《Energy Nexus》：Monitoring dual-use photovoltaics across the water-energy-food-ecosystem nexus: A systematic review and deployment guidelines for agrivoltaic and floating PV systems
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双重用途光伏（PV）系统将发电与农业或水生用途相结合，但农业光伏（AgriPV）和漂浮式光伏（FPV）装置的监测实践仍然分散。本系统综述通过结构化的检索、筛选和数据提取过程，分析了2014年至2024年间发表的246项同行评审研究，报告遵循PRISMA 202
双重用途光伏（PV）系统将发电与农业或水生用途相结合，但农业光伏（AgriPV）和漂浮式光伏（FPV）装置的监测实践仍然分散。本系统综述通过结构化的检索、筛选和数据提取过程，分析了2014年至2024年间发表的246项同行评审研究，报告遵循PRISMA 2020声明。研究按系统类型、测量变量、自动化水平、传感器规格、数据采集、通信和电源供应进行分类。气象和电气监测分别出现在192项和130项研究中，而农业、水质和结构监测分别出现在41项、56项和14项研究中。监测架构的报告尤其不完整：87%的研究省略了数据传输方法，87%省略了传感器电源供应，24%省略了数据采集程序。157项研究（64%）包含手动测量。这些缺口限制了可重复性和跨研究比较。基于观察到的证据及其报告限制，研究人员提出了与七个研究问题相一致的、基于证据的、面向部署的监测指南。该指南区分了共享和系统特定的监测需求，并强调透明报告、校准、时间同步和可扩展的采集架构。它们旨在作为部署的结构化基础，促进跨装置的比较分析，并增进在水-能源-食物-生态系统关联框架内对双重用途光伏系统的认识。
本系统综述对农业光伏（AgriPV）和漂浮式光伏（FPV）系统的监测实践进行了全面评估，基于2014至2024年间发表的246项同行评审研究，识别了监测传感化方面的主流趋势、缺口和新兴方向。以下按章节总结主体内容。
**1. 引言**
双重用途光伏系统（如AgriPV和FPV）在减少土地与资源竞争方面具有潜力，其运行涉及水-能源-食物-生态系统（WEFE）关联中的多维度交互。监测这些交互对于量化系统性能、协同效益、环境影响和权衡至关重要。现有研究对AgriPV和FPV的监测知识分散，缺乏统一的比较框架，限制了可重复性和跨研究对比。本综述旨在：映射监测系统设计（包括变量、传感器、校准和自动化水平）、分析支撑连续可靠测量的架构（电源、数据采集、同步和通信），并将证据转化为部署指南。
**2. 方法论**
采用PRISMA 2020指南，系统检索IEEE Xplore、Scopus和Google Scholar数据库中2014至2024年的同行评审文献。通过结构化的筛选和编码流程，最终纳入246篇论文。提取的元数据涵盖研究特征、系统类型、监测变量、传感器规格、校准、自动化、数据采集、通信、电源供应、维护及成本等。仅纳入明确报告的传感器和监测信息，并排除非同行评审材料。定量综合基于研究层面的数据，并辅以标准和技术报告的背景参考。
**3. 综述文献概述**
**3.1 描述性统计和总体趋势**
年度发表量自2019年起显著增加，2024年达89篇（占36%以上）。AgriPV和FPV研究数量相近（123篇和118篇），混合系统仅5篇。七个研究问题（RQ1环境对PV的影响、RQ2能量性能、RQ3生物/生态影响、RQ4结构稳定性、RQ5数字技术、RQ6经济/政策、RQ7设计集成）中，RQ1（183篇）、RQ2（150篇）、RQ3（150篇）和RQ7（139篇）最常见，而RQ4（22篇）、RQ5（49篇）和RQ6（47篇）较少。多领域组合（如RQ3+RQ7）表明研究趋向于综合评估。
**3.2 地理分布**
研究覆盖50多个国家，美国（25）、中国（24）和印度（22）领先。AgriPV研究在美国、韩国和意大利占优，FPV研究在埃及、印度尼西亚、荷兰和英国占优。非洲代表性不足，且各国系统类型侧重不同，影响监测实践的转移性。
**3.3 方法论方法和系统规模**
实验方法为主（148篇），其次为实验与模拟结合（78篇）。试点规模系统占主导（146篇），测试台（67篇）和大型部署（30篇）较少。FPV研究更倾向于测试台环境，AgriPV则侧重试点评估农业和能源协同效益。
