《Agronomy》：Balancing Energy and Agriculture in Japan: A Techno-Economic Assessment of Agrivoltaics Based on the Levelized Cost of Electricity
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摘要：农光互补系统（Agrivoltaic Systems，AVS）为太阳能光伏与农业之间的土地用途冲突提供了一种有前景的解决方案。然而，其发电侧成本绩效受到场地特定条件和农业约束的强烈影响，且在农艺光照约束下进行最优设计的全国性地理空间综合评估仍属空白。为弥
摘要：农光互补系统（Agrivoltaic Systems，AVS）为太阳能光伏与农业之间的土地用途冲突提供了一种有前景的解决方案。然而，其发电侧成本绩效受到场地特定条件和农业约束的强烈影响，且在农艺光照约束下进行最优设计的全国性地理空间综合评估仍属空白。为弥补这一不足，研究人员开发了一套基于地理信息系统（GIS）的技术经济框架，应用于日本全域，通过最小化平准化电力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）并同时满足以目标日累积光照量（Daily Light Integral，DLI）值表示的作物光照需求，来确定场地特定的最优设计。分析结果表明，优化后的AVS全国平均LCOE为0.1021 EUR kWh?1，其中以高太阳辐照度为特征的中部至西南部地区发电侧成本较低。最优设计，特别是投影地面覆盖率（projected ground coverage ratio，pGCR）（平均值：30.38%），在全国范围内差异显著，以平衡发电量与作物光照可用性。情景与敏感性分析揭示，LCOE对作物光照需求高度敏感，而光伏系统效率和资本支出（capital expenditure，CAPEX）是最具影响力的成本驱动因素。本研究首次提供了基于网格级设计优化、在明确的DLI约束下得出的日本AVS高分辨率全国尺度LCOE地图，为区域特定部署规划提供了定量筛选层面的基础。
日本农光互补系统技术经济评估研究解读
一、研究背景与问题
应对气候变化需要快速而广泛地推进可再生能源转型，太阳能光伏（PV）作为这一转型的关键要素，其大规模部署需要大量土地，而农田因具有高太阳辐照度和平坦地形常被视为首选区域。这直接与全球人口增长带来的粮食生产需求增长形成冲突，太阳能发电与农业之间的土地用途竞争对粮食安全、可持续土地管理和社会接受度构成新挑战。农光互补系统（AVS）将农业实践与太阳能生产整合于同一土地，被日益视为解决土地用途冲突的可行方案。该概念由Goetzberger和Zastrow于1981年首次提出，其双重土地利用策略可显著提升整体土地生产力，土地当量比（land equivalent ratio）通常在1.2至1.8之间。
在日本，AVS技术具有重要战略意义。日本承诺到2050年实现碳中和，但多山地形显著限制了传统地面安装光伏（GM-PV）系统的可用土地。同时，农业部门正经历严重结构性危机，核心农业劳动力平均年龄达69.2岁，弃耕地持续增加，威胁国家粮食安全。因此，AVS被视为同时增强能源与粮食安全、振兴农村经济的关键技术。然而，实际种植分析显示，AVS下耕地以高度耐阴观赏植物和部分园艺作物为主，而非水稻、小麦、大豆等主粮作物。这凸显了"伪农业"（pseudo-agriculture）风险——即以发电为首要目标而边缘化或忽视农业的现象，导致耕作放弃或因过度遮阴而显著减产，削弱社会信任并阻碍技术推广。
