巴基斯坦多气候区小麦种植农业光伏系统的技术经济评估

《Next Energy》：Techno-economic assessment of agrivoltaic systems for wheat cultivation across multiple climatic regions of Pakistan

　　

农业光伏 (Agrivoltaic, APV) 系统为巴基斯坦提供了一个战略性解决方案，该国正面临着土地稀缺、能源需求增长和粮食安全挑战并存的问题。实施农业光伏可以同时增加可再生能源产量并维持农业产出，有助于优化能源-粮食关联。本研究评估了在巴基斯坦具有气候和农业代表性的地区，用于小麦种植的固定垂直式和水平轴跟踪 (Horizontal Axis Tracking, HAT) 农业光伏系统的技术和经济性能。研究利用ArcGIS中的国家土地利用/土地覆盖和太阳辐照度数据集进行了空间筛选，以识别具有高太阳能潜力和小麦适宜性的农田。分析表明，最优的农业光伏部署区域主要位于旁遮普省、信德省和开伯尔-普赫图赫瓦省，并从中选择了10个代表性地点进行详细评估。在所有地点，在不同的遮荫敏感性条件下，一致地应用了PVSyst模拟、基于辐射的作物产量模型和折现现金流分析。水平轴跟踪系统比固定垂直系统提供更高的年发电量（427–490?兆瓦时/公顷），而小麦产量减少幅度保持适中。两种配置的土地等效比 (Land Equivalent Ratio, LER) 均超过1，证实了农业光伏双重利用的生产力超过了同等规模的独立系统；固定垂直系统实现了略高的土地等效比值，反映了其更优越的土地利用效率。在经济性方面，与固定系统相比，水平轴跟踪系统在所有地点均表现更优，具有更短的回收期（5.35–7.67年）、更高的投资回报率（30.08–56.77%）和更低的平准化度电成本（0.075–0.089美元/千瓦时）。这些发现揭示了一个基本的设计权衡，确立了农业光伏作为巴基斯坦能源-粮食关联问题在技术上可行且经济上可行的战略。

**论文解读：巴基斯坦农业光伏系统用于小麦种植的技术经济评估**

**研究背景与意义**
全球人口增长和资源需求上升持续加剧着对粮食、水和能源系统的压力。以可持续方式应对这些挑战是联合国可持续发展目标的核心，要求扩大可再生能源使用、保障粮食安全和增强气候韧性。在可用的可再生能源中，太阳能因其广泛的可及性而备受关注，而农业仍是许多国家经济的支柱。协调这两个土地密集型产业对于可持续发展至关重要。农业光伏（在同一土地上结合光伏发电和作物种植）已成为应对这一挑战的有前景的解决方案。通过将太阳能电池板与农业相结合，农业光伏可以提高土地生产力，减少粮食和能源系统之间的竞争，并带来经济和环境效益。然而，其性能因系统配置、作物类型和当地气候条件而异，存在显著差异。

巴基斯坦作为世界第五人口大国，高度依赖农业，却面临着长期的电力短缺（估计超过6200兆瓦）、需求增长和可耕地有限的问题。根据巴基斯坦统计局数据，农业贡献了约24%的国内生产总值，并为近一半的劳动力提供了就业。同时，根据国际可再生能源机构数据，巴基斯坦大部分地区接收的平均全球水平辐照度 (Global Horizontal Irradiance, GHI) 为5.3–6.0千瓦时/平方米/天，是南亚太阳能潜力最高的地区之一。在此背景下，农业光伏为巴基斯坦提供了一个及时的机遇。然而，此前缺乏在一致的建模假设下，对巴基斯坦主要农业省份进行系统性的、多地点、多配置、综合技术经济评估的研究。因此，本研究的贡献在于其应用领域，旨在填补这一空白，为巴基斯坦的能源-粮食关联提供决策相关见解。本研究论文发表在《Next Energy》期刊上。

**主要技术方法**
研究人员采用了定量建模方法，整合了地理空间分析、光伏性能模拟、作物产量估算和经济评估。具体工作流程包括：利用土地利用土地覆盖数据集识别农田；使用全球太阳能图集数据评估太阳能资源；基于农田、太阳通量和小麦种植趋势选择可行的农业光伏部署地点；在PVSyst软件中模拟农业光伏系统配置；使用作物模型估算遮荫对小麦产量的影响；基于成本效益和现金流模型进行经济可行性分析；使用土地等效比评估土地利用效率。研究样本队列来源于巴基斯坦旁遮普省、信德省和开伯尔-普赫图赫瓦省的10个代表性地点（包括费萨拉巴德、木尔坦、巴哈瓦尔布尔、章、纳瓦卜沙阿、海得拉巴、海尔布尔、马尔丹、恰尔萨达和瑙谢拉），覆盖了不同的农业气候区域。所有模拟均假设统一的种植密度和标准灌溉实践，以最小化混杂变量。研究选择了小麦作为参考作物，并评估了两种农业光伏配置：固定垂直系统和水平轴跟踪系统。

