太阳能在中国垂直农场照明中的可行性：技术经济与环境视角

《Modern Agriculture》：Feasibility of Solar Energy for Lighting Vertical Farms in China: Techno-Economic and Environmental Views

　　

植物工厂(Plant Factories, PFs)是一种创新的农业生产模式，利用受控环境和先进调控技术提高土地利用效率并减少资源依赖。然而，其发展受到高能耗的制约。鉴于基于化石燃料的电力的高成本和环境影响，太阳能等可再生能源已成为有前景的替代方案。在本研究中，研究人员将一座由20层（面积=100?m²）组成的模型垂直植物工厂应用于中国21个人口超过500万的城市。考虑了三种供电模式：电网供电系统(Grid-Powered System, GPS)、独立太阳能供电系统(Standalone Solar-Powered System, SPS)和电网-太阳能混合供电系统(Grid-Solar Hybrid System, HPS)。研究人员评估了每种模式的净现成本(Net Present Cost, NPC)、能源成本(Levelized Cost of Energy, COE)和二氧化碳(CO₂)排放。在三种系统中，混合系统显著降低了经济成本（NPC比电网供电系统低40.87%–65.68%），而独立太阳能供电系统最有效地减少了二氧化碳排放（比电网供电系统低85.99%–97.93%）。通过综合分析太阳能资源、系统设计、经济指标和减排效益，本研究为支持垂直农业项目的决策和实施提供了科学证据，促进了农业与环境保护的协调发展。

论文解读文章

**研究背景与问题**
传统农业面临资源枯竭、环境污染和气候变化的多重压力，难以同时满足粮食安全与环境保护的双重目标。植物工厂(Plant Factory, PF)作为一种创新农业生产模式，通过高度受控环境和先进调控技术（如人工光、温湿度控制），可显著提高土地利用效率并减少水土资源消耗。然而，植物工厂的发展受限于高能耗，其中人工照明约占用电量的50%，依赖传统化石燃料不仅运行成本高，还会排放大量温室气体。太阳能作为最具潜力的可再生能源之一，可通过光伏(Photovoltaic, PV)技术转换为电能，为植物工厂提供清洁替代方案。本研究的核心问题在于：在中国主要城市中，太阳能供电系统用于垂直植物工厂是否在技术、经济和环境上可行？不同供电配置的成本与减排效益如何？

**研究目的与意义**
研究人员旨在为人口超500万的21个中国城市（数据源自第七次全国人口普查）的20层垂直植物工厂（面积100?m²）设计并评估三种供电模式——电网供电系统(Grid-Powered System, GPS)、独立太阳能供电系统(Standalone Solar-Powered System, SPS)和电网-太阳能混合供电系统(Grid-Solar Hybrid System, HPS)。通过量化净现成本(Net Present Cost, NPC)、能源成本(Levelized Cost of Energy, COE)和二氧化碳(CO₂)排放，为决策者提供科学依据，推动垂直农业与清洁能源的协同发展。本论文发表在《Modern Agriculture》。

**主要技术方法**
研究人员使用美国国家可再生能源实验室开发的HOMER软件进行系统设计与优化。该方法基于模型植物工厂的电力负荷（照明功率160?kW，每日14?h），结合各城市的气象数据（来自NASA全球预测能源数据库的逐时太阳辐射和温度）和太阳能组件参数（LONGi 300W太阳能板、Trojan SSIG电池、HUAWEI SUN2000逆变控制器），通过最小化NPC为目标函数，满足功率平衡和充放电约束，自动搜索最优配置规模（光伏容量、电池串数、逆变器容量）。碳排放计算采用全生命周期视角：GPS直接使用电网排放因子（来自国家相关报告）；SPS计入太阳能板、电池、逆变器在生产环节的碳足迹（87.3?kgCO₂-eq/kW、17.09?kgCO₂-eq/kWh、0.104?kgCO₂-eq/kW）；HPS则叠加太阳能部分和电网购电部分。样本队列来源为21个中国主要城市（北京、上海、广州、成都等），涵盖不同纬度、气候和电网排放因子。

