡萄園中。 安裝人員 Sunstall 開發了安裝,包括連接到微型逆變器和兩個電池的 43 450 W 模塊。
極簡主義設計使用模塊框架中的孔來簡單地連接到兩根樁,從而避免了對重型擱架系統的需要。 雙面太陽能模塊在垂直方向陣列的兩側產生能量。
在採用水平方向設計的傳統系統中,用於將面板安裝在擱架系統上的導軌通常被切割以適合面板的預期尺寸。 如果在所有其他組件的採購完成後面板尺寸發生變化,則項目可能會在重新設計導軌以適應更新後的面板尺寸時遇到延遲。 Sunzaun 設計允許通過調整每個堆疊之間的距離輕鬆適應面板尺寸的變化。 如有必要,還可以調整面板離地面的高度。
德國
萊比錫應用科技大學的科學家研究了大規模部署東西向垂直光伏系統對德國能源市場的潛在影響。 他們發現,這些裝置可以對穩定國家電網產生有益影響,同時與傳統的地面安裝光伏電站相比,可以更好地融入農業活動。
科學家們發現,垂直光伏系統可以將太陽能性能轉移到冬季月份電力需求最高和電力供應最多的時間,從而減少太陽能限制。
“如果將 1 TW 的充電和放電功率和 1 TWh 的容量的電力存儲集成到能源系統模型中,則效果將降低為減少高達 2 Mt/a 的二氧化碳排放量,其中 2.1% 的垂直模塊來自東方向西,70% 向南傾斜,”他們說。 “最後,雖然對某些人來說實現 30% 的垂直發電廠率似乎不現實,但即使是更低的比率也會產生有益的影響。”
日本
在日本,德國組件製造商Luxor Solar的子公司Luxor Solar KK在Eco Rice Niigata旗下的一家大米加工廠的停車場建設了一個8.3千瓦的垂直光伏系統。
“汽車將停放在垂直系統之間”,Luxor Solar KK 的董事總經理 Uwe Liebscher 向 PV 雜誌解釋道。 “這個系統的目標是展示冬季的耐用性和由於雪的反射而產生的額外能量性能。” 另一方面,新潟以高雪負荷區而聞名,冬季積雪高達 2 或 3 米。”
朝南的系統採用 Luxor Solar 自己的異質結太陽能組件,以及來自德國垂直光伏專家 Next2Sun 的安裝系統和來自日本歐姆龍的逆變器。 垂直組件將為位於系統旁邊的大米加工廠供電。 長岡市為該項目提供了 2 萬日元(14,390 美元)的資金。
“垂直安裝僅佔用農田的最小空間,同時保持超過 85% 的光照到達農作物,這確保了太陽能和農業之間的最佳平衡,這在日本至關重要,”他解釋道。 “這使我們能夠在公用事業農田上大規模建立農業光伏系統,例如小麥、土豆或水稻。”
法國
在法國,TotalEnergies 和農用光伏專家 InVivo 推出了一個 111 kW 的立式農用光伏演示器。 TotalEnergies 表示,試點安裝將調查太陽能電池闆對農業產量以及該地點的生物多樣性、碳儲存和水質的影響。
TotalEnergies Renouvelables France 首席執行官蒂埃里·穆勒 (Thierry Muller) 表示:“我們相信,綠色電力生產、沼氣和農業之間形成的協同效應是確保我們的能源和糧食獨立的答案之一。”
瑞典
Mälardalen 大學(瑞典)的科學家開發了一種計算流體動力學 (CFD) 模型,有助於分析垂直光伏項目中的微氣候。 CFD 模擬用於求解關於固體和氣體流經和圍繞物體流動的複雜方程,可用於分析農業光伏系統內的微氣候。
“農業光伏 (AV) 系統模型將經常用於新 AV 系統的設計以及決策制定,因為可以根據 AV 系統的位置和解決方案分析/預測微氣候變化,”研究員 Sebastian Zainalli告訴 pv magazine.w
該研究觀察到,在垂直光伏組件遮蔽的地面區域,太陽輻射強度降低了 38%。
主要原則
美國國家可再生能源實驗室為農用光伏的成功提供了五項原則,包括:
氣候、土壤和環境條件:一個地方的環境條件必須適合太陽能發電和所需的作物或植被覆蓋。
配置、太陽能技術和設計:太陽能技術的選擇、場地佈局和其他基礎設施會影響一切,從到達太陽能電池板的光量到拖拉機是否可以在必要時從面板下方通過。 “該基礎設施將在未來 25 年內落地,因此必須按照預期用途正確使用。 該項目的成功將取決於它,”致力於 InSPIRE 的 NREL 研究員 James McCall 說。
作物選擇和種植方法、種子和植被設計以及管理方法:農業光伏項目應選擇在當地氣候下在面板下茁壯成長並且在當地市場有利可圖的作物或地被植物。
兼容性和靈活性:Agrovoltaics 的設計方式必須適應太陽能裝置所有者、太陽能運營商和農民或土地所有者的相互矛盾的需求,以實現高效的農業活動。
協作和夥伴關係:要使任何項目取得成功,團隊之間的溝通和理解至關重要。