彩色太阳能电池板让农场同时收获作物和电力
长期以来，希望在土地上增加可再生能源的农民面临一个尴尬的取舍：发电最多的不透明电池板也会投下最深的阴影。新研究表明，定制的、染成鲜艳洋红色的半透明太阳能电池板可以折中解决这一问题，在发电的同时将光谱中最有用的部分导向下方生长的作物。
这项研究定于10月2日发表在《Cell Reports Physical Science》上，研究对象是在瑞典Kärrbo Prästgård农场试验场电池板下种植的西兰花。研究结果显示，西兰花吸收阳光的效率高于露天种植的植株，收获的花球最终达到与传统种植西兰花相同的大小——尽管它们需要多25天才能成熟。
这项工作为那些希望生产可再生电力、又不愿放弃电池阵列下方土地生产力的农民提供了一种潜在工具。
洋红色电池板的工作原理
据论文作者、瑞典韦斯特罗斯Mälardalen大学的Silvia Ma Lu介绍，其基本概念很简单。电池板拦截部分入射阳光并将其转化为可再生电力，同时让其余部分透过到达下方的作物。她解释说，更宏大的目标是探究能否通过将太阳光谱分配给两项任务——供养植物和供电上网——来更高效地利用阳光。
洋红色并非随意的美学选择。半透明设计不像不透明电池板那样不加区分地阻挡光线，而是过滤太阳光谱，使蓝色和红色波长——植物最依赖的波段——在作物冠层中得到强化。
- 部分透射：一部分入射阳光穿过电池板到达植物。
- 发电：电池板捕获的光被转化为可再生电力。
- 光谱调谐：增强蓝色和红色波长以支持作物发育。
- 物理遮蔽：在田地上方安装电池板还可以保护植物免受过度阳光照射以及冰雹或暴雨等极端天气的影响。
西兰花试验揭示了什么
研究人员选择西兰花作为试验作物，在瑞典试验场的彩色半透明电池板下种植。主要结果是，与露天种植的西兰花相比，这些植物利用可用阳光的效率提高了4.5倍。在实际层面，这种效率提升体现在收成上：洋红色电池板下种植的西兰花长得与传统的露天种植西兰花一样大。
然而也有一个代价。受遮蔽的植株比全日照下的同类多用了25天才达到成熟。这一延迟对种植日程紧张、连续收获或依赖特定市场窗口合同的种植者来说很重要。这也表明，电池板下的光环境虽然在光谱方面有利，但并非在所有方面都能完美替代不受限制的阳光。
即便如此，完整大小的收成加上现场发电，正是使这一方法值得追求的结果。该系统不是让田地选择食物还是电力，而是让它两者兼顾。
为什么农业光伏正引起关注
在农田上安装传统太阳能电池板已经为农民提供了一种在可用且宽敞的土地上生产可再生电力的方式，同时保护作物免受过多直射阳光和破坏性天气的影响。困难在于，标准的深蓝色光伏电池板通常是不透明的。放置在田地上方时，它们可能造成许多作物无法承受的过多阴影，从而拉低产量。
这正是半透明和彩色电池板旨在缓解的问题。通过让受控比例的光线透过并塑造哪些波长能够通过，它们力求在保持有意义的发电量的同时，为下方植物留下足够可用的光。瑞典的西兰花试验就是这一努力中的一个数据点，测试洋红色滤光片能否被调谐以服务于特定作物，而不是简单地全面减少光照。
没有一种设计适合所有农场
Ma Lu谨慎地不过度宣扬这一结果是通用配方。在她看来，没有一种农业光伏配置能在每个地点都表现最佳。在瑞典农场对西兰花有效的方案，可能无法直接套用到不同的作物、不同的纬度或不同的气候。
她认为，需要更多研究来了解各种作物如何响应不同的系统设置和不同的气候条件，并设计出真正能平衡农业生产与可再生电力发电的装置。目标不是宣布哪种电池板颜色或透明度水平胜出，而是建立一套证据体系，让种植者能够根据其土地、作物和能源目标来匹配系统。
还有哪些问题需要解决
在彩色电池板成为农田常见景象之前，仍有若干未解问题。西兰花25天的成熟差距引发了其他作物——尤其是生长季较短或收获期限更严格的作物——将如何响应同样过滤光的问题。安装半透明电池板的经济性——其单位面积发电量通常低于完全不透明的替代品——也需要与其下方受保护作物的价值进行权衡。
研究人员还想知道，这些系统在多个季节以及真实农场经历的各种天气条件下表现如何，从电池板可以帮助抵挡的冰雹和暴雨，到光照本已稀缺的多云时段。这些变量中的每一个都可能改变田地发电量与粮食产量之间的平衡。
关键要点
- 在瑞典一个试验场，定制的半透明洋红色太阳能电池板在发电的同时，为下方生长的西兰花增强了蓝色和红色波长。
- 受遮蔽的西兰花阳光利用效率提高了4.5倍，并且长得与露天种植的西兰花一样大。
- 代价是：电池板下的植株多用了25天才成熟。
- 彩色半透明电池板正被探索为一种避免农田上不透明深蓝色电池板造成过度遮荫的方法。
- 该研究作者表示，没有一种农业光伏设计能适合所有作物、配置或气候，需要进一步研究以平衡粮食生产与可再生电力发电。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
