王玲俊 陳健

摘要 搜集了光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的相關(guān)文獻(xiàn)，將其梳理為3個(gè)方面：光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用、農(nóng)光互補(bǔ)和光伏農(nóng)業(yè)，進(jìn)而對(duì)這3個(gè)方面的研究進(jìn)行了綜述。研究發(fā)現(xiàn)，光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要用于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源短缺以及綠色生產(chǎn)等問(wèn)題;農(nóng)光互補(bǔ)則不同，它更加注重光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相互影響、競(jìng)合關(guān)系以及耦合共生;而光伏農(nóng)業(yè)是我國(guó)特有的提法，其含義包括光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和農(nóng)光互補(bǔ)2個(gè)方面。未來(lái)的研究可從產(chǎn)業(yè)共生視角進(jìn)行，分析光伏產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)共生融合的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 光伏;農(nóng)業(yè)生產(chǎn);農(nóng)光互補(bǔ);光伏農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào) F 303.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）18-0018-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.005

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Review of Related Research on the Integration of Photovoltaic and Agriculture

WANG Ling-jun1，2， CHEN Jian3

（1.School of Economics and Management， Nanjing Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu 211167;2.Institute of Industrial Economy and Innovation Management，Nanjing Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu 211167;3. College of Economics and Management， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037）

Abstract This article collected relevant literature on the integration of photovoltaic and agriculture， and sorted them into three aspects： the application of photovoltaic in agriculture， agrivoltaic and photovoltaic agriculture， and then reviewed the research in these three aspects. We found that the application of photovoltaic in agriculture is mainly used to solve the problems of energy shortage and green production in agricultural production. Agrivoltaic is different. It pays more attention to the mutual influence， competition and cooperation， and coupling symbiosis between photovoltaic power generation and agricultural production. And photovoltaic agriculture is a unique formulation in China， and its meaning includes the application of photovoltaic in agriculture and agrivoltaic. Future research can be conducted from the perspective of industrial symbiosis to analyze the economic， social and environmental effects of the symbiosis and integration of photovoltaic industry and agriculture.

Key words Photovoltaic;Agricultural production;Agrivoltaic;Photovoltaic agriculture

基金項(xiàng)目 南京工程學(xué)院產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與創(chuàng)新管理研究院開(kāi)放基金項(xiàng)目（JGKC202002）;南京工程學(xué)院高層次引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（YKJ202024）;江蘇省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（20GLD010）。

作者簡(jiǎn)介 王玲?。?984—），女，江蘇丹陽(yáng)人，副教授，博士，從事產(chǎn)業(yè)組織與產(chǎn)業(yè)政策、光伏農(nóng)業(yè)研究。*通信作者，講師，博士，從事產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與管理、光伏農(nóng)業(yè)研究。

收稿日期 2021-01-17

全球氣候變暖和化石資源枯竭促使人類(lèi)不斷尋求可再生的綠色能源，太陽(yáng)能資源由于具有安全、便利等特點(diǎn)，其利用受到了各國(guó)關(guān)注[1]，其中以光伏發(fā)電這一形式最為普遍。另外，世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)需要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出更多的糧食，這也意味著更多的電力消耗。光伏發(fā)電如能應(yīng)用到農(nóng)業(yè)部門(mén)，既可保障糧食安全，又可達(dá)到環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約等目的。事實(shí)上，早在20世紀(jì)60年代，英國(guó)、法國(guó)、印度、葡萄牙和美國(guó)等國(guó)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)展了太陽(yáng)能在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的相關(guān)研究，應(yīng)用方面包括農(nóng)產(chǎn)品和木材烘干、養(yǎng)殖棚的空氣調(diào)節(jié)等[2]。隨著光伏技術(shù)的出現(xiàn)，太陽(yáng)能光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐漸受到了關(guān)注，1975年首臺(tái)光伏水泵面世開(kāi)啟了光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的歷程[3]。在此之后，光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢(shì)，從剛開(kāi)始的農(nóng)業(yè)灌溉到現(xiàn)在的照明、通風(fēng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)機(jī)器人等[4]。此外，為了達(dá)到光伏發(fā)電在電力供應(yīng)總量中占比不斷提升的目標(biāo)，許多國(guó)家都積極投身于光伏電站的建設(shè)中。然而，作為光伏電站主要形式的地面光伏電站，其建設(shè)需要投入大片土地，土地資源成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大限制因素。鑒于此，有學(xué)者提出了農(nóng)光互補(bǔ)（agrivoltaic或agrophotovoltaic），也即一地兩用，在同一土地上既進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又進(jìn)行光伏發(fā)電。此后，農(nóng)光互補(bǔ)在世界范圍內(nèi)開(kāi)展了很多項(xiàng)目實(shí)踐，成為光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的第2種形式。在光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合現(xiàn)象出現(xiàn)的40多年里，很多學(xué)者對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的研究成果，但此領(lǐng)域的綜述文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。筆者搜集了光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行了梳理及綜述，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的研究進(jìn)行了展望。

