農業太陽能光電系統：能源與農業的未來

隨著全球人口的增加，對糧食和能源的需求也在不斷上升。為了滿足這些需求，同時實現可持續發展目標（SDGs），農業太陽能光電系統（Agrivoltaics, AV）作為一種雙重土地利用解決方案，結合了太陽能發電和農作物種植，逐漸受到關注，但也同時引發了土地競爭。農業太陽能光電系統需要一套有效的發展推動模式，以兼顧利用太陽能光電（PV）發電以及農業生產，進而提高土地利用效率。太陽能光電板對作物的部分遮蔭會導致一些產量損失，但也可能帶來協同效益，包括保護作物免受冰雹、霜凍、降雪和日灼等極端天氣條件的影響。太陽能光電板還可以通過更好的對流冷卻、減少蒸散作用和收集雨水來減少系統的熱應力。儘管有這些協同效益，太陽能光電板的遮蔭會減少作物光合作用所需的光照，從而影響農業生產。

►農業太陽能光電系統的概念

農業太陽能光電系統是一種將太陽能光電系統與農業結合的創新技術。這種系統允許在同一塊土地上同時進行太陽能發電和農作物種植，從而提高土地利用效率。農業太陽能光電系統的設計需要考慮太陽能光電模組的排列、作物的選擇以及微氣候對作物生長的影響。

圖1說明了農業太陽能光電系統（AV）土地利用的主要原則。理論上，農業太陽能光電系統可以比單獨的生產系統更有效地提高土地利用效率。較低的太陽能光電板密度和額外的遮蔭水平通常會分別導致能源和農作物產量的下降。然而，如果由於遮蔭導致的作物產量減少，減去農業太陽能光電系統建設造成的農田損失，則總體農業太陽能光電系統的產量將超過單獨的作物和地面安裝的太陽能光電系統。

此外，國際文獻建議，可以運用「土地相對利用比例」（Land Equivalent Ratio, LER）當作評估農業太陽能光電系統中作物和能源生產的土地利用效率指標(Asa’a et al., 2024)。圖1的模式B的複合式土地利用模式，其配置明顯是比模式A以單獨的作物生產和太陽能光電能源生產相比更有效率。藉由此種雙重土地利用模式，有助於同時滿足糧食與能源這兩方面的需求，還可以為農民提供額外的收入來源。

圖1. 農作物結合太陽能光電系統的土地利用理論範例。在此範例中，與單獨的兩個獨立生產系統相比，可將土地利用效率提高與經濟效益。

►農業太陽能光電系統的設計與優化

農業太陽能光電系統的設計和優化涉及多方面的挑戰，包括太陽能光電技術的選擇、太陽能光電模組的排列設計以及微氣候對作物的影響。根據國際研究表明，適當的太陽能光電模組設計可以在不影響作物生長的情況下，最大化太陽能發電效率。此外，選擇適合的作物和管理策略也是農業太陽能光電系統成功的關鍵。國際上已有許多不同的商業型、測試和研究型的農業太陽能光電系統實例。圖2展示了各種不同的農業太陽能光電系統的配置案例，包括：追日型系統（圖2A、B、D）、固定傾斜系統（圖2C、E、F）、垂直間隙系統（圖2E）和高架系統（除了圖2E）。值得注意的是，不同的農業系統可以兼容多種配置。從此也可以看出，國際上對於農業太陽能光電系統的設計和農作物生產的結合方向。

農業太陽能光電系統具有多種潛在優勢，包括：提高土地利用效率、保護作物免受極端天氣影響以及為農民提供額外的收入來源。根據研究顯示，農業太陽能光電系統可以在犧牲一定程度的作物產量的情況下，顯著提高土地的經濟價值。此外，農業太陽能光電系統還可以通過提供遮蔭，減少作物的水分蒸發，從而提高水資源利用效率。

圖2. 農作物結合太陽能光電系統模式範例 (A) 小麥上方的單軸追蹤太陽能光電板，克林納太陽能試驗場，2023 年夏季，德國斯特拉β基地；(B) 亞麻上方的兩軸追蹤農業光電站(Agrivoltaico)，2022年夏季，義大利皮亞琴察；(C) 黃芥末上方的高架耕地農業太陽能光電試驗點，2022 年秋季，比利時洛文喬爾； (D) 德國萊茵蘭-普法爾茨州 Geldsdorf 的 8 個品種以上的 258 kWp 農業太陽能光電蘋果園，靜態和單軸追蹤；(E) 間隔和垂直雙面組件試驗場，種植冬小麥，2023 年夏季，丹麥富勒姆；(F) 比利時比爾貝克的一座小型高架東西向 13.32 kWp 農業光伏梨園，2021 年夏季。

►農業太陽能光電系統的技術、社會經濟和農業挑戰

儘管農業太陽能光電系統具有多種潛在優勢，但其推廣和應用仍面臨多方面的挑戰。技術挑戰包括：太陽能光電模組的設計優化、電網連接以及在部分遮蔭條件下確保作物的生產力。社會經濟挑戰則包括：法律和監管框架的建立、農民的接受度以及資金的獲取。此外，農業挑戰則涉及作物的選擇和管理策略的制定。

農業太陽能光電系統在全球範圍內具有廣泛的應用潛力。不同地區（如歐洲、智利、中國、肯亞和美國）的研究和實踐表明，農業太陽能光電系統的土地利用配置方法具有多樣性和全球興趣。農業太陽能光電系統對作物產量、水果品質和土地利用效率的影響也得到了廣泛的關注和研究。

因此，國際上普遍認為農業太陽能光電系統在未來具有廣闊的應用前景，仍需要進一步的研究和探索。未來相關研究也將朝向在生命週期評估、水管理策略以及農業太陽能光電系統中的污染模式等方面。此外，建立完善的法律框架和指導方針，也是農業太陽能光電系統成功推廣的關鍵。

結論

儘管兼顧農業的太陽能光電系統在研究和政策上仍存在一些空白，農業太陽能光電系統與許多可持續發展目標（SDGs）以及全球各地的能源轉型和減碳框架相一致。因此，農業太陽能光電系統是一個相當具有發展潛力的領域，可以在應對氣候變化和土地利用挑戰的同時，增強糧食和能源生產。儘管目前仍然面臨多方面的挑戰，但通過適當的設計、技術和管理策略，農業太陽能光電系統有望在未來實現大規模的成功應用。

最後，為了確保農業太陽能光電系統的正確實施，歐盟已經制定了如「DIN SPEC 91434」農業太陽能光電系統發展指南。在法國，法國環境與能源管理署已經為了推展農業太陽能光電，制定了新的標準，義大利的復甦與韌性計畫更是公開的大力支持農業太陽能光電系統的發展。農業太陽能光電系統目前已經有適合特定農業條件和特定地區（特定作物）的市場需求，但在未來還有很大的發展潛力。 

參考文獻：

Asa’a S., T. Reher, J. Rong´e, J. Diels, J. Poortmans, H.S. Radhakrishnan, A. van der Heide, B. Van de Poel, M. Daenen, 2024, A multidisciplinary view on agrivoltaics: Future of energy and agriculture, Renewable and Sustainable Energy ReviewsAugust.