农业光伏板帮助农民收获能源

ANDRE DACCACHE/UC DAVIS

地球上没有未利用的耕地，这个星球上已经养活了80亿的人口，大约有100万植物和动物面临灭绝的威胁。压力是显而易见的。近日在蒙特利尔，活动人士和外交官正在就一项生物多样性条约进行谈判，努力为野生动物保留30%被认为对生物多样性至关重要的陆地和海洋。这种日益零和的资源竞争正是加州大学戴维斯分校土壤生物物理专家Majdi Abou Najm开始对太阳能和农业进行土地和节水重新思考的原因。

Abou Najm正在探索如何调整架设在农田上的半透明光伏板，以吸收和传输最佳波段的阳光，从而在不阻碍下方作物生长的情况下产生大量电力，而不是将土地专门用于太阳能农场。在某些情况下，这些面板甚至可以提高产量。

“联合国预测，到2050年，人类将需要多60%的食物、40%的水和50%的能源。我们正处于一个阶段，一次解决一个问题是行不通的。我们需要优化，”加州大学戴维斯分校土地、空气和水资源系教授Abou Najm说。

将太阳能技术和农业结合起来的努力——被称为农业光伏——已经进行了十年。在过去几年中，一些研究人员已经开始探索使用允许一些光线通过的光伏板，而不是简单地捕捉所有光线并投射阴影。他们已经暗示了一个绝佳的机会：通过利用太阳能光谱中较高能量的蓝色部分发电，并让许多植物更喜欢的红光通过，从而提高系统的净效率和盈利能力。

这是一个可行的机会，这要归功于由半导体薄膜或颗粒制成的可调谐半透明太阳能电池板的日益普及。例如，亚利桑那大学和几个以色列研究所的研究人员正在使用总部位于法国南特的Armor Group生产的有机光伏薄膜研究农业光伏。与此同时，位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的量子点开发商UbiQD已经使用其半导体粒子来生产透明光伏。

Abou Najm与意大利帕多瓦大学的水文学家Matteo Camporese一起做出的贡献，是第一个能够预测光谱分裂的综合增长模型，这将最大限度地提高作物、气候和太阳能电池板组合的土地和水效率。

Abou Najm说，这是一个复杂的问题，关键部件之间存在非线性相互作用。他补充道，通过反复试验进行优化将减缓不断增长的领域。“这是第一个可以同时研究所有这些相互作用并用一组方程求解它们的模型。”该模型上个月发表在美国地球物理联盟期刊《地球的未来》上。

研究人员通过模拟生菜、罗勒和草莓的农业光伏种植来评估他们的模型。他们证实，在更红的光线下生长有助于减少用水并促进生长，但发现通过一些更蓝的光线可以获得最佳结果。

最近与加州大学戴维斯分校农业工程教授Andre Daccache一起进行的田野调查也证实了这一点。初步实验使用彩色滤光片作为半透明PV的替代品，测量了番茄在各种条件下的种植情况。该团队目前正在分析试验期间收集数据的传感器的大量数据。

优化的农业光伏可能在干旱的粮仓中特别重要，比如加利福尼亚中央谷，那里提供了大约四分之一的美国粮食供应。农民也很热衷。Abou Najm说，五年前对农业光伏没有兴趣的当地农民现在渴望了解更多 —— 比如多年的干旱，以及越来越具破坏性的热浪，今年9月的一次热浪，加州一周的气温达到43°C至46°C。

Abou Najm说：“这真的让人大开眼界。种植者们可以看到多少阳光也是一种令人不安的力量。他们看到了热应激和热灼伤对作物产量的影响，以及与热相关的水成本。” 他预测，农业光伏技术可以以“大于个位数”的百分比减少用水。但他表示，需要进行更深入的分析：“我们需要更多的数据来进行全面的成本效益分析和用水效率分析，以证明农业光伏技术对农民的效用。”

量子点薄膜生产商UbiQD似乎也对农业光伏产生了更多兴趣。

UBIQD

当IEEE Spectrum在2020年介绍UbiQD时，该材料开发商正在将薄膜商业化，这种薄膜通过吸收一些蓝光并将其重新发射为红光来促进植物生长，而不是首先开发的半透明农业光伏技术。创始人兼首席执行官Hunter McDaniel当时表示，该公司将这些光转换薄膜推到了量子点农业光伏之前，因为农民对任何可能略微降低作物产量的东西都缺乏兴趣。

但今年，UbiQD开始与加拿大光伏生产商Heliene合作开发农业光伏。UbiQD的新闻稿称，他们的农业光伏将首先集成到温室中，在那里他们可以通过更换屋顶玻璃获得经济优势。

McDaniel和UbiQD没有回应Spectrum对此事的置评请求。