**研究结果分析**
**3.1 农业光伏系统的年发电量**
模拟结果显示，水平轴跟踪系统比固定垂直系统产生更高的年发电量。水平轴跟踪系统发电量为427–490兆瓦时/年/公顷，而固定垂直系统为375–431兆瓦时/年/公顷，增益幅度在13%至30%之间。信德省由于年太阳辐照度较高，跟踪系统的优势最大；而开伯尔-普赫图赫瓦省由于环境温度较低，热损失减少，两种系统的差异最小。固定垂直系统的性能比率 (Performance Ratio, PR) 范围为93.16%至97.72%，水平轴跟踪系统为87.74%至91.45%。性能比率的差异主要是数学计算的结果，固定系统因模块表面接收的平面阵列辐照度较低而导致比率虚高。因此，单位土地面积的绝对年发电量是更有意义的比较指标，在此指标下，水平轴跟踪系统始终优于固定垂直配置。

**3.2 传统光伏系统的年发电量**
作为对比，研究人员还模拟了在同一土地面积上、无作物种植、仅优化阴影规避的传统光伏系统。结果显示，传统光伏系统的发电量显著高于农业光伏系统，这主要是由于农业光伏系统为作物生长预留了面板间距，限制了最大面板密度。旁遮普省和信德省的传统与农业光伏系统发电量差距最大，而开伯尔-普赫图赫瓦省的差距较小。

**3.3 不同遮荫敏感性下的小麦产量**
农业光伏系统下的小麦产量因部分遮荫效应而略低于传统露天种植。产量减少幅度取决于遮荫敏感性系数 (m)。当m=0.1（低敏感性）时，固定系统和水平轴跟踪系统的产量减少分别在1.09%至1.25%和1.42%至1.48%之间。当m=1（高敏感性）时，产量减少分别增加到10.9%至12.5%和14.1%至14.8%。在所有情景中，纳瓦卜沙阿和海得拉巴的产量减少最低，而马尔丹和瑙谢拉的减少相对较高。水平轴跟踪系统由于动态遮荫模式导致作物层面辐射可用性较低，通常表现出略高的产量损失。

**3.4 土地等效比分析**
土地等效比值在所有地点和遮荫敏感性情景下均大于1，范围在1.21至1.68之间，证实了农业光伏系统在能源和粮食综合生产上的土地利用效率高于单独的单一利用系统。固定垂直系统通常获得比水平轴跟踪系统更高的土地等效比值，反映了其在部分遮荫条件下更优越的土地利用效率。随着遮荫敏感性系数m的增加，土地等效比下降，表明遮荫对作物生产力的影响加剧。在所有配置中，马尔丹、恰尔萨达和瑙谢拉表现出最高的土地等效比值，这得益于当地气候条件下作物生产力和农业光伏发电之间较有利的平衡。

**3.5 农业光伏系统的经济评估**
经济评估表明，水平轴跟踪系统在所有经济指标上 consistently 优于固定垂直系统。水平轴跟踪系统的折现回收期更短（5.35–7.67年），而固定系统为6.96–10.92年。水平轴跟踪系统的投资回报率更高（30.08–56.77%），固定系统为13.69–35.79%。水平轴跟踪系统的净现值也更高，平准化度电成本更低（0.075–0.089美元/千瓦时 vs 固定系统的0.088–0.102美元/千瓦时）。马尔丹是经济上最具吸引力的地点，而恰尔萨达的财务回报相对较低。这些结果与全球农业光伏文献中的发现一致，确认了在考虑增强的发电量和更快的成本回收后，与跟踪系统相关的额外资本和运营复杂性在经济上是合理的。

**讨论与结论**
**讨论部分：**
研究人员将本研究结果与全球文献进行了比较。在发电量方面，水平轴跟踪系统的优势与先前研究报道的20–30%增益一致。本研究中较低的面板覆盖率 (Ground Coverage Ratio, GCR) 和较宽的行间距优化了辐射分布，减轻了遮荫效应，这解释了观察到的小麦产量减少幅度（最高15.6%）略低于全球报告（10–25%）的原因。土地等效比值落在全球报道的1.2–1.8范围内，证实了双重利用配置的效率。研究还指出了本方法的局限性，包括应用了标准化的系统几何形状而未进行地点特异性优化、使用了季节平均线性遮荫敏感性系数而未解析作物生长阶段特异性响应、未量化农业光伏引起的微气候变化带来的热和水分胁迫协同效益，以及经济分析基于固定的电价和成本假设而未进行敏感性分析。这些为未来研究指明了方向，例如整合基于过程的作物模型和随机金融建模。

**结论部分：**
本研究全面评估了农业光伏系统在巴基斯坦小麦种植中的技术、农业和经济性能。结果表明，系统配置对发电性能起着决定性作用。水平轴跟踪系统 consistently 比固定垂直系统产生更高的年发电量。从农业角度看，由于部分遮荫，农业光伏系统下的小麦产量适度减少，但通过低面板覆盖率和宽行间距设计，作物生产力保持在可接受水平。土地利用效率分析证实，所有配置和地点的土地等效比均大于1，表明农业光伏系统的综合生产力 consistently 超过单一土地利用。经济评估揭示了水平轴跟踪系统相比固定配置的财务优势，具有更短的回收期、更高的投资回报率、更高的净现值和更低的平准化度电成本。与全球文献相比，本研究的发现 strongly aligned。总体而言，研究表明，农业光伏系统（特别是低密度水平轴跟踪配置）代表了巴基斯坦在技术上可行、经济上具有吸引力且农业上可持续的解决方案。通过在同一土地上实现电力和小麦的同步生产，农业光伏系统可以为可再生能源扩展、粮食安全和高效土地利用做出贡献。本研究成果提供了实用的设计见解和性能基准，可支持巴基斯坦大规模农业光伏部署，并为可持续能源-农业整合的政策制定提供信息。