1 光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

航空航天是光伏技術(shù)的最早應(yīng)用領(lǐng)域，而較早對(duì)光伏在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用進(jìn)行的研究正是發(fā)起于這一領(lǐng)域。美國(guó)航空宇航局（NASA）的Lewis研究中心于1980—1981年發(fā)起了一項(xiàng)針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)部門(mén)中應(yīng)用的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)研究。出于農(nóng)業(yè)部門(mén)的經(jīng)濟(jì)重要性、能源狀況、電氣化程度、太陽(yáng)能資源和地域代表性等方面因素的考慮，該研究選擇了尼日利亞、摩洛哥、哥倫比亞、墨西哥和菲律賓為調(diào)查對(duì)象，分析了美國(guó)光伏產(chǎn)品國(guó)際營(yíng)銷(xiāo)的障礙，并提出了相關(guān)建議[5]。隨后的一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)者主要關(guān)注了太陽(yáng)能光伏在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的障礙，這些障礙主要來(lái)自經(jīng)濟(jì)、制度和社會(huì)3個(gè)方面[6]。由于這些障礙的存在，20世紀(jì)90年代論及光伏在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的文獻(xiàn)很少。正如Katzman等[7]所預(yù)測(cè)的那樣，無(wú)論是從成本效益角度還是商業(yè)可行角度，光伏在農(nóng)業(yè)中的最佳應(yīng)用時(shí)機(jī)應(yīng)在2000年之后。進(jìn)入21世紀(jì)，雖然初期仍有文獻(xiàn)提到了光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用障礙這一問(wèn)題，如Radulovic[8]在研究如何促進(jìn)光伏在印度農(nóng)業(yè)部門(mén)中的應(yīng)用時(shí)，提出了要克服“政治障礙”這一建議，Mousazadeh等[9]在相關(guān)研究中也對(duì)“替換成本障礙”這一問(wèn)題進(jìn)行了分析。但很多學(xué)者對(duì)光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有著樂(lè)觀的預(yù)期，認(rèn)為太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用可以促進(jìn)全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展[10]，并且在智能生態(tài)農(nóng)業(yè)中有很好的應(yīng)用前景[11]。與此同時(shí)，除了在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用，光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)，有農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)存、農(nóng)業(yè)電動(dòng)車(chē)和農(nóng)場(chǎng)照明等。

1.1 光伏在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用

光伏與農(nóng)業(yè)的結(jié)合最早出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，Katzman等[7]以美國(guó)的內(nèi)布拉斯加州和得克薩斯州為例，結(jié)合燃料成本等因素對(duì)太陽(yáng)能光伏灌溉系統(tǒng)的成本效益和商業(yè)可行性進(jìn)行了分析。無(wú)獨(dú)有偶，我國(guó)在論及光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用時(shí)，最早也是在農(nóng)業(yè)灌溉方面。吳永忠等[12]結(jié)合我國(guó)西北地區(qū)干旱少雨以及太陽(yáng)能資源豐富的自然條件，分析了該地區(qū)對(duì)光伏提水的需求，提出可在西部大開(kāi)發(fā)中應(yīng)用光伏提水，從而在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、扶貧和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等目的。盛絳等[13]對(duì)光伏水泵系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，認(rèn)為該系統(tǒng)的應(yīng)用，尤其是在一些干旱地區(qū)的應(yīng)用，如我國(guó)的西北部地區(qū)、新疆南疆地區(qū)等，可以實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。在此之后，很多學(xué)者對(duì)光伏灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析[14-15]，并有學(xué)者認(rèn)為該系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性需結(jié)合應(yīng)用地點(diǎn)和作物種類(lèi)等進(jìn)行綜合考慮[16]。類(lèi)似地，Campana等[17]對(duì)我國(guó)牧草光伏灌溉系統(tǒng)的最佳選址進(jìn)行了研究，認(rèn)為最佳應(yīng)用區(qū)域受以下幾個(gè)因素的影響，如增加的牧草潛在產(chǎn)量、牧草管理成本、牧草需水量、地下水深度、牧草價(jià)格和二氧化碳價(jià)格等。此外，光伏灌溉系統(tǒng)不僅能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水的需求，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的智能化管理[18]。總體而言，雖然對(duì)光伏灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用仍存在一些爭(zhēng)論[19]，但在一些干旱地區(qū)，尤其是一些能源短缺并主要依靠農(nóng)業(yè)生存和發(fā)展的地區(qū)，如中東和非洲等地區(qū)的農(nóng)業(yè)國(guó)家，應(yīng)用光伏灌溉系統(tǒng)可在有效緩解能源短缺的同時(shí)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.2 光伏在農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，人類(lèi)對(duì)食物的需求迅速增加，而糧食產(chǎn)量的提高很大程度上取決于諸如農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)這類(lèi)高效園藝技術(shù)的應(yīng)用[20]。對(duì)于農(nóng)業(yè)溫室作物的生產(chǎn)而言，最大的成本來(lái)自為控制環(huán)境溫度而耗費(fèi)的能源，而就對(duì)環(huán)境的影響而言，光伏可為農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)提供綠色可持續(xù)的能源[21]。Saini等[22]對(duì)不同種類(lèi)的光伏技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)境經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅銦鎵硒（CIGS）光伏技術(shù)的投資回收期較短，而且碳排放量最少，具有較好的環(huán)境效應(yīng)。Yano等[23]研究發(fā)現(xiàn)，采用透明和半透明的光伏板，可增加進(jìn)入溫室大棚的光照量。Hassanien等[24]對(duì)采用半透明光伏板的溫室大棚使用情況進(jìn)行了調(diào)查，并研究了大棚內(nèi)番茄的生長(zhǎng)情況和生長(zhǎng)環(huán)境，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晴天情況下，光伏組件的遮陰會(huì)使大棚內(nèi)溫度下降1～3 ℃，但對(duì)相關(guān)濕度沒(méi)有顯著影響;這類(lèi)系統(tǒng)的投資回收期為9年。