**3.4 监测类别和数据收集实践**
**3.4.1 传感器类型和频率**
气象监测最常见（192篇），涵盖辐照度、温度、湿度、风速等；能量性能监测（130篇）主要针对模块温度、电压、电流等；农业监测（41篇）聚焦土壤水分、温度、养分和pH；水质监测（56篇）涉及pH、浊度、溶解氧等；结构监测（14篇）使用倾角计、加速度计、光纤布拉格光栅（FBG）等。气象和电气测量相对标准化，农业和结构传感器差异大。
**3.4.2 数据收集实践和自动化趋势**
记录间隔多在1至15分钟，但许多研究未明确说明。手动测量在157篇（64%）研究中被采用，尤其用于作物产量、生物量、土壤养分和某些水质参数。数据采集方法在76%的研究中有所报告，但传输方法（87%缺失）和电源供应（87%缺失）报告严重不足。缺口在试点和大型规模中均存在，影响可重复性和比较。
**3.4.3 维护、可靠性和耐久性考虑**
维护实践报告不均，常见的是清洁辐照度传感器和防水外壳。故障和数据丢失事件偶有提及但缺乏系统分析。长期可靠性依赖传感器保护、电缆布局、清洁和重新校准程序，但缺乏统一标准。
**4. 监测系统设计指南**
**4.1 常见气象和电气基线**
建议对AgriPV和FPV均监测阵列平面辐照度、环境温度、模块温度和电气输出，记录间隔1-5分钟。全局水平辐照度（GHI）、相对湿度、风速和降水按需添加。传感器安装、校准和维护应遵循ISO 9847:2023、IEC 60904-2:2023和IEC 61724-1等标准。低成本传感器需经参考仪器验证并记录不确定性。
**4.2 农业光伏特定监测指南**
针对AgriPV，建议添加土壤水分（时域反射仪TDR/频域反射仪FDR）、土壤温度、pH/电导率、光合有效辐射（PAR）或光合光子通量密度（PPFD）、作物生长指标和灌溉流量传感器。安装需考虑遮阴和非遮阴区的空间异质性，手动测量（如产量、生物量、土壤养分）仍必要，但应标准化协议并整合到数据管理。
**4.3 漂浮式光伏特定监测指南**
FPV监测强调水质（水温、溶解氧、pH/氧化还原电位ORP、浊度、电导率、叶绿素a）和结构运动（惯性测量单元IMU、倾角计、波高、系泊载荷）。水深和多位置部署用于评估分层效应。结构监测在沿海和波暴露环境中至关重要，光纤传感可提供抗电磁干扰（EMI）的应变测量。手动水样和生态调查用于验证。
**4.4 监测架构：电源供应、数据传输和数据采集**
**4.4.1 电源供应**
仅32项研究报告电源细节。示例包括光伏模块+锂电池、12V电池等。电源设计需根据负载、占空比、通信需求和太阳能资源计算，户外电子设备需适当防护等级（如IP68）。
**4.4.2 数据传输**
仅13%的研究报告传输方法。选项包括RS-485、Zigbee、LoRa/LoRaWAN、Wi-Fi、蜂窝网络（GSM/LTE）和光纤。选择需考虑距离、数据量、能耗和可用性。所有系统应具备时间戳同步、缓冲和重传机制，以及网络安全措施。
**4.4.3 数据采集**
商用数据记录器（如EM50、Graphtec GL840）和嵌入式平台（如Arduino、STM32）均被使用。数据采集系统需支持多种传感器接口、可配置日志间隔和长期存储。SCADA系统用于大型电站，但存在供应商锁定风险。建议采用非专有格式导出、文档化接口和FAIR原则，并确保时钟同步（GPS或NTP）和本地缓冲。
**4.5 监测系统部署中的更广泛考虑**
人工智能（AI）和机器学习（ML）可增强故障检测和预测维护，但需站点特定验证。法律、政策和数据治理影响部署，尤其涉及环境许可和数据隐私。公众接受度和利益相关者参与也影响长期可行性，需纳入跨学科评估框架。
**5. 限制和未来研究**
综述限于英文同行评审文献，且主要基于试点和测试台证据。RQ4、RQ5和RQ6证据不足。未来需扩展长期多站点监测，加强自动化农业和水质变量，研究AI模型可迁移性、成本-效益和结构长期可靠性，并验证指南在不同环境中的适用性。
**6. 结论**
本综述揭示了监测实践中的关键缺口：气象和电气监测标准化，但农业、水质和结构监测报告不足；数据采集和电源供应细节缺失严重。提出的指南基于证据，提供共享和特定系统监测框架，强调透明报告、校准、时间同步和可扩展架构。标准化监测有助于跨站点比较和WEFE成果评估，支持从试点到商业部署的可持续转型。