在促进AVS方面，评估其经济绩效至关重要。平准化电力成本（LCOE）是评估发电部门经济绩效的国际公认指标，AVS的LCOE通常高于传统GM-PV，因其需要特殊结构设计——如更高离地高度和更宽行距——以确保与农业机械兼容并减轻对作物生长的不利影响，这不可避免地提高了单位峰值输出的支撑结构资本支出（CAPEX）。此外，这些设计驱动的成本差异受场地特定条件强烈影响，作物耐阴性、太阳辐射和纬度等地理气候因素决定了维持作物光照可用性所需的最优系统配置。因此，在全国尺度评估AVS的LCOE需要精细考虑这些场地特定变量的地理空间方法。
现有研究存在明显缺口：已有地理空间研究多未充分解决维持作物光照可用性所需的设计问题，常假设整个目标区域采用统一或有限的设计模式；虽有先驱研究考察了AVS设计的空间变异性，但在优化过程中省略了LCOE等经济指标。因此，将作物光照约束明确纳入场地特定最优设计及其对应LCOE确定的全国尺度技术经济分析尚属空白。该论文发表于《Agronomy》期刊，旨在填补这一研究缺口。
二、研究问题与研究内容
针对上述缺口，研究人员开发了覆盖日本全域的基于GIS的技术经济框架，评估AVS的LCOE空间分布。该框架确定场地特定最优配置——特别是组件倾角和投影地面覆盖率（pGCR）——在确保作物生长所需日累积光照量（DLI）作为基本约束的前提下最小化LCOE。研究围绕三个核心问题展开：RQ1，满足作物光照需求同时最小化LCOE的最优AVS配置（倾角和pGCR）在日本如何空间分布？RQ2，基于这些最优配置，AVS的LCOE在日本如何空间分布？RQ3，LCOE对作物光照需求变化及CAPEX、运营支出（OPEX）等关键经济参数变化的敏感程度如何？
三、主要关键技术方法
研究人员构建了两阶段计算框架。第一阶段，对每个约1 km网格单元，在两种倾角选项（水平0°和当地年最优倾角）与受pGCRmax约束的1%增量pGCR组合构成的设计搜索空间中，全面模拟所有候选设计的技术经济绩效，计算DLIcanopy、年发电量和LCOE。第二阶段，应用农艺约束筛选候选设计，仅保留DLIcanopy达到或超过目标值（基线25 mol m?2 day?1）的农艺可行设计，从中确定LCOE最小的单一设计作为该网格的最优解。研究覆盖日本200,012个含"水田"或"其他耕地"分类的网格单元，气象数据来源于NEDO公开的MONSOLA-20数据库（2010至2018年典型气象年数据），土地利用数据来自国土交通省（MLIT）。经济参数主要基于日本政府报告和行业调查，土地成本按都道府县水田和旱地农地租金的面积加权平均值计算。系统寿命25年，折现率3%，LCOE结果按欧洲央行2024年平均汇率换算为欧元。
四、研究结果
4.1 最优农光互补系统设计的空间分布
通过LCOE最小化优化程序，24.74%集中于日本北部的网格单元选择了水平倾角方案。全国平均最优pGCR为30.38%（σ = 4.42）。北部低辐照度高纬度地区，较小（水平）组件倾角有效降低了每单位年发电量的相对土地基础成本（如支撑结构），从而获得更低LCOE。东部至中部中等辐照度和纬度地区，主要选择较低pGCR和较大倾角（年最优角）的设计。西南部高辐照度低纬度地区，较密集布局（较短行距）能够满足DLI约束，最优pGCR趋于更高。
4.2 能量密度的空间分布
基于各网格最优AVS设计的单位面积年发电量，全国平均能量密度为80.15 kWh m?2 year?1（σ = 13.38）。西南部地区因高容量因子和高pGCR，能量密度约为北部地区的1.5倍，表明南部满足同等能源需求的AVS农场所需土地仅为北部的约三分之二。
4.3 LCOE的空间分布
全国平均LCOE为0.1021 EUR kWh?1（σ = 0.0135）。地图呈现明显南北梯度，南部地区LCOE较低，北部日本LCOE相对较高，原因在于满足DLI约束需较低pGCR以及辐照度降低导致容量因子下降。都道府县层面平均LCOE差异显著，山梨县最低（0.0869 EUR kWh?1），北海道最高（0.1235 EUR kWh?1），两极端差异达42.12%。山梨、爱知和香川县等本州中西部表现出较高经济可行性，而北海道、秋田和青森县等北部地区LCOE趋于较高。
4.4 LCOE的情景与敏感性分析