1.3 光伏在農(nóng)業(yè)其他方面的應(yīng)用

除了以上2個(gè)方面，以光伏技術(shù)為基礎(chǔ)的光伏制冷系統(tǒng)可用于糧食儲(chǔ)存，同時(shí)，光伏也可用于農(nóng)產(chǎn)品烘干[25]。光伏系統(tǒng)還可應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械。Xue[26]分別計(jì)算了10和30 kW光伏農(nóng)用電動(dòng)車(chē)的投資回收期、凈現(xiàn)值和效益成本率，并與各自型號(hào)的拖拉機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，低功率的光伏農(nóng)用電動(dòng)車(chē)是明智及經(jīng)濟(jì)的投資選擇，盡管初始投資成本較高，但這種電動(dòng)車(chē)特別適合我國(guó)的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)。事實(shí)上，由于農(nóng)用機(jī)械主要應(yīng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這一動(dòng)力系統(tǒng)的耗油量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用具有較好的前景[27]。此外，光伏還可以用于農(nóng)業(yè)照明[28]，對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)而言，這一方式的意義尤為重大[29]。最后，還有很多其他方面的應(yīng)用正在逐漸開(kāi)發(fā)，如作物保護(hù)[30]、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化[31]等。

綜上所述，光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要用于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源短缺以及綠色生產(chǎn)等問(wèn)題，而隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用成本得以下降，相較于傳統(tǒng)的化石能源，光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，最終會(huì)促進(jìn)光伏在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

2 農(nóng)光互補(bǔ)

農(nóng)光互補(bǔ)，也被稱為農(nóng)光一體化，是指在同一土地上既進(jìn)行光伏發(fā)電又進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其強(qiáng)調(diào)的是一地兩用。因此，與光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不同，農(nóng)光互補(bǔ)更加注重光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相互影響、競(jìng)合關(guān)系以及耦合共生。

