综述：一篇探讨农光互补技术、农业产出以及能源与水资源协同利用方面的技术经济可行性的批判性综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A critical review linking agrivoltaic technologies, agronomic outcomes and techno-economic viability for energy–water synergies

　　摘要：随着对可再生能源和粮食生产需求的不断增加，有限的土地资源竞争日益激烈，给可持续土地管理带来了挑战。农光互补系统将光伏发电与农业生产结合在同一块土地上，被视为提高资源利用效率、同时保障粮食-能源-水系统平衡的一种有效途径。本研究基于PRISMA方法，通过Scopus、Web of Science和Google Scholar检索2010年至2025年间发表的农光互补相关研究，经过结构化筛选、资格评估和质量评价后，选取125项研究进行深入分析。这些研究被归纳为五个主题领域：农光互补系统架构、作物生产力与微气候相互作用、光伏性能优化、土地和水资源利用效率，以及技术经济与政策层面。研究结果表明，设计合理的农光互补系统能够在发电的同时维持或提升作物生产力，改善微气候条件，降低蒸散量，提高水资源利用效率。在合理设计的系统中，土地当量比通常高于1，但不同作物类型、气候条件、系统配置和管理方式会导致不同结果。对现有文献的批判性分析显示，各研究在方法、性能指标和报告方式上存在较大差异，难以直接比较。尽管已取得一定进展，但由于技术复杂性、高资本成本、监管不确定性以及缺乏标准化评估框架，大规模应用仍面临诸多限制。基于综合分析结果，本研究提出了一种整合光伏工程、作物生长规律、水资源管理和技术经济评估的农光互补设计框架，并明确了推动该系统可持续发展所需的关键研究方向。

引言：气候变化加速、全球粮食需求上升以及电气化进程的快速发展，给全球土地资源带来了前所未有的压力。目前，农业约占地球陆地表面的三分之一，这使得粮食生产与可再生能源基础设施所需的土地之间的竞争愈发激烈[1]。在耕地有限、水资源匮乏且气候变化剧烈的地区，这种土地使用冲突更为突出，因此亟需创新且综合的土地利用策略，既能维持农业生产力，又能促进可再生能源系统的建设[2]。在此背景下，农光互补系统作为一种将太阳能光伏设施与农业种植结合在同一块土地上的土地利用策略，展现出巨大潜力。它通过实现土地的双重利用，提升了土地使用效率，减少了能源生产与粮食生产之间的冲突，还能通过降低二氧化碳排放助力气候变化缓解，同时维护生物多样性等生态系统服务功能[[3], [4], [5], [6]]。正因如此，农光互补系统越来越被视为符合全球可持续发展目标，尤其是应对日益增长的粮食和能源需求的有效解决方案[[7], [8], [9]]。

与此同时，全球减碳目标要求加快可再生能源的发展速度，预计太阳能光伏将在未来电力供应中占据主导地位[2]。然而，传统的光伏电站多为单一用途设施，无法用于农业生产，这就导致了与粮食生产、农村生计及生态系统服务相关的机会成本[1,4]。农光互补系统则解决了这一问题，它允许在同一块土地上同时进行发电和农作物种植。除了提升土地使用效率外，该系统还能通过调节光伏阵列下方的微气候条件，提高农业系统的水资源利用效率[3]。此外，将农业生产与太阳能发电相结合，还能让农民通过销售电能获得额外收入，从而增强粮食和能源自给能力，尤其是在偏远和干旱地区[5,10]。

由于具备双重利用功能，农光互补系统在全球范围内受到了越来越多的关注。例如，意大利等国的光伏电站快速扩张，引发了人们对农业用地被占用及其对粮食生产系统可能产生的影响的担忧[11]。为此，人们越来越多地将农光互补系统视为协调能源生产与农业生产力发展的可行策略。最近的实验和商业化应用表明，设计合理的农光互补系统能够在发电的同时保持或提升耐阴作物的产量[4,8]。这些多重效益使得农光互补系统在粮食-能源-水系统框架中具有重要的应用价值，该框架强调采用综合性方法应对各种相互关联的资源挑战[3,9]。不过，大规模应用仍受到技术设计复杂性、农学不确定性、经济可行性问题以及监管障碍等多种因素的限制。例如，由于人们担心农田会被占用，一些社区对光伏项目表示反对，导致多个项目被迫取消或推迟，这凸显出需要找到能够有效平衡能源发展与农业可持续性的综合解决方案[12]。

