Agrovoltaics——将太阳能装置放置在农田旁边的做法——在世界范围内被更频繁地采用,作为在不影响土地使用的情况下引入分布式清洁能源的一种方式。
根据俄勒冈州立大学的研究,太阳能和农业能源的共置可以提供美国总发电量的 20%。 据研究人员称,大规模安装农用光伏可导致每年减少 330 万吨二氧化碳排放,而对农作物产量的影响“微乎其微”。
根据这项研究,农业光伏发电需要马里兰州那么大的面积才能覆盖美国 20% 的发电量。 这大约是 13,000 平方英里,即目前美国农业面积的 1%。 在全球范围内,据估计,如果将 1% 的农田转化为太阳能光伏发电,就可以生产世界所需的能源。
安装农用光伏电池板的方法有很多种。 最常见的方法之一是抬高设施,为农场设备或牲畜腾出空间,以便在下方自由移动。 另一种流行的设计是将光伏板垂直放置,在成排的面板之间留出宽阔的空间。
美国
在加利福尼亚州萨默塞特,德国设计的 Sunzaun 垂直太阳能电池板安装在葡萄园中。 安装人员 Sunstall 开发了安装,包括连接到微型逆变器和两个电池的 43 450 W 模块。
极简主义设计使用模块框架中的孔来简单地连接到两根桩,从而避免了对重型搁架系统的需要。 双面太阳能模块在垂直方向阵列的两侧产生能量。
在采用水平方向设计的传统系统中,用于将面板安装在搁架系统上的导轨通常被切割以适合面板的预期尺寸。 如果在所有其他组件的采购完成后面板尺寸发生变化,则项目可能会在重新设计导轨以适应更新后的面板尺寸时遇到延迟。 Sunzaun 设计允许通过调整每个堆叠之间的距离轻松适应面板尺寸的变化。 如有必要,还可以调整面板离地面的高度。
德国
莱比锡应用科技大学的科学家研究了大规模部署东西向垂直光伏系统对德国能源市场的潜在影响。 他们发现,这些装置可以对稳定国家电网产生有益影响,同时与传统的地面安装光伏电站相比,可以更好地融入农业活动。
科学家们发现,垂直光伏系统可以将太阳能性能转移到冬季月份电力需求最高和电力供应最多的时间,从而减少太阳能限制。
“如果将 1 TW 的充电和放电功率和 1 TWh 的容量的电力存储集成到能源系统模型中,则效果将降低为减少高达 2 Mt/a 的二氧化碳排放量,其中 2.1% 的垂直模块来自东方向西,70% 向南倾斜,”他们说。 “最后,虽然对某些人来说实现 30% 的垂直发电厂率似乎不现实,但即使是更低的比率也会产生有益的影响。”
日本
在日本,德国组件制造商Luxor Solar的子公司Luxor Solar KK在Eco Rice Niigata旗下的一家大米加工厂的停车场建设了一个8.3千瓦的垂直光伏系统。
“汽车将停放在垂直系统之间”,Luxor Solar KK 的董事总经理 Uwe Liebscher 向 PV 杂志解释道。 “这个系统的目标是展示冬季的耐用性和由于雪的反射而产生的额外能量性能。” 另一方面,新泻以高雪负荷区而闻名,冬季积雪高达 2 或 3 米。”
朝南的系统采用 Luxor Solar 自己的异质结太阳能组件,以及来自德国垂直光伏专家 Next2Sun 的安装系统和来自日本欧姆龙的逆变器。 垂直组件将为位于系统旁边的大米加工厂供电。 长冈市为该项目提供了 2 万日元(14,390 美元)的资金。
“垂直安装仅占用农田的最小空间,同时保持超过 85% 的光照到达农作物,这确保了太阳能和农业之间的最佳平衡,这在日本至关重要,”他解释道。 “这使我们能够在公用事业农田上大规模建立农业光伏系统,例如小麦、土豆或水稻。”
法国
在法国,TotalEnergies 和农用光伏专家 InVivo 推出了一个 111 kW 的立式农用光伏演示器。 TotalEnergies 表示,试点安装将调查太阳能电池板对农业产量以及该地点的生物多样性、碳储存和水质的影响。
TotalEnergies Renouvelables France 首席执行官蒂埃里·穆勒 (Thierry Muller) 表示:“我们相信,绿色电力生产、沼气和农业之间形成的协同效应是确保我们的能源和粮食独立的答案之一。”
瑞典
Mälardalen 大学(瑞典)的科学家开发了一种计算流体动力学 (CFD) 模型,有助于分析垂直光伏项目中的微气候。 CFD 模拟用于求解关于固体和气体流经和围绕物体流动的复杂方程,可用于分析农业光伏系统内的微气候。
“农业光伏 (AV) 系统模型将经常用于新 AV 系统的设计以及决策制定,因为可以根据 AV 系统的位置和解决方案分析/预测微气候变化,”研究员 Sebastian Zainalli告诉 pv magazine.w
该研究观察到,在垂直光伏组件遮蔽的地面区域,太阳辐射强度降低了 38%。
主要原则
美国国家可再生能源实验室为农用光伏的成功提供了五项原则,包括:
气候、土壤和环境条件:一个地方的环境条件必须适合太阳能发电和所需的作物或植被覆盖。
配置、太阳能技术和设计:太阳能技术的选择、场地布局和其他基础设施会影响一切,从到达太阳能电池板的光量到拖拉机是否可以在必要时从面板下方通过。 “该基础设施将在未来 25 年内落地,因此必须按照预期用途正确使用。 该项目的成功将取决于它,”致力于 InSPIRE 的 NREL 研究员 James McCall 说。
作物选择和种植方法、种子和植被设计以及管理方法:农业光伏项目应选择在当地气候下在面板下茁壮成长并且在当地市场有利可图的作物或地被植物。
兼容性和灵活性:Agrovoltaics 的设计方式必须适应太阳能装置所有者、太阳能运营商和农民或土地所有者的相互矛盾的需求,以实现高效的农业活动。
协作和伙伴关系:要使任何项目取得成功,团队之间的沟通和理解至关重要。