经过验证的模拟优化了行栽作物农业的太阳能发电

普渡大学的一个研究小组展示了如何优化配备太阳能电池阵列的玉米田的产量，太阳能电池阵列全天在生长中的农作物上投射动态阴影。

来自普渡大学和丹麦奥胡斯大学的八名研究人员组成的团队于2024年7月26日在《CellReportsSustainability》上发表了他们的研究成果。

太阳能电池板阵列(光伏电池)通常会在一天中在地面上投下永久阴影。农田上的永久阴影会损害农作物的生长。普渡大学团队测试了一种农业光伏系统，该系统高耸于农作物之上，以便联合收割机进行作业。

该系统在白天跟踪太阳。由于太阳能电池板不断移动，每排玉米全天接收到的光照强度不同，但没有一排玉米一直处于阴影之下。

“我们开发了一个模型来计算落在每行上的光的比例，”普渡大学温思罗普·E·斯通化学工程杰出教授、合著者拉凯什·阿格拉瓦尔(RakeshAgrawal)说。

有了普渡大学团队的植物生长和光照强度(动态阴影)模型，研究人员现在可以提出关键的假设问题。如果太阳能电池板在较低的高度运行会怎样?如果它们靠得更近，或者彼此相距更远会怎样?如果他们种植一种较矮的玉米品种会怎样?

“一个季节就是一个数据点。如果你想改变变量，每年只有一个夏天，所以如果我们改变高度，那一年你只能种植一种作物来衡量影响，”阿格拉瓦尔说。但通过模拟，光伏制造商、电力公司和农民都可以提出几个假设问题并快速测试多个选项。

普渡大学实验中的太阳能板高20英尺。但模型已经显示，10英尺高的太阳能板可以产生类似的效果，而且建造成本要低得多。

阿格拉瓦尔说：“我们正在向世界展示，对于玉米来说，这样的方法可以实现，而且效果非常好。”

合著者、农业和生物工程教授玛格丽特·吉塔乌(MargaretGitau)指出，在某些情况下，农业光伏还可以通过促进农作物的气候适应能力的方式影响田间微气候。

“有些地区可能会经历更潮湿、更凉爽的天气，而其他地区的天气可能与没有太阳能电池板的地区没有区别，”吉塔乌说。“在特别干旱的时期，在经历水和温度压力的地区，太阳能电池板提供的遮光对于保持水分非常重要。”

农光伏还提供了建立自给自足水系统的潜力。她说，可以收集和回收径流或排水，利用现场发电提供补充灌溉。

美国大部分农光伏工作都集中在特色作物上，例如抱子甘蓝、覆盆子、卷心菜和辣椒。但与行栽作物相比，这些作物占用的土地比例较小。

根据联合国粮食及农业组织的数据，2022年美国玉米、大豆和小麦的种植面积超过2亿英亩。

威克沙姆农业研究卓越主席米奇·图因斯特拉(MitchTuinstra)表示：“大规模的机会很大”，即使考虑到农业光伏系统的具体需求，包括附近的输电线路、平地和湿度限制。

这项跨学科研究的主要作者、博士生VarshaGupta是Agrawal和Gitau的联合导师。Gitau说：“Varsha能够很好地整合各个学科的知识，包括化学工程、数据科学、人工智能、数学以及农业和生物工程，这绝非易事。”

这篇新论文是基于去年三月六位合作者发表的一项相关研究，该研究描述了如何通过调整太阳跟踪或反跟踪来优化农业光伏系统以用于食品或能源生产。

一直跟踪会产生最多的能量。反跟踪不会在农作物上投下阴影，但也不会产生任何能量。新研究报告了如何利用动态阴影建模来优化系统。

两篇论文发表的实验结果都表明，动态阴影对农光伏玉米产量的影响相对较小。数据集略有不同，但两次实验中的玉米都经历了20%到25%的遮光时间。

“你可能认为损失会达到20%到25%。但我们看到的损失大约是8%。”图因斯特拉说。

如果农民优化能源，他们每英亩的电力生产可以赚取1,000美元，如果优化玉米，每英亩的电力生产可以赚取约300美元。Tuinstra设想有一天，与芝加哥期货交易所相连的智能系统可以动态计算玉米和能源市场价格。

Tuinstra表示：“农光伏和可再生能源生产领域的机遇也可能为未来的生态系统服务做出贡献”，即生态系统为人类带来的好处。如果新的可持续再生农业技术能够与农光伏相结合，这一点就有可能实现。

再生农业包括覆盖作物、草原带、免耕和最低限度施用氮肥等管理策略。这些做法提供了生态系统服务，但对消费者、种植者和政府来说，成本都很高。

“如果你找到一种方法来整合这些东西，突然之间，你就有了由可再生能源支付的生态系统服务。每个人都可以从这些生态系统服务中受益，”图因斯特拉说。