鉴于全球太阳能光伏设施的快速普及以及实现净零碳排放的紧迫性，深入了解光伏系统与农业生产之间的相互作用变得极为重要[13]。基于此，本研究系统评估了农光互补系统作为一种能够协同应对粮食、能源和水资源安全挑战的土地利用策略。农光互补系统的概念最初是为了通过在同一块土地上同时开展农业生产和太阳能发电，从而最大化土地生产力而提出的[4]。早期的系统多采用固定倾角的支架结构，旨在让部分太阳辐射能够照射到支架下方的农作物[6]。过去十年间，农光互补系统经历了显著发展，从相对简单的结构逐渐演变为更为复杂的设计，包括立柱式支架、光伏集成温室、双面电池板以及能够调节遮荫模式、优化农田光照分布的动态跟踪系统[3,8]。

从结构角度来看，现代农光互补系统可分为固定式和动态式两种架构[2]。固定式系统包括地面安装式、立柱式、屋顶安装式以及与温室集成在一起的系统；而动态式系统则通过单轴或双轴跟踪机制来优化太阳光捕获，同时为农作物生长提供适宜的光照条件[3]。目前，光伏电池板技术取得了很大进步，尤其是半透明和双面电池板的出现，进一步提升了设计的灵活性，使得光照分布更加合理，也便于将能源生产与农业活动更好地结合起来。与技术进步同步，农学研究也取得了显著进展，研究发现作物在农光互补环境下的表现很大程度上取决于具体环境条件。作物的反应会受到植物种类、气候条件、土壤特性以及电池板高度、倾角和行距等结构参数的影响[3,9]。尽管已有诸多研究成果，但现有文献仍然存在碎片化现象。以工程为导向的研究多集中在光伏效率、结构设计及能源产出优化方面，而农学研究则侧重于作物生产力及微气候相互作用[6]。因此，能够同时考虑技术性能、农学成果、经济可行性以及社会制度因素的综合评估仍然较少[9]。

为弥补这一不足，需要从多维度进行分析，构建一个将光伏性能、农业生产力和社会经济可行性联系起来的综合评估框架。图1所示的概念设计框架正是基于这一思路，它有助于对系统配置进行全面评估。该框架将光伏系统架构、结构参数和光伏电池板技术与农学实践、作物选择及微气候调控相结合[2,3]。这些相互关联的要素共同影响着系统层面的各项指标，包括能源产出、农业生产力、土地当量比以及水资源利用效率[3,4,9]。此外，技术经济评估、环境影响以及社会监管因素也被作为补充评估维度，从而实现对粮食-能源-水系统整体性能的全面优化[3,9,13]。另外，新兴的数字技术和自适应控制策略能够提供反馈机制，帮助系统根据不同环境条件进行灵活调整。通过整合工程、农学和社会经济等多方面的因素，该框架有助于识别具有高潜力的双重利用系统配置，同时避免在各种环境和运行条件下出现低效的系统设计。

尽管农光互补系统的相关研究发展迅速，但目前已有不少综述研究了该系统的不同方面，如系统架构、农学性能、建模方法、环境影响以及政策考量。然而，大多数现有综述都是单独分析这些方面，导致人们对光伏系统设计、作物生产力、水资源动态、环境性能和经济可行性之间的相互作用了解不够全面。此外，现有文献往往将来自不同研究类型的证据混为一谈，这些研究类型包括田间试验、控制环境试验、模拟研究、技术经济评估和政策分析等，而且没有充分考虑不同研究在方法论可靠性和证据强度方面的差异。这就使得我们难以区分那些基于长期实证观察得出的结论，以及那些主要依赖于模型假设的结论。另外，不同研究中报告的变量也存在很大差异，包括作物种类、气候条件、光伏系统配置、遮荫强度、监测时长、土地当量比、水资源利用指标以及经济假设等。因此，很难直接对比不同研究的结果，也无法明确在何种条件下才能真正发挥农光互补系统的优势。