2.1 光伏溫室

Wang等[32]在回顧我國(guó)現(xiàn)代溫室和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況的基礎(chǔ)上提出了溫室系統(tǒng)與光伏發(fā)電的整合方案，進(jìn)而介紹了我國(guó)各地已實(shí)施的光伏農(nóng)業(yè)溫室工程項(xiàng)目;并以新疆的光伏農(nóng)業(yè)溫室項(xiàng)目為例，對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目的投資回收期為8.7年，如果考慮光伏系統(tǒng)的價(jià)格下降，則投資回收期可進(jìn)一步縮短;該研究揭示了我國(guó)光伏溫室系統(tǒng)在實(shí)踐中存在的問(wèn)題，主要包括缺少產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、補(bǔ)貼困境和技術(shù)障礙;最后指出，發(fā)展先進(jìn)的光伏技術(shù)可以更好地蓄熱，并實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和光利用的平衡，從而促進(jìn)現(xiàn)代光伏農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。同樣是基于國(guó)內(nèi)的情況，Li等[33]研究指出我國(guó)近年來(lái)農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目數(shù)量猛增，進(jìn)而對(duì)5種不同類(lèi)型的光伏農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析，發(fā)現(xiàn)它們的年投資回報(bào)率為9%～20%，投資回收期為4～8年;并且，這些系統(tǒng)的應(yīng)用能帶來(lái)巨大的社會(huì)效益，如提供就業(yè)、增加稅收和二氧化碳減排;進(jìn)一步的敏感性分析發(fā)現(xiàn)，在包括上網(wǎng)電價(jià)的眾多因素中，光伏農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)作物價(jià)格最為敏感;光伏農(nóng)業(yè)公司應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注作物種植，而政策制定者則應(yīng)將激勵(lì)從光伏電力生產(chǎn)轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)。由于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響，很多學(xué)者就如何提高光伏溫室系統(tǒng)中作物的產(chǎn)量進(jìn)行了技術(shù)方面的研究，并提出了相關(guān)的技術(shù)解決方案。例如，Allardyce等[34]針對(duì)傳統(tǒng)的不透明光伏板提出的半透明光伏板，Moretti等[35]提出的移動(dòng)光伏板系統(tǒng)等。

2.2 光伏種植與光伏養(yǎng)殖

早在1982年，Goetzberger等[36]便提出了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化和作物種植可以共存（coexistence）這一想法，而在此之前，用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的土地被認(rèn)為無(wú)法作為他用;這里的共存特指對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電裝置進(jìn)行改造，使土地能同時(shí)用于作物種植;具體的做法是將太陽(yáng)能集熱器提高到地面上方2 m，并增加它們之間的間距，以避免對(duì)作物造成過(guò)度遮擋;這些光伏系統(tǒng)僅占用了1/3的土地和光照資源，并且進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)可以提高其在作物生產(chǎn)中的適用性。大約過(guò)了30年，這一想法才被表述為“agrivoltaic”，并在世界范圍開(kāi)始了大規(guī)模的實(shí)踐[37]。法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院（INRA）的Dupraz等[38]首次提出了上述概念，該研究團(tuán)隊(duì)在蒙彼利埃附近建立了第一個(gè)光伏農(nóng)場(chǎng)，并在農(nóng)場(chǎng)中的4個(gè)相鄰的地塊種植了同一種作物，其中2個(gè)在全日照下（作為對(duì)照），另外2個(gè)分別在標(biāo)準(zhǔn)密度和半密度的光伏板列陣下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光伏板的架設(shè)遮擋了作物生產(chǎn)所需的陽(yáng)光，從而降低了作物產(chǎn)量;光伏板遮陰減少了蒸騰作用，并可能提高水利用效率，關(guān)鍵是要在光伏電力生產(chǎn)和作物生產(chǎn)之間找到平衡。之后，該團(tuán)隊(duì)中的Marrou等[39-41]沿著上述思路進(jìn)行了后續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)光伏板的架設(shè)確實(shí)可以減少作物中水的蒸散，從而增加作物產(chǎn)量，但需要選擇合適的作物品種，如生菜等喜陰作物。與此同時(shí)，其他學(xué)者對(duì)上述應(yīng)用的前景進(jìn)行了樂(lè)觀預(yù)估。Harinarayana等[42]認(rèn)為“agrivoltaic”的想法在印度可以順利得以實(shí)施。在德國(guó)，由于agrivoltaic對(duì)土地雙重利用的方式不會(huì)減少作物種植面積，人們會(huì)樂(lè)于接受它[43]。而在美國(guó)的鳳凰城都市統(tǒng)計(jì)區(qū)，上述想法的應(yīng)用既可以滿足社會(huì)對(duì)清潔電力的需求，又可以起到保護(hù)周?chē)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的作用，可以在該地區(qū)引進(jìn)此類(lèi)項(xiàng)目[44]。上述“agrivoltaic”特指農(nóng)業(yè)種植與光伏發(fā)電在同一土地上的共生融合，除此之外，還有農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電的結(jié)合，如“aquavoltaic”[45]，特指水產(chǎn)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電的結(jié)合。

2.3 農(nóng)光互補(bǔ)的相關(guān)效應(yīng)

很多學(xué)者都認(rèn)為農(nóng)光互補(bǔ)是滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能源需求和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的較好選擇。由于技術(shù)進(jìn)步，各種農(nóng)業(yè)光伏技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上的不確定性已大大降低，許多研究已證明了這些技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是具有可行性的[16，21，46]。不僅如此，其社會(huì)效應(yīng)[33]和環(huán)境效應(yīng)[20，22，47]也得到了證實(shí)。