**研究结果**

**3.1 蔬菜产量与供应情况**
通过计算，20层模型植物工厂每年可生产86.4万棵生菜（每棵≥100?g），折合年产量86.4?t，单位建筑面积产量达864?kg/m²（播种面积产量86.4?kg/m²），远超传统农业和水培。照明理论电耗为9.463?kWh/kg，随着LED效率提升还可降低。该产量可满足约1200人的年度生菜需求，体现垂直农业在食品就近供应上的潜力。

**3.2 不同供电系统的最优规模与性能**
在SPS模式下，光伏阵列最优装机容量介于1410?kW（大连）至2340?kW（重庆）之间，占地2306–3826?m²；电池数量为1216–1952单元，逆变器容量均为180?kW；年发电量达2.28–3.28?GWh，约为工厂用电需求（817.6?MWh/年）的3–4倍，但约60–73%为过剩电量（因发电与负荷不匹配）。在HPS模式下，光伏容量降至720–1110?kW，占地1177–1815?m²；太阳能供电比例超过65%（最高达72.3%），其余由电网补充；年购电量243–296?MWh，同时存在43–61?MWh的潜在售电机会。电池自持时间在6个城市超过48?h，其余小于48?h。

**3.3 NPC、COE和二氧化碳排放**
GPS模式的NPC为8.60–11.61?百万元（￥），COE与各地电价一致（0.60–0.81?￥/kWh），CO₂排放最高（天津达14.39?百万吨，昆明最低为2.19?百万吨）。SPS的NPC为7.63–9.58?百万元，其中电池成本占56.9%–68.1%为最大项；COE为0.53–0.67?￥/kWh，较电网低5.62%–31.84%；CO₂排放仅0.27–0.42?百万吨，较GPS减少85.99%–97.93%。HPS的NPC最低（3.98–5.65?百万元），COE为0.26–0.37?￥/kWh（仅为电网价格的39.47%–52.89%），NPC较GPS降低40.87%–65.68%；CO₂排放为0.76–4.54?百万吨，较GPS减少62.09%–69.62%。综合来看，HPS在经济成本上最优，SPS在减排上最优。

**讨论与结论**
讨论部分指出，垂直农场在空间利用和本地化供应方面优势显著，但太阳能系统规模受太阳辐射和温度的地区差异影响显著（如四川盆地需更大面积，高纬度低温地区效率更高）。从经济角度，HPS因减少电网购电而大幅降低NPC和COE，若实现余电并网可进一步增收；从环境角度，SPS几乎不产生直接碳排放，有助于实现中国“双碳”目标（碳达峰与碳中和）。但城市土地稀缺和高地价是主要制约，可通过屋顶、墙面、光伏车棚等分布式布置缓解。国际比较显示，中国因成熟的光伏产业具有成本优势，但储能技术和公众认知仍需提升。未来研究需纳入全生命周期评估、动态电价模型、土地成本以及非照明负荷的影响。

研究结论（翻译）：
本研究考察了传统农业在资源和环境约束下的长期局限性，以及限制新农业模式大规模发展的能源瓶颈。为应对这些挑战，研究人员将一座20层、100?m²的模型垂直植物工厂应用于人口超500万的中国城市，并为21个代表城市建立了三种不同的供电模式，以全面评估不同能源配置的可行性和效率。
研究结果意义深远。通过严谨的数据分析和模拟，研究人员证明将太阳能整合到垂直植物工厂中可带来显著的环境和经济效益。在碳排放方面，太阳能作为一种清洁可再生能源，能大幅减少垂直农业运营的碳足迹。在经济方面，NPC和COE的下降意味着项目全生命周期成本的降低和发电成本的优化，从而提升垂直农场产品的竞争力和可持续性。太阳能与垂直植物工厂的结合在太阳能资源丰富的西部和南部地区尤其具有吸引力。展望未来，技术创新（更高效的光伏板、改进的储能系统、优化的能源管理系统）、区域适应性研究以及政策和市场支持（补贴、碳交易）是推广这一模式的关键。
总之，太阳能与垂直植物工厂的整合为应对当前农业挑战提供了一条可持续且经济可行的路径。在持续研究、技术进步和政策框架的支持下，这一方法有潜力改变食品生产，并助力建设更绿色、更繁荣的未来。