本研究在三个方面对现有文献进行了拓展。首先，它将光伏系统架构、农学性能、水资源动态、技术经济评估和环境因素整合在一个统一的证据综合框架中，而非将它们视为独立的研究主题。其次，它根据研究设计的不同对证据进行了分类，明确了田间试验、控制试验、模拟研究、技术经济模型和政策导向型研究之间的区别，从而更准确地判断证据的可靠性和研究的成熟度。第三，它通过使用统一的评估变量，如作物种类、气候条件、系统几何形状、遮荫强度、研究时长、土地当量比、水资源利用指标和经济假设等，实现了不同研究之间的标准化比较。与以往的综述相比，本研究的贡献不仅在于覆盖了更广泛的文献，还提供了一个跨领域的框架，用于系统地比较农光互补系统在技术、农学、环境、经济和政策等方面的研究结果。这种方法有助于识别在不同环境下都具有稳定性的研究成果，同时也能够突出那些仅适用于特定条件或受特定因素影响的成果。表1总结了本研究相对于近期其他农光互补系统综述文章的独特之处。与以往主要研究农光互补系统单个方面的综述不同，本研究采用了统一的证据综合方法，将光伏系统架构、农学性能、水资源动态、技术经济评估、环境影响和政策考量结合起来，并通过研究设计评估和标准化比较标准来支撑分析。本研究还构建了一个整合的、系统级的农光互补系统设计与评估框架，将光伏工程、农学过程、水资源动态和技术经济性能统一在一个分析框架内。针对第1.3节指出的局限性，本研究提出了协同优化理念，以揭示能源生产、作物生产力与资源效率之间的相互作用。本研究的主要贡献如下：

1. 系统架构分类：对农光互补系统配置进行了全面分类，包括固定式、跟踪式、垂直式、与温室集成式以及针对特定作物的系统。
2. 农学性能综合分析：评估了不同农光互补系统配置下作物对遮荫、微气候变化以及水资源利用效率的反应。
3. 光伏能量产出分析：研究了在不同光照条件下的光伏系统性能，包括双面电池板、跟踪系统以及电能优化策略的作用。
4. 综合技术经济评估：对比分析了不同应用场景下的资本成本、运营成本、平准化能源成本以及系统可行性。
5. 粮食-能源-水系统整合分析：在粮食-能源-水系统框架下，研究了土地使用效率、水资源保护以及生态系统协同效益。

通过整合多学科的研究成果，本研究为将农光互补系统发展为一种可扩展且可持续的解决方案提供了系统级的视角，有助于其在更广泛的粮食-能源-水系统框架中得到广泛应用。图2展示了本文的结构布局，标出了各关键章节的顺序。

文献搜索策略：我们在Scopus、Web of Science和Google Scholar上进行了结构化搜索，查找2010年至2025年间发表的相关研究。搜索关键词结合了农光互补系统的核心术语以及与之相关的工程、农学和温室技术方面的词汇，包括：“agrivoltaic*”、“agrophotovoltaic*”、“agri-PV”、“agrisolar”、“solar sharing”、“PV-crop integration”、“dual land use solar”、“photovoltaic greenhouse”、“greenhouse PV”、“semi-transparent PV greenhouse”、“bifacial agrivoltaic*”、“tracking agrivoltaic*”等。

农光互补系统配置的分类：根据结构几何形态和运行适应性，农光互补系统配置通常可分为固定式和动态式两类。这两种配置决定了光照分布、微气候条件、机械化操作的可行性以及光伏系统的性能，进而影响农业生产力与能源产出。具体分类如下：
•固定式农光互补系统——应用最为广泛——包括地面安装式、立柱式、屋顶安装式以及与温室集成在一起的系统。

作物选择标准：作物在农光互补系统中的表现主要取决于其特定的光照需求、对部分遮荫的耐受程度以及对水分胁迫的敏感度[2,6]。一般来说，耐阴和半耐阴作物——如叶菜类、豆类、浆果类以及某些园艺作物——更适合在农光互补系统中生长。有研究表明，在20%–40%的遮荫条件下，叶菜类的产量可增加5%–15%；在25%–35%的遮荫条件下，番茄的产量可增加3%–12%[60,62]。

农光互补系统下的光伏能量产出：农光互补系统中的光伏性能受到阵列几何形状、电池板技术、安装高度以及农业种植带来的动态遮荫等因素的显著影响[3,15]。与传统太阳能发电厂不同，这类系统在非均匀的辐照条件下运行，作物反照率、空间遮荫梯度以及变化的热环境共同影响组件的效率与能量产出[3,68]。这些相互作用会带来额外的不确定性，必须在系统设计中予以考虑。

双重用途系统的生产力
LER是评估农业光伏系统性能的核心指标[15,70]。它用于量化同一地块上农业生产与光伏发电的综合产出，与单独的土地利用方式相比；若LER值大于1，则表明双重用途系统的表现优于独立的农作物种植和能源生产方式[15,73]。LER在很大程度上取决于系统设计，GCR、安装高度以及跟踪装置等参数会决定辐照度的时空分布，进而影响系统的各项性能。