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

Dinesh等[46]通過(guò)計(jì)算證實(shí)，如果選擇合適的農(nóng)作物，同時(shí)將遮陰效應(yīng)造成的產(chǎn)量損失降至最低，農(nóng)光互補(bǔ)可以使農(nóng)場(chǎng)的收入增加30%以上。Dupraz等[38]用土地當(dāng)量比來(lái)衡量農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)相對(duì)于單獨(dú)光伏系統(tǒng)在產(chǎn)量方面的優(yōu)勢(shì)，模擬顯示，在農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，整體的土地當(dāng)量比可以提高70%。而Amaducci等[48]研究表明，與單獨(dú)生產(chǎn)玉米并使用地面安裝的光伏組件單獨(dú)生產(chǎn)能源相比，農(nóng)光互補(bǔ)可以將可再生能源的土地生產(chǎn)率提高1倍。Malu等[49]通過(guò)對(duì)印度葡萄農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用光伏系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，認(rèn)為安裝光伏系統(tǒng)的葡萄農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值可能增長(zhǎng)15倍以上。還有學(xué)者基于案例研究了5種不同類(lèi)別光伏溫室系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)績(jī)效，認(rèn)為該類(lèi)系統(tǒng)可以取得良好的經(jīng)濟(jì)績(jī)效，它們的年投資回報(bào)率（AROI）為9%～20%;根據(jù)不同的光伏溫室生產(chǎn)農(nóng)作物，投資回收期為4～8年[33]。

2.3.2 社會(huì)及環(huán)境效應(yīng)。

除了經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)還能帶來(lái)可觀的社會(huì)環(huán)境效應(yīng)。Li等[33]對(duì)位于山東即墨光伏農(nóng)業(yè)園的昌盛日電公司進(jìn)行了調(diào)查研究，通過(guò)對(duì)公司管理人員和普通員工進(jìn)行訪談，獲得了光伏農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)有關(guān)社會(huì)效應(yīng)的信息，具體而言，光伏溫室可以增加稅收和提供就業(yè)，每個(gè)崗位大約有3萬(wàn)元的年收入。Leon等[50]以光伏與番茄種植結(jié)合的系統(tǒng)為例，對(duì)農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的CO2排放量進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)CO2排放量小于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng);農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)具有土地共享、陽(yáng)光共享和發(fā)電等功能，這些新功能的體現(xiàn)需要對(duì)傳統(tǒng)的功能單元進(jìn)行改變，或提出新的功能單元;對(duì)原有以土地面積為基礎(chǔ)的功能單元進(jìn)行了修改，并提出了以貨幣為基礎(chǔ)的功能單元，從而解決了該系統(tǒng)中光伏與農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)作為不同市場(chǎng)商品生產(chǎn)者，兩者產(chǎn)出不能相加的問(wèn)題;指出傳統(tǒng)和新型功能單元的結(jié)合有助于保持對(duì)農(nóng)用土地作物生產(chǎn)功能的關(guān)注，并能更好地理解農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響。此外，農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)不僅體現(xiàn)在溫室氣體的減排上，還會(huì)引發(fā)干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的協(xié)同效應(yīng)[37];比如，農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可以避免土壤中水分的過(guò)度蒸發(fā)[44，51]，進(jìn)而有利于作物生長(zhǎng)，甚至起到水土保持、防止土地荒漠化等作用。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2021年

3 光伏農(nóng)業(yè)

