政策与市场不确定性下农业光伏对小规模农户的技术经济可行性

《Cleaner Energy Systems》：Techno-economic viability of agrivoltaics for small-scale farmers under policy and market uncertainty

　　

农业光伏（AV）呈现了一种缓解粮食生产与能源发电之间土地使用冲突的可行策略，尤其是在可再生能源基础设施接入有限的农业社区。本研究评估了在肯塔基州小农场安装太阳能系统在25年内的经济可行性。研究人员对三种土地利用系统进行了技术经济建模：仅作物（番茄和草莓）、仅光伏（PV）（1100 kW）和农业光伏系统（900 kW），在现实的市场和政策条件下。研究人员采用了成本效益分析框架，结合蒙特卡洛（MC）模拟，以考虑关键输入变量的不确定性及其对经济结果的影响。研究结果表明，农业光伏系统（草莓）具有最强的经济表现，净现值（NPV）为1,550,209美元，内部收益率（IRR）为16.8%。仅作物（番茄）的NPV最低（725,476美元），但IRR最高（34.9%）。敏感性分析确定作物价格和折现率是盈利能力的主要驱动因素，而逆变器更换和年发电量影响最小。缺乏激励导致所有光伏集成系统的NPV为负，突显了有利政策激励的重要性。净气候效益评估表明，农业光伏系统每年可抵消约1069吨CO₂e，且光伏开发的隐含排放可在约8个月内回收。研究人员的结果表明，在肯塔基州小农场引入农业光伏可能增强农村收入稳定性，有助于更多样化的能源结构，并可能减少排放。然而，更广泛的实施取决于稳定的政策激励、可负担的融资和支持性的市场框架，这将使农业光伏对农民和投资者更具吸引力。

论文解读文章

**研究背景**：气候变化对粮食系统、能源部门和农村社区造成持续的系统性压力，极端天气事件和温度升高要求紧急脱碳并向弹性可持续能源系统转型。美国承诺到2050年实现净零排放，并设定2035年较2005年减排61%–66%的临时目标，其中广泛部署太阳能等可再生能源是关键策略。然而，地面安装光伏（PV）系统常占用优质农业用地，导致粮食生产与能源发电之间的土地使用冲突。农业光伏（AV）将太阳能板与农业活动共置于同一地块，被提议为创新解决方案。已有研究表明AV在减少用水、改善土壤健康、提高耐旱性以及提升部分作物产量方面具有优势，并为农民创造多元收入来源。然而，已有技术经济评估多集中于欧洲和亚洲市场，美国东南部地区相关研究不足，且多数研究缺乏概率风险分析和环境协同效益量化。肯塔基州能源结构高度依赖煤炭（2023年68%的电力来自煤炭），可再生能源占比低于10%，同时小规模农场（占该州农场90%以上）面临收入下降、运营费用高、气候变异和有限市场准入等挑战。因此，评估AV在肯塔基州小农场的可行性，整合不确定性和政策情景，对于促进农村收入稳定和清洁能源发展具有重要意义。该论文发表在《Cleaner Energy Systems》。

**研究方法**：研究人员采用成本效益分析（CBA）框架，结合蒙特卡洛（MC）模拟（15,000次迭代），对三种土地利用系统进行技术经济建模：仅作物（番茄和草莓）、仅光伏（PV）（1100 kW固定倾角）、农业光伏（AV）（900 kW单轴跟踪）。模型参数来自文献、行业基准、当地能源供应商，以及北卡罗来纳州和肯塔基大学推广部的企业预算，并更新至2024–2025年肯塔基市场价格。样本参考包括肯塔基州纽卡斯尔的一个32 kW固定倾角光伏系统。政策情景包括有联邦激励（30%投资税收抵免ITC和50%农村能源美国计划REAP）和无激励。环境协同效益评估采用美国环保局eGrid排放因子和生命周期评估（LCA）隐含排放因子，计算避免的温室气体（GHG）排放和光伏隐含排放。

**研究结果**：

**3.1 确定性成本效益分析（基准情景）**：通过单点输入变量计算，农业光伏系统（草莓）具有最高NPV（1,526,361美元）和17% IRR，折现回收期（DPBP）为7.4年；仅作物系统（番茄）IRR最高（35%）但NPV较低（713,701美元）；仅光伏系统NPV为711,235美元，IRR 14.6%，DPBP 8.7年。

**3.2 盈利能力驱动因素（收益与成本构成分解）**：NPV分解显示，作物收入和电力收入是最大正贡献，生产成本和资本支出（CAPEX）是最大负贡献，运营维护（O&M）和逆变器更换贡献较小。

**3.3 资本成本分析（有激励和无激励）**：在有激励（30% ITC和50% REAP）情景下，所有AV系统NPV为正，IRR在16%–17%之间，DPBP小于8年。无激励情景下，所有光伏集成系统NPV为负（AV草莓NPV为-404,139美元），IRR（2%–5%）低于折现率6.5%，项目不具经济可行性。

