彩色農業光電創新技術

台灣水資源與農業研究院 研究專員 梁慈雯／2023-11-23 15:35

農業一直是人類生活的重要部分，隨著科技的不斷進步，農業也不斷地創新與轉型。近年由於對再生能源的高需求及太陽能電池板製造成本的降低，太陽能發電和農作物之間對耕地的競爭也就不足為奇了。農業光電是同時使用土地進行太陽能發電及農作物生產，在架高且完全不透明的太陽能板下，具有可以部分控制遮蔭程度及光透射波長的太陽能板可以影響農作物的生長。

植物生長需要光來吸收大氣中的二氧化碳，此過程被稱為光合作用，當表現出飽和行為——意味著超過一定的光照水平，增加光照並不會讓植物從大氣中吸收大量二氧化碳分子而快速生長。而當植物吸收一個二氧化碳分子的過程中，植物也會從葉子中釋放出約 400 個水分子，這個過程被稱為蒸散作用，因此需要從土壤中持續向葉子補充水分。

農業光電的理論前提是光合作用中未使用的「多餘光」可以用於電能生產，此外，蒸散作用提供的蒸發冷卻可以提高太陽能板將光轉換為能量的效率。因此，農業光電最大挑戰是如何利用此原理將作物生產力最大化、蒸散損失最小化，以減少灌溉需求，並達到太陽能發電最大化，解決這項挑戰的第一步需要對作物如何利用光合作用中各種波長的光進行數學量化，及最終的二氧化碳分子如何轉化為作物產量。

 

1. 太陽光譜的特性

1.1 可見光譜的優勢

可見光譜是人類肉眼可見的光譜範圍，波長約從380 nm到750 nm。在農業光電中，可見光譜的應用最為廣泛。光合作用是植物生長的關鍵過程之一，而這正是可見光譜所包含的範圍，因此，透過合理調節可見光譜的比例和強度，我們可以將植物生長和發育最佳化。

1.2 紅外線譜的應用

紅外線譜包括近紅外線(NIR)和遠紅外線(FIR)，波長範圍在750 nm到1 mm之間。NIR光譜在農業中的應用尤為顯著，其可幫助農民測量植物的水分含量、營養狀態等關鍵參數，進一步提升農作物的品質和產量。FIR光譜則常用於土壤溫度的監測，以優化作物的種植環境。

1.3 紫外線譜的利用

紫外線譜包括紫外線A(UVA)、紫外線B(UVB)和紫外線C(UVC)，波長範圍在100 nm到380 nm之間。於農業中，UVB光譜可用於檢測植物的抗氧化能力及病蟲害暴露情況，進一步保障農作物的健康狀態。此外，UVC光譜也可以用於殺滅細菌和病毒，保證農業生產的衛生安全。


2. 彩色農業光電技術的應用

2.1 光譜調控植物生長及農業光電利用

彩色農業光電技術的一大亮點在於它可以透過調控光譜的組成及強度，針對不同作物生長階段的需求予以最佳化。加州大學戴維斯分校的科學家使用植物光合作用及蒸散作用的擴展模型，顯示植物對不同入射光譜之反應，並證實操縱光可以有效提高土地和水的利用效率，進一步可改善土壤品質，此技術旨在優化農業光電之光分配，研究證實，光譜的藍色部分於碳及水利用方面效率較低，可以更有效地用於生產太陽能，而光譜的紅色部分有助於植物生長(如下圖)，因此，收集太陽能及其最佳光譜，將可促進農業光電系統在加州等乾旱農業地區運作更有效率。此外，對作物及環境變量(輻照度、氣溫、濕度及CO2濃度)的敏感性分析證實，植物對不同光照處理之反應對環境條件呈現敏感性，並且具有物種特異性。因此，有必要進行進一步的研究來評估哪些作物和氣候更適合優化作物-水-能源關係。


▲圖1. (A)光處理概念示意圖，顯示了從全光譜太陽輻射可分為產生能量的藍色光譜和調控植物生長的紅色光譜。(B) 農業光電概念示意圖，其中光電電池板產生的陰影會降低某些作物的產量，但此損失可以透過產生的電能來平衡，從而使總體效率(土地利用率)超過100%，並可節省水分及延長土壤保水性。(C) 一般農場的示意圖，喜陽光植物的作物產量可能較高，但整體土地利用率較低，需水量也較高。

(圖片來源： https://doi.org/10.1029/2022EF002900)


2.2 光譜監測病蟲害控制

利用不同光譜的特性，亦可協助病蟲害控制工作，透過UVB光譜的應用，可準確地檢測病蟲害的存在及分佈情況，並可及時採取相應的防治措施，保護農作物的健康。

 

彩色農業光電技術未來發展

隨著科技不斷進步，彩色農業光電技術的興起為農電生產帶來了全新的可能性及新的思維和解決方案，研究顯示透過光譜的巧妙運用，未來可藉由精細的光譜調控，將光譜的特性進一步細分及利用，實現更高效、可持續的農業生產模式，亦可實現能源永續的目標。

 

參考資料

1.      Matteo Camporese, Majdi Abou Najm. 2022. Not All Light Spectra Were Created Equal: Can We Harvest Light for Optimum Food-Energy Co-Generation? Earth's Future 10(12): e2022EF002900. https://doi.org/10.1029/2022EF002900

2.      Gabriel G. Katul. 2023. Agrivoltaics in Color: Going From Light Spectra to Biomass. Earth's Future 11(5): e2023EF003512. https://doi.org/10.1029/2023EF003512

3.      Richard C. Leegood, Thomas D. Sharkey, and Susanne von Caemmerer. 2000. Photosynthesis: Physiology and Metabolism.