彭梅牙[52]較早提出了這一概念，認(rèn)為光伏農(nóng)業(yè)是集光伏產(chǎn)品和現(xiàn)代種養(yǎng)技術(shù)于一體，并利用現(xiàn)代管理方法來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)，是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和光能高效利用的綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系;光伏農(nóng)業(yè)的前提是保護(hù)和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，其目的是生產(chǎn)無(wú)公害綠色的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品，而這一過(guò)程需遵循生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)律，并運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和系統(tǒng)工程方法創(chuàng)新能量轉(zhuǎn)換方式;光伏農(nóng)業(yè)也是觀光休閑農(nóng)業(yè)、都市生態(tài)農(nóng)業(yè)的一部分，生態(tài)社會(huì)效益高，可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)。簡(jiǎn)火仔[53]認(rèn)為，光伏農(nóng)業(yè)是將光伏發(fā)電應(yīng)用到農(nóng)業(yè)種養(yǎng)、灌溉、病蟲(chóng)害防治和農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力等領(lǐng)域的一種新型農(nóng)業(yè)，其有利于環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提升和農(nóng)民增收，同時(shí)也能促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2014年，國(guó)內(nèi)的光伏農(nóng)業(yè)開(kāi)始加速發(fā)展，各地相繼建成了以光伏農(nóng)業(yè)大棚等光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)為主的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，同時(shí)伴隨著光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園和光伏農(nóng)業(yè)基地的出現(xiàn)。隨著實(shí)踐的深入，學(xué)者對(duì)光伏農(nóng)業(yè)提出了新的定義。阮曉東[54]認(rèn)為，光伏農(nóng)業(yè)是光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合，是一條“類(lèi)工業(yè)”的綠色發(fā)展新路;由于光伏發(fā)電不僅解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電力需求問(wèn)題，產(chǎn)出的多余電力可并網(wǎng)輸出，是一種重要的農(nóng)業(yè)工程形式。劉文科[55]指出，光伏農(nóng)業(yè)是以光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)并網(wǎng)發(fā)電站為核心，將光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)光電子工程應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種養(yǎng)和農(nóng)產(chǎn)品加工綜合利用的高技術(shù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。類(lèi)似地，房玉雙等[56]提出，光伏農(nóng)業(yè)是由光伏產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)合形成的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。從上述各種定義來(lái)看，相較于農(nóng)光互補(bǔ)對(duì)“一地多用”和“農(nóng)業(yè)發(fā)電兩不誤”想法的強(qiáng)調(diào)[57-58]，我國(guó)提出的光伏農(nóng)業(yè)其內(nèi)涵更為廣泛，涵蓋了光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和農(nóng)光互補(bǔ)2個(gè)方面。

4 結(jié)論與展望

光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)綠色能源的需求問(wèn)題，隨著光伏技術(shù)的進(jìn)步和光伏組件成本的下降，光伏在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有著非常廣闊的前景。農(nóng)光互補(bǔ)更加體現(xiàn)了光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“共生”，從而共享土地和光照資源，提高資源利用率。而我國(guó)提出的光伏農(nóng)業(yè)則包含了上述2個(gè)方面的內(nèi)容。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，光伏在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的研究主要涉及如何將光伏技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，農(nóng)光互補(bǔ)主要研究光伏發(fā)電與各農(nóng)業(yè)子部門(mén)（農(nóng)、林、牧、漁）的耦合以及相關(guān)效應(yīng)，而光伏農(nóng)業(yè)的相關(guān)研究則主要論及其概念和應(yīng)用前景等問(wèn)題。就光伏在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用方面的研究而言，未來(lái)應(yīng)以農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)為基礎(chǔ)，例如就光伏技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展開(kāi)研究。而農(nóng)光互補(bǔ)則應(yīng)關(guān)注光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“共生”的協(xié)同效應(yīng)，并應(yīng)在不同地區(qū)選擇不同作物展開(kāi)研究。上述2個(gè)方面都會(huì)促進(jìn)光伏和農(nóng)業(yè)更好地結(jié)合，并推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)的共生融合。所以，產(chǎn)業(yè)共生將會(huì)成為后續(xù)光伏農(nóng)業(yè)方面研究的新視角。從該視角出發(fā)，可對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)共生耦合的一系列問(wèn)題進(jìn)行研究，包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等方面。

參考文獻(xiàn)

[1] FERNANDES L，F(xiàn)ERREIRA P.Renewable energy scenarios in the Portuguese electricity system [J].Energy，2014，69：51-57.

[2] ANON.The solar energy society survey of research on applications of solar energy to agriculture，horticulture，animal husbandry，and forest products[J].Solar energy，1965，9（2）：87-94.

[3] 成思思.光伏農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需模塊化、精細(xì)化[N].中國(guó)能源報(bào)，2015-07-13（021）.

[4] GORJIAN S，SINGH R，SHUKLA A，et al.On-farm applications of solar PV systems[M]//GORJIAN S，SHUKLA A.Photovoltaic solar energy conversion：Technologies，applications and environmental impacts.Amsterdam：Elsevier，2020.

[5] BRAINARD W A.The worldwide market for photovoltaics in the rural sector[C]//Proceeding of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference.San Diego，California，USA：IEEE，1982：1308-1313.

[6] JARACH M.An overview of the literature on barriers to the diffusion of renewable energy sources in agriculture[J].Applied energy，1989，32（2）：117-131.

[7] KATZMAN M T，MATLIN R W.The economics of adopting solar energy systems for crop irrigation[J].American journal of agricultural economics，1978，60（4）：648-654.

[8] RADULOVIC V.Are new institutional economics enough？ Promoting photovoltaics in Indias agricultural sector[J].Energy policy，2005，33（14）：1883-1899.