**3.4 概率成本效益分析（蒙特卡洛模拟）**：概率模拟显示，农业光伏系统（草莓）平均NPV最高（1,550,209美元），标准差（705,431美元）最大，右偏度（0.44）表明高上行潜力；仅光伏系统平均NPV为729,747美元，标准差最小，风险最低。各系统NPV为正的概率均超过97.95%。

**3.5 累积分布频率**：累积概率曲线表明，农业光伏系统（草莓）随机占优于其他系统，其曲线最靠右且上尾最长；仅光伏系统曲线斜率最陡，位于最左侧，表明低回报变异。

**3.6 敏感性分析**：Spearman秩相关分析显示，作物价格（ρ=0.65）和作物产量（ρ=0.43）与NPV呈最大正相关，折现率（ρ=-0.57至-0.53）呈最大负相关；CAPEX呈中等负相关，逆变器更换影响最弱。10%产量下降导致AV系统NPV下降19.86%–23.73%，但AV仍保持盈利。

**3.7 平准化能源成本（LCOE）**：AV系统LCOE为9.40美分/kWh，比仅光伏系统（8.40美分/kWh）高11.9%。

**3.8 环境协同效益**：900 kW AV系统年避免排放1069吨CO₂e，25年寿命期避免24,886吨CO₂e；光伏隐含排放785吨CO₂e，净气候效益24,101吨CO₂e，隐含排放约8个月回收。

**讨论总结**：讨论部分强调，AV系统优于纯开放农场和纯光伏系统，作物价格和折现率是盈利能力的主要驱动因素。政策激励（ITC和REAP）对AV经济可行性至关重要，缺少激励时所有光伏集成系统财务上不可行。融资条件（高折现率）显著影响AV吸引力，低息贷款和社区融资可促进采纳。肯塔基州零售电价低且稳定，使得电力收入对总体盈利贡献较小，但AV仍可通过作物收入提供稳定现金流。AV的高LCOE不意味着低盈利能力，因其整合了作物收入、避免土地购置成本和生态系统效益。建议稳定政策激励，探索替代参与方式（如社区共享太阳能、购电协议、放牧和维护合同）。从清洁生产角度，AV可显著减少GHG排放，若将肯塔基州10%的草莓和番茄农田转换为AV，可年产21.58 GWh清洁电力，避免17,104吨CO₂e，足够供电2056户家庭。小农场（2.02–72.44公顷）可通过分配部分土地给AV获得规模效益，若土地访问和政策支持对齐，AV的可持续效益在肯塔基州可规模化。

**研究结论翻译**：本研究评估了三种土地利用系统（仅作物、仅光伏和农业光伏）的经济可行性，以确定农业光伏能否为肯塔基州小规模农户提供收入稳定性和更可持续的土地利用。使用CBA框架和MC分析，研究人员发现农业光伏比其他土地利用类型更具盈利能力，农业光伏草莓情景是五个情景中最盈利的。农业光伏草莓具有最高的平均NPV，以及相对于单一用途系统有利的IRR。敏感性分析显示作物价格、作物产量和折现率是盈利能力的最强驱动因素。比较政策情景揭示了联邦激励在农业光伏可行性中的关键作用。应用50% REAP和30% ITC使农业光伏系统在财务上具有吸引力，回收期小于8年。在缺乏激励的情况下，所有光伏集成系统在经济上不可行。LCOE分析表明农业光伏系统产生的电力比仅光伏系统更昂贵，这可能源于系统规模和资本支出的差异。除了财务表现，本研究还量化了农业光伏系统的环境协同效益。研究结果表明，农业光伏系统每年可抵消约1069吨CO₂e，25年内抵消24,886吨CO₂e。研究结果强调了联邦激励稳定性的重要性，这可能鼓励持续安装并有助于肯塔基州农业光伏系统的广泛采用。在缺乏联邦激励的情况下，存在其他途径使小规模农户受益并从农业光伏系统中获利，而无需承担全部前期成本。本研究对农业光伏现有研究体系有所贡献，并为农民、政策制定者和开发商提供了宝贵见解：它可能帮助农民理解不同所有权和激励情景下的盈利能力；帮助政策制定者理解明确和稳定的政策激励对于联邦和州层面可再生能源增长的必要性和重要性；为开发商和投资者提供设计和融资农业光伏项目的知识，使其盈利并包容小农场。尽管有这些贡献，也应承认若干局限性：技术经济建模未完全遵循自下而上的NREL基准方法；研究依赖模拟建模和二手数据；产量响应通过经验合理调整确定；政策激励在25年内被建模为静态。这些局限性不影响研究结论的方向，未来研究应优先整合田间农学实验与财务建模，并调查农民对农业光伏的看法和采用障碍。