资本与运营成本结构
农业光伏系统的经济表现主要受系统复杂性、光伏技术选择以及与农业作业的整合程度等因素影响[70]。与传统地面安装的光伏系统相比，农业光伏系统由于需要更高的安装结构——通常为5米左右，以便机械作业或牲畜放牧——以及更多的材料使用和更坚固的基础设施，其初始投资成本通常更高[82]。动态的配置方式还会进一步增加成本。

农业光伏系统评估的核心方程
为评估农业光伏系统的性能，可运用一组简化的方程来描述土地占用情况、太阳能资源捕获效率、作物光合作用受光情况、作物生产力、水资源利用情况、光伏组件性能以及整体土地利用效率。以下方程概括了农业光伏分析中最常用的核心关系。一个基本的几何参数是地面覆盖比率GCR，其定义为：
GCR = APV / Aland
其中APV为光伏组件的面积，Aland为对应的土地面积。这一参数对于判断系统的性能具有重要意义。

农民的接受度与利益相关方的看法
尽管相关技术已相当成熟，但由于社会接受度和利益相关方信心不足，尤其是农业社区，农业光伏系统的大规模应用仍受到限制。农民、当地社区与光伏开发商之间的矛盾导致了抗议活动以及项目延误。目前全球范围内此类系统的安装数量仍然有限，大约只有2200套[20]。农民是否采用这种系统，取决于他们对作物生产力可能受到的影响、土地所有权及长期控制权问题的担忧。

面临的挑战与局限
尽管农业光伏系统在提升土地生产力、水资源利用效率以及可再生能源产量方面已展现出显著优势，但它仍面临诸多技术、农学、经济以及制度方面的制约，这些因素限制了其大规模应用[2,4]。这些挑战具有特定性且相互关联，需要通过综合性的设计、评估和管理策略来解决，而非采取孤立的干预措施[7,12]。为便于理解，这些挑战可归纳为四个方面：工程与系统集成、农学与运营管理、……

框架概览
为应对第4章“农业光伏系统中的作物表现”、第5章“农业光伏系统中的能源性能与电气优化”、第6章“农业光伏系统中的土地利用与水分利用效率”、第7章“技术经济与环境评估”、第8章“数学框架与性能指标”、第9章“社会接受度与政策层面”以及第10章“面临的挑战与局限”中提到的多维度问题，本文提出了相应的解决方案，包括结构负荷限制、电气匹配损耗、农学上的权衡取舍、较高的初始投资成本（高出10–40%）以及监管体系的不完善等问题[2,4,7,19]。

未来研究方向
虽然农业光伏系统在提升土地生产力、水资源利用效率以及气候适应能力方面具有巨大潜力[15]，但其大规模应用仍受制于尚未解决的技术、农学及制度层面的难题[21]。要克服这些限制，就需要开展跨学科研究，整合光伏工程、作物科学、数字技术以及政策设计等相关领域的研究成果[12]。以下几大研究方向对于推动农业光伏系统向更具 scalability且能适应不同环境条件的方向发展至关重要。

政策建议
鉴于农业光伏系统的多重功能特性，需要制定协调一致的政策框架，以平衡可再生能源发展、农业可持续发展以及土地利用管理之间的关系[20,21]。基于本综述中所呈现的技术、经济及制度分析结果，本文提出了以下政策建议，旨在推动农业光伏系统实现高效、公平的发展[15,21]。

结论
农业光伏系统为土地利用优化提供了一种极具前景的途径，它能够在同一块土地上同时实现可再生能源的生产与农产品的种植。本文总结了农业光伏系统在架构设计、作物表现、电气优化、土地与水分利用效率、技术经济可行性以及社会制度层面等方面的最新进展，充分展现了该系统在应对粮食安全、能源转型以及气候适应等相互关联的挑战方面的巨大潜力。

资金支持
本研究未获得任何外部资金支持。

缩写说明
本文中使用了以下缩写：
AIA：人工智能
AVA：农光互补系统
AVSA：农业光伏系统
CAPEX：资本支出
DC：直流电
FEW Nexus：食物-能源-水复合系统
IoT：物联网
KPI：关键绩效指标
LCOE：平准化电力成本
MPPT：最大功率点跟踪
MLPE：组件级电力电子装置
MCDA：多准则决策分析
OPEX：运营支出
PAR：光合有效辐射
PV：光伏

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢
作者感谢各位审稿人提出的建设性意见与建议，这些反馈极大地提升了本文的质量与清晰度。

Aneesh A. Chand | Kushal A. Prasad | Kabir A. Mamun | Sumesh Narayan | Mansour H. Assaf
斐济苏瓦，南太平洋大学信息技术、工程、数学与物理学院