[9] MOUSAZADEH H，KEYHANI A，MOBLI H，et al.Technical and economical assessment of a multipurpose electric vehicle for farmers[J].Journal of cleaner production，2009，17（17）：1556-1562.

[10] 魏建明.太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用正在促進(jìn)全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展[C]//中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì).農(nóng)業(yè)機(jī)械化與新農(nóng)村建設(shè)——中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊(cè)）.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)，2006：78-83，103.

[11] 劉強(qiáng)，黎妹紅，朱明峰，等.太陽(yáng)能在智能生態(tài)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，13（3）：344-347.

[12] 吳永忠，劉偉.風(fēng)力提水光伏提水在西北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)中的作用[C]//嚴(yán)陸光，崔容強(qiáng).21世紀(jì)太陽(yáng)能新技術(shù)——2003年中國(guó)太陽(yáng)能學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003：866-868.

[13] 盛絳，滕國(guó)榮，嚴(yán)建華，等.太陽(yáng)能光伏水泵在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008，30（12）：198-200.

[14] PETROSELLI A，BIONDI P，COLANTONI A，et al.Photovoltaic pumps：Technical and practical aspects for applications in agriculture[J].Mathematical problems in engineering，2012，2012：1-19.

[15] MEHMOOD A，WAQAS A，MAHMOOD H T.Economic viability of solar photovoltaic water pump for sustainable agriculture growth in pakistan[J].Materials today：Proceedings，2015，2（10）：5190-5195.

[16] JONES M A，ODEH I，HADDAD M，et al.Economic analysis of photovoltaic（PV）powered water pumping and desalination without energy storage for agriculture[J].Desalination，2016，387：35-45.

[17] CAMPANA P E，LEDUC S，KIM M，et al.Suitable and optimal locations for implementing photovoltaic water pumping systems for grassland irrigation in China[J].Applied energy，2017，185：1879-1889.

[18] MRIDA GARC A A，F(xiàn)ERN NDEZ GARC A I，CAMACHO POYATO E，et al.Coupling irrigation scheduling with solar energy production in a smart irrigation management system[J].Journal of cleaner production，2018，175：670-682.

[19] BASSI N.Solarizing groundwater irrigation in India：A growing debate[J].International journal of water resources development，2018，34（1）：132-145.

[20] VADIEE A，YAGHOUBI M.Enviro-economic assessment of energy conservation methods in commercial greenhouses in Iran[J].Outlook on agriculture，2016，45（1）：47-53.

[21] HASSANIEN R H E，LI M，LIN W D.Advanced applications of solar energy in agricultural greenhouses[J].Renewable and sustainable energy reviews，2016，54：989-1001.

[22] SAINI V，TIWARI S，TIWARI G N.Environ economic analysis of various types of photovoltaic technologies integrated with greenhouse solar drying system[J].Journal of cleaner production，2017，156：30-40.

[23] YANO A，ONOE M，NAKATA J.Prototype semi-transparent photovoltaic modules for greenhouse roof applications[J].Biosystems engineering，2014，122：62-73.

[24] HASSANIEN R H E，LI M，YIN F.The integration of semi-transparent photovoltaics on greenhouse roof for energy and plant production[J].Renewable energy，2018，121：377-388.

[25] MEKHILEF S，F(xiàn)ARAMARZI S Z，SAIDUR R，et al.The application of solar technologies for sustainable development of agricultural sector[J].Renewable & sustainable energy reviews，2013，18（2）：583-594.

[26] XUE J L.Assessment of agricultural electric vehicles based on photovoltaics in China[J].Journal of renewable sustainable energy 2013，5：6745-6759.

[27] 朱北仲.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)方面的應(yīng)用前景探析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2011（27）：20-21.

[28] BEY M，HAMIDAT A，BENYOUCEF B，et al.Viability study of the use of grid connected photovoltaic system in agriculture：Case of Algerian dairy farms[J].Renewable and sustainable energy reviews，2016，63：333-345.

[29] 夏小會(huì)，李正明.光伏發(fā)電在農(nóng)業(yè)照明中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（26）：16402-16404.

[30] MUMINOV A，JEON Y C，NA D，et al.Development of a solar powered bird repeller system with effective bird scarer sounds[C]//2017 International Conference on Information Science and Communications Technologies（ICISCT）.Tashkent：IEEE，2017.

[31] GHOBADPOUR A，BOULON L，MOUSAZADEH H，et al.State of the art of autonomous agricultural off-road vehicles driven by renewable energy systems[J].Energy procedia，2019，162：4-13.

[32] WANG T Y，WU G X，CHEN J W，et al.Integration of solar technology to modern greenhouse in China：Current status，challenges and prospect[J].Renewable and sustainable energy reviews，2017，70：1178-1188.

