农民如何在不损害其他经营活动的情况下利用太阳能

Josiah02 · 发表于 2024-10-21 23:27:21

随着世界竞相实现净零排放目标，所有工业部门的减排工作必须比以往任何时候都更加紧迫。农业是一个重要的关注领域，因为它贡献了全球温室气体排放量的 22% ——几乎与能源部门相当。
农业光伏是实现农业部门脱碳的一种方法。它涉及将太阳能电池板（或光伏 (PV)）集成到农田、温室和畜牧区，这可以帮助农民在继续生产粮食的同时减少碳足迹。
农光伏还可以缓解人们对太阳能发电的批评之一，即太阳能发电场“浪费”了大片原本可用于粮食生产的农业用地。事实上，太阳能发电场目前仅占英国总土地的0.15% ，与占英国70% 的农业用地相比，这一比例并不高。
农用光伏系统最简单的例子是传统的晶体硅光伏电池（市场领先的太阳能电池板类型），安装在牲畜旁边的田地里。这种农场多样化的方法近年来越来越受欢迎，主要有三个原因。
首先，它提高了生物多样性，因为田地里没有定期轮作、单一栽培或收割青贮饲料。其次，它提高了产量，因为牲畜受益于树荫和更健康的牧草生长。
最后，太阳能农场降低了维护成本，因为牲畜可以减少草的生长。所有这些都是在太阳能电池板提供本地产生的清洁能源的同时实现的。
但如果安装不当，农业光伏可能会带来问题。最重要的挑战之一是平衡农作物和太阳能电池板对阳光的需求。农作物需要光照才能生长，如果太阳能电池板遮挡过多阳光，就会对农作物产量产生负面影响。
这个问题因地而异。在英国等晴天较少的国家，太阳能电池板需要让更多阳光透过。但在西班牙或意大利等地，一些遮荫实际上可以帮助农作物减少夏季酷热的压力。找到合适的平衡点很棘手，因为它取决于当地条件、农作物类型，甚至蜜蜂等传粉媒介的需求。
当我们考虑所用光伏材料的类型时，情况就更加复杂了。传统的太阳能电池板并不总是合适的，因为它们通常会阻挡植物所需的光波长（颜色）。
有机半导体和钙钛矿等新型材料非常适合这一应用，因为它们可以定制，让农作物获得所需的光照，同时仍能产生能量。与传统的无机半导体（本质上是金属和准金属原子的晶体）不同，有机半导体主要是由碳和氢组成的分子。而钙钛矿则是两者的混合体。
但这些材料的组合有成千上万种可供选择，科学文献中也包含了大量选项。找出哪种材料效果最好可能是一项艰巨的任务。
计算工具可以发挥巨大作用。研究人员无需在现实条件下测试每种材料（这将花费数年时间且成本高昂），而是可以使用模拟来预测其性能。这些模型可以帮助确定最适合特定作物和气候的材料，从而节省时间和资源。
工具
我们开发了一个开源工具，可帮助比较各种光伏材料，从而更轻松地确定农业光伏的最佳选择。我们的工具使用地理数据和不同光伏材料性能的真实模拟。
它考虑了光如何穿过这些材料并从它们反射，以及其他重要的性能指标，如电压和功率输出。该工具还可以对光伏材料进行实验室测量并将其应用于实际场景。
利用这个工具，我们模拟了不同地区不同光伏材料一年内每平方米能产生多少电力。我们还计算了有多少光穿过这些材料，以确保农作物生长旺盛。
通过对多种材料运行这些模拟，我们可以确定最适合特定作物和气候的选择。
像我们这样的工具可以通过指导农业光伏系统的设计，在农业部门脱碳方面发挥关键作用。未来的研究可以将这些模拟与经济和环境影响分析相结合。这将有助于我们了解太阳能电池板在其使用寿命内可以产生多少能量，以及生产它所需的资源和成本。
最终，我们的工具可以帮助研究人员和政策制定者选择最有效、最具成本效益和最环保的方式来实现农业脱碳，并使我们更接近实现全球净零排放。

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