选择性光传输在农业光伏中的应用：光光谱与光合速率建模研究

为解决传统不透明硅基光伏在农业光伏(APV)系统中遮光过度的问题，研究人员开展波长选择性光伏(WSPV)技术的光谱传输与光合作用建模研究。通过建立光传输模型和光合速率预测方法，验证了半透明CdTe光伏系统在光质优化方面的优势，并评估了不同WSPV技术在全球作物适应性中的应用潜力。该研究为APV系统优化设计提供了重要理论工具，推动水-能源-粮食(WEF)纽带关系的可持续发展。

　　

随着全球人口增长，水-能源-粮食(WEF)安全面临严峻挑战。农业光伏(APV)系统作为解决土地竞争问题的创新方案，传统上使用不透明晶体硅(c-Si)光伏组件，但其过度遮光影响作物生长。近年来，能够选择性透光的波长选择性光伏(WSPV)技术备受关注，这类技术可传输对作物生长有利的光谱波段，同时将未被利用的波长转化为电能。然而，现有APV建模工具大多未考虑光谱特性，且缺乏对光合效率的量化评估方法。针对这些关键问题，来自瑞典马尔达赫伦大学、意大利帕多瓦大学等机构的研究团队在《Nexus》发表了突破性研究成果。

研究团队主要采用光谱辐射传输建模和光合生理响应建模相结合的方法。通过SMARTS大气辐射传输模型计算太阳光谱，结合半透明光伏组件的透射率曲线，建立了光谱分辨的光传输模型。同时基于Camporese&Abou Najm的光合-蒸腾机理模型，开发了整合蓝(B)、绿(G)、红(R)光响应的光合速率预测方法。研究还引入了产量光子通量(YPF)和有效光合有效辐射(EPAR)等新指标评估光质效率。

在"光谱光建模验证"部分，研究以两种透光率(50%和70%)的品红色碲化镉(CdTe)光伏系统为对象，验证了模型在10分钟至日尺度的高精度(R²>0.89)。结果显示，提高系统安装高度可增加漫射光透过率，70%透光系统在夏季可为中等需光作物(DLI>6 mol m^-2 d^-1)提供足够光照。

"光合速率建模"部分创新性地提出基于B、G、R参考光响应曲线(LRCs)的加权计算方法，交叉验证显示优异准确性(R²>0.95)。研究发现虽然CdTe系统光强大幅降低，但其光谱组成(增强B和R光比例)使单位光强的光合效率高于自然光。

关于"光合效率评估"，研究首次系统比较了多种WSPV技术：品红色CdTe光伏的YPF和EPAR分别比PAR高3.9-10.7%，红光主导的有机光伏(OPV1)提升达19.12%，而蓝光主导的OPV2则降低9.7%，中性色半透明c-Si(ST-c-Si)则保持光谱中性。

在"作物适应性分析"中，基于典型气象年数据对全球8个气候区模拟表明：70%透光CdTe和红光OPV适合大多数地区中等需光作物；高透光OPV2和ST-c-Si(约50%)则能满足强需光作物(DLI>16 mol m^-2 d^-1)，但光质效率较低。

研究结论指出，建立的光谱分辨模型填补了WSPV-APV系统建模空白，YPF和EPAR指标为光质评估提供了新工具。虽然当前CdTe系统成本高于c-Si，但其光谱优化优势明显。未来需结合发电性能、作物产量和经济性进行多目标优化，并深入研究长期光谱处理对作物形态生理的调控机制。

该研究的核心价值在于：首次实现了从光谱传输到光合效率的完整建模链条，为APV系统设计提供了量化工具；提出的光质评估指标解决了传统PAR指标的局限性；全球适应性分析为WSPV技术推广提供了科学依据。这些成果将推动农业光伏向更高效、更智能的方向发展，对实现可持续发展目标具有重要意义。