農業活動揚起的灰塵會影響農業太陽能系統的發電嗎?
太陽能板的污染指的是灰塵和土壤顆粒在光電板模組表面累積，導致光損失，進而使光電板的發電量下降的情況，在乾旱地區，每年發電量下降可以達到30%。
太陽能板模組上的灰塵沉積取決於灰塵的來源、位置、氣候、模組的安裝和人為因素。在農業光電系統中，光電板安裝在農田上方，農業活動(例如使用農機具)會產生大量的灰塵，灰塵會沉積在光電板的模組上，導致能源產量的損失。
那真的是這樣嗎?
讓我們以智利中部的農業光電案場的案例來探討，到底這些灰塵污染對於光電板的發電量影響是如何?又，怎樣清潔保養可以維持農業光電系統的發電量呢?
▲太陽能板下的農作活動 (圖片來源：Max, 2016)
智利弗勞恩霍夫太陽能技術研究中心(Fraunhofer Chile Research - Center for Solar Energy Technologies)在智利聖地牙哥大都會區的中部地區安裝了一個直立式農業光電系統的試驗農場，這個試驗農場是區域競爭力創新基金FIC (Fondo de Innovación para la Competitividad)的支持下建立，受益人是中小型農戶。土地具有良好保濕能力和自然肥力，適當地耕作和管理方式都可以獲得高產量的農作物。
這個地區平均高溫範圍在6月的17°C和1月的31°C之間，平均低溫範圍在6月的6°C和1月的16°C之間。全天空輻射量(Global Horizontal Irradiance, GHI)值每年超過1700
kWh/m2。
由於需要考量到大型農機具像是曳引機或整地機的操作，光電板的設置高度達到4.78公尺高。農業光電站是由寬8公尺、長6.9公尺的直立式光電模組組成，總長度28公尺，總面積為224平方公尺。8公尺的寬度是根據農場最常見的機器所選擇的，這樣農民可以在農業光電系統下方的田地進行作業。
請參考下方配置示意圖，太陽能板模組經過編碼已進行後續評估。
污染的損失是指覆蓋在光電板表面的灰塵造成的功率輸出損失。粉塵是指直徑小於500微米的顆粒，來源包括花粉、紡織纖維和有機礦物(沙子、黏土、石灰石)，以及車輛交通或火山爆發造成的空氣污染。光電模組上的灰塵沉積取決於灰塵的來源、位置、氣候、模組的安裝和人為因素。光電模組上的污染分為均勻和非均勻分布。
均勻污染對應顆粒均勻地沉積在光電面板整個表面上，以成比例的狀態產生光損失，直接造成的結果是光電模組短路電流的降低。非均勻污染通常會沉積在光電模組框架的下邊緣或側面，從而導致模塊功率輸出和短路電流產生影響。
透過清潔光電面板可以有效避免污染損失。清潔方法有手動、半自動、自動清潔或自潔模式(註1)。
農業光電系統上的污染是均勻污染，也就是灰塵均勻遍佈整塊面板表面，因此評估污染損失主要針對未清潔、骯髒的光電板表面測量標準化短路電流值和清潔的進行比較。下圖為農機操作過程產生灰塵的情況與面板清潔度的差異。
研究結果發現，在炎熱乾燥的夏季期間，未清潔的光電面板每日會有0.35%的污染損失，發電效能會因此每日下降0.35%。在秋季期間未清潔的面板發電效能則是每日下降0.31%。當面板遭遇自潔(雨天)，則發電效能會急遽增加。
在6個月的觀察期間，農業光電站因為污染損失導致的能量損失為216.24 kWh/hWp。考慮當地電價0.108 USD/kWh，整個系統的經濟損失總計為66.68 USD/kWh或23.38 USD/kWh在夏季和秋季的監測期間。
儘管光電板的設置高度因為農業活動(考量農機具高度)而安裝在4公尺以上高度，但是污染並未如預期中降低，而是保持較高的污染，並且確認灰塵的來源是由於大型農機具(例如犁或圓盤式鬆土機)進行現場準備工作，這會導致光電板組件下方和旁邊產生大量灰塵，這也是導致最後面板上面的高均勻污染率。此外，在農地旁未鋪設的農用道路行駛的車輛也會揚起灰塵，這些灰塵可能會被風吹向農業光電站。
研究建議，因為農業光電系統應用的最高潛力是在乾燥和陽光充足的地區，而這個研究在夏季炎熱乾燥時發現較大的發電效能損失與經濟損失，因此為了將面板表面的污染降低，應該裝設自動化清潔設備，此設備也可合併灌溉用水的功能，來協助農業活動。
註1：所謂自潔是指當灰塵等污染物沾到物體的表面時，可藉由天然雨水的沖刷，不需人工清洗，就可保持表面的清潔稱之。
參考資料
1. Jung, D., Gareis, G. H., Staiger, A., Salmon, A. 2022. Effects of soiling on agrivoltaic systems: Results of a case study in Chile. AIP Conference Proceedings 2635, 020001 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0107943
2. Max, T. 2016. An Economic Analysis of Agrophotovoltaics: Opportunities, Risks and Strategies towards a More Efficient Land Use. The Constitutional Economics Network Working Papers No. 03-2016.