[33] LI C S，WANG H Y，MIAO H，et al.The economic and social performance of integrated photovoltaic and agricultural greenhouses systems：Case study in China[J].Applied energy，2017，190：204-212.

[34] ALLARDYCE C S，F(xiàn)ANKHAUSER C，ZAKEERUDDIN S M，et al.The influence of greenhouse-integrated photovoltaics on crop production[J].Solar energy，2017，155：517-522.

[35] MORETTI S，MARUCCI A.A photovoltaic greenhouse with variable shading for the optimization of agricultural and energy production[J].Energies，2019，12（13）：1-15.

[36] GOETZBERGER A，ZASTROW A.On the coexistence of solar-energy conversion and plant cultivation[J].International journal of solar energy，1982，1（1）：55-69.

[37] WESELEK A，EHMANN A，ZIKELI S，et al.Agrophotovoltaic systems：Applications，challenges，and opportunities.A review[J].Agronomy for sustainable development，2019，39（4）：1-20.

[38] DUPRAZ C，MARROU H，TALBOT G，et al.Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use：Towards new agrivoltaic schemes[J].Renewable energy，2011，36（10）：2725-2732.

[39] MARROU H，DUFOUR L，WERY J.How does a shelter of solar panels influence water flows in a soil-crop system？[J].European journal of agronomy，2013，50：38-51.

[40] MARROU H，GUILIONI L，DUFOUR L，et al.Microclimate under agrivoltaic systems：Is crop growth rate affected in the partial shade of solar panels？[J].Agricultural and forest meteorology，2013，177：117-132.

[41]

MARROU H，WERY J，DUFOUR L，et al.Productivity and radiation use efficiency of lettuces grown in the partial shade of photovoltaic panels[J].European journal of agronomy，2013，44：54-66.

[42] HARINARAYANA T，VASAVI K S V.Solar energy generation using agriculture cultivated lands[J].Smart grid & renewable energy，2014，5（2）：31-42.

[43] CHRISTINE R.Agrovoltaic Systems-The energy transition in agriculture[J].GAIA-Ecological perspectives for science and society，2016，25（4）：242-246.

[44] MAJUMDAR D，PASQUALETTI M J.Dual use of agricultural land：Introducing ‘a(chǎn)grivoltaics in phoenix metropolitan statistical area，USA[J].Landscape and urban planning，2018，170：150-168.

[45] PRINGLE A M，HANDLER R M，PEARCE J M.Aquavoltaics：Synergies for dual use of water area for solar photovoltaic electricity generation and aquaculture[J].Renewable & sustainable energy reviews，2017，80：572-584.

[46] DINESH H，PEARCE J M.The potential of agrivoltaic systems[J].Renewable and sustainable energy reviews，2016，54：299-308.

[47] WETTSTEIN S，MUIR K，SCHARFY D，et al.The environmental mitigation potential of photovoltaic-powered irrigation in the production of South African Maize[J].Sustainability，2017，9（10）：1-20.

[48] AMADUCCI S，YIN X Y，COLAUZZI M.Agrivoltaic systems to optimise land use for electric energy production[J].Applied energy，2018，220：545-561.

[49] MALU P R，SHARMA U S，PEARCE J M.Agrivoltaic potential on grape farms in India[J].Sustainable energy technologies and assessments，2017，23：104-110.

[50] LEON A，ISHIHARA K N.Assessment of new functional units for agrivoltaic systems[J].Journal of environmental management，2018，226：493-498.

[51] RAVI S，MACKNICK J，LOBELL D，et al.Colocation opportunities for large solar infrastructures and agriculture in drylands[J].Applied energy，2016，165：383-392.

[52] 彭梅牙.新余市大力發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)[J].南方農(nóng)機(jī)，2012，43（2）：4-6.

[53] 簡(jiǎn)火仔.光伏農(nóng)業(yè)帶來(lái)光明未來(lái)[J].江西農(nóng)業(yè)，2013（5）：18.

[54] 阮曉東.光伏農(nóng)業(yè)：綠色新路[J].新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2014（3）：30-33.

[55] 劉文科.迅速發(fā)展的光伏農(nóng)業(yè)[J].中國(guó)農(nóng)村科技，2014（8）：54-55.

[56] 房玉雙，鐵生年.光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題及對(duì)策建議[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，2015（5）：61-63.

[57] 蔣高中，徐跑，劉輝芬，等.光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（20）：60-62.

[58] 柴帆.現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈下的農(nóng)業(yè)光伏新模式[J].中國(guó)農(nóng)村科技，2016（9）：64-67.