将目标DLI降至16 mol m?2 day?1时，全国平均LCOE下降8.13%至0.0938 EUR kWh?1，平均pGCR增至57.43%，能量密度提升至118.54 kWh m?2 year?1。将DLI提高至30 mol m?2 day?1时，平均LCOE上升10.38%至0.1127 EUR kWh?1，LCOE低于0.10 EUR kWh?1的网格数量减少至基线情景约一半。低DLI与高DLI情景间LCOE差异呈明显空间格局，东北部地区差异尤为显著（约0.02–0.06 EUR kWh?1），表明DLI约束不仅影响全国平均LCOE，还影响所谓"作物光照相关LCOE溢价"的空间分布。
单因素（OAT）敏感性分析显示，光伏系统效率和CAPEX是最显著影响因素：±20%的光伏系统效率变化导致LCOE在0.0851至0.1276 EUR kWh?1间波动；±20%的CAPEX变化导致LCOE在0.0862至0.1179 EUR kWh?1间波动。OPEX和折现率影响较小。双变量敏感性分析中，光伏系统效率降低20%且CAPEX增加20%时，全国平均LCOE达最大值0.1474 EUR kWh?1；反之达最小值0.0718 EUR kWh?1，测试范围内未观察到强烈交互效应或非线性响应。
五、讨论与结论
讨论部分指出，全国尺度AVS的经济可行性由太阳资源空间异质性、作物光照需求（DLI）和技术经济参数的结构性相互作用决定。最优AVS设计受区域太阳辐照度和纬度影响呈明显空间变化，自适应设计形成LCOE从北到南的显著梯度。AVS经济可行性受作物类型强烈影响，较高DLI约束严格限制组件密度并推高成本。光伏系统效率和CAPEX是LCOE的主要驱动因素，且二者效应在测试范围内基本呈加性关系。
研究估算的全国平均LCOE（0.1021 EUR kWh?1）高于日本2025年10–50 kWp太阳能光伏FIT（10.1 JPY kWh?1；0.0671 EUR kWh?1），这归因于高架结构较高的资本成本和满足作物光照约束所需的较低容量密度。但AVS的LCOE经常低于2024财年日本居民部门（32.80 JPY kWh?1；0.2002 EUR kWh?1）和工业部门（26.23 JPY kWh?1；0.1601 EUR kWh?1）的平均零售电价，凸显了AVS在自发自用和本地能源系统中的相关性。农林水产省（MAFF）估算AVS盈亏平衡点为16 JPY kWh?1（0.098 EUR kWh?1），但研究结果表明该阈值因区域辐照度和作物光照需求而显著变化，单一国家基准需谨慎解读。DLI情景间差异可解释为AVS LCOE对作物光照需求的敏感性，即维持高光照需求作物所需的额外发电侧成本，且该敏感性在东北部日本尤为显著，意味着品种选择在LCOE对作物光照需求更敏感的区域具有更大经济重要性。低DLI作物允许更高pGCR和更低LCOE的结构性趋势，部分解释了日本AVS实践中观察到的经济动机驱动的作物选择（即"伪农业"）风险。
研究结论部分指出：该研究开发了基于GIS的技术经济框架，评估日本全域受农艺约束的高架固定倾角AVS的LCOE空间分布。针对RQ1，最优组件倾角和pGCR在全国范围内差异显著，设计参数由场地特定太阳资源条件和作物设定的DLI目标驱动。针对RQ2，LCOE地图呈现显著空间梯度：中部至西南部日本因较高太阳辐照度同时实现更高允许pGCR和更高容量因子，获得最低发电侧成本；北部地区面临结构性较高LCOE。全国平均LCOE为0.1021 EUR kWh?1，但该数值掩盖了统一设计假设会掩盖的显著空间异质性。针对RQ3，LCOE对作物特定光照需求高度敏感，光伏系统效率和资本支出是最具影响力的技术经济决定因素。通过将基于DLI的农艺光照约束整合入网格级设计优化，该研究的主要贡献在于可视化AVS发电侧成本的详细空间异质性，超越先前假设统一设计的评估。所生成的高分辨率全国尺度LCOE地图为政策制定者和开发者提供区域特定部署规划的客观证据，可作为补充性筛选工具而非综合评估的替代品。
