附加的可再生能源降低环境影响、增加收益

Mitch Leslie

工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 10 -12.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 10 -12. DOI: 10.1016/j.eng.2024.05.002
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Add-on Renewables Aim to Decrease Impact and Increase Benefits

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Mitch Leslie. 附加的可再生能源降低环境影响、增加收益[J]. 工程（英文）, 2024, 37(6): 10-12 DOI:10.1016/j.eng.2024.05.002

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在美国科罗拉多州丹佛附近的南博尔德运河（South Boulder Canal）中，涡轮叶片（图1）在湍急的水中旋转，这些叶片形似厨房中用来搅拌蛋糕糊的搅拌器[1]。这些涡轮机由美国佐治亚州亚特兰大市的Emrgy公司制造，每台可为该地区电网提供高达25 kW的电力[2]。在意大利南部的一个果园里，成排的香橼树上方矗立着太阳能电池板的拱廊，这些树因其果实可提取精油而具有很高的价值[3]。太阳能电池板不仅能为当地家庭供电，而且可以保护树木免受阳光直射，减少了70%的用水量[3]。
以上是有关清洁能源趋势的两个例子：将发电与其他用途相结合。例如，在所谓的农光互补方法中，农场主和牧场主在太阳能电池板周围和下方种植农作物或饲养牲畜（图2）[4]。专家们希望，这种附加策略能够节省农田、降低清洁能源开发的环境成本、为土地所有者提供额外收入，并提供其他益处[5‒6]。
到目前为止，这些方法对世界电力供应的贡献很小。美国的农光互补发电能力约为8 GW，约占该国总发电量的0.7% [7‒8]。然而，更多的此类系统正在部署中。在全球范围内，农光互补发电能力从2012年的5 MW增长到2021年的14 GW [5]。韦士敦大学（Western University，位于加拿大安大略省伦敦市）电气与计算机工程教授Joshua Pearce表示，农光互补发电潜力是巨大的：“仅靠农光互补发电就可以轻松为任何一个面积较大的国家提供电力。”
美国科罗拉多州立大学园艺与园林建筑副教授Mark Uchanski表示，各国正在考虑使用农光发电和其他类似技术，因为它们面临着“地产问题”。将世界经济转向清洁能源将需要大量土地。美国计划到2050年从可再生能源中获取全部电力。根据美国能源部的计算[9]，为了达到这一目标，美国需要将多达490万公顷（占其总面积的0.5%）的土地转为用于太阳能发电。美国和其他国家面临的挑战是，如何在不减少粮食生产或不破坏自然栖息地的情况下实现其可再生能源目标。
“农光互补发电的吸引力在于你不需要牺牲土地。”Pearce说。土地可以继续用于种植农作物或饲养牲畜，而且有了太阳能电池板，农业产量甚至可能更高。例如，在2019年的一项研究中，研究人员在美国亚利桑那州南部的两块土地上都种植了红辣椒、墨西哥辣椒和西红柿，其中一块土地上安装了太阳能阵列[10]。收获季节结束时，在太阳能电池板下生长的红辣椒植株结出的果实大约是露天生长植株的三倍，而且遮阴的西红柿也比全天日照的西红柿产量更高[10]。不过，墨西哥辣椒的产量没有变化。根据灌溉的频率，遮阴的土壤保持的水分多出5%~15%，这表明太阳能电池板可以帮助节省水资源[10]。
研究表明，农光互补发电还可以提供大量的电力。欧盟2023年的一份报告估计，仅将成员国1%的农业用地转为用于农光互补发电，就可以提供944 GW的电力，足以让欧盟实现其2030年的太阳能发电目标[11]。Pearce及其同事2023年的一项研究发现，根据安装的太阳能光伏系统的类型，将加拿大1%的农田用于农光互补发电，可以满足该国28%~43%的电力需求[12]。这将足以抵消加拿大所有用于发电的化石燃料消耗。
“我们发现农光互补发电是有效的。”美国国家可再生能源实验室（NREL，位于美国科罗拉多州戈尔登市）的首席能源-水-土地分析师、工程师Jordan Macknick说。科学家现在正在试图找出哪种类型的农光系统在特定地点能提供最佳效果。十多年来，Macknick及其同事一直在研究农光发电，并跟踪了美国的各个项目。他们研究确定了影响这些项目成功的五个因素：①当地气候；②农作物的种类和种植方式；③太阳能阵列的配置；④太阳能装置是否与农业实践相结合；⑤是否建立了必要的协作，如法律协议等[13]。
作物的选择至关重要，但哪些作物能在太阳能电池板下或太阳能电池板之间茁壮成长，目前尚不清楚，Macknick说。例如，很显然，像黄瓜这样喜欢阳光的作物在这种情况下长势就不会那么好。到目前为止的研究表明，黄瓜的产量的确下降了21%~58% [13]。但其他研究表明，在某些地区当农场主转向农光互补发电时，某些喜欢阳光的作物会长得更好。例如，德国的一项研究发现，安装太阳能电池板后，小麦的产量增加了约3% [14]。但Macknick说，由于农光发电的研究才刚刚开始，现在就如何优化农业产量和发电量得出结论还为时过早。到目前为止的研究“只是我们需要的东西中的冰山一角”。
有几个因素会阻止农场主和太阳能开发商部署农光发电系统。对于太阳能开发商来说，这通常意味着更高的成本，Uchanski说。传统太阳能电池极通常离地面不到1 m，但有些农光阵列可能需要离地面3 m或更高[5,11]。安装这样的阵列需要更多的材料，安装成本也更高[5]。Uchanski说，虽然太阳能电池板的收入可以弥补损失，但农场主可能也必须接受“产量损失”。Macknick说，安装太阳能设备也会让农场主“觉得自己像是在障碍训练场上种植食物”。此外，农光发电项目可能面临监管或法律阻碍。例如，在加拿大的某些地区，在农田上安装太阳能电池板是违法的[15]。
由于这些限制，美国几乎所有的农光互补发电系统都位于牧场或边缘农业用地，在这些地方增加太阳能电池板可以提供急需的收入增长，Uchanski说。他表示，那些本来经营良好的农场主“并没有迫切地”增加农光互补发电系统。他指出，到目前为止，用于农光互补发电的土地中只有大约1%是优质农业用地，但如果美国想要实现其可再生能源目标，就必须将更多此类土地用于农光互补发电。“我们需要为此做好准备。”Uchanski说，并提出了一些让太阳能和农业相互融合的解决方案。
利用运河发电是减少可再生能源对土地需求的另一种方式。其中一种方法是在运河上方安装太阳能电池板。也可以将太阳能电池板安装在静止的水体（如水库）上方或漂浮在静止的水体上[16]。运河上方太阳能电池板阵列已经在印度运行了十年，目前正在美国进行测试[16]。不过，流经运河的水也可以发电。美国已经通过在运河、管道甚至净水厂中安装小型水力发电机的方式获得了约530 MW的电力[17]。据估计，通过在这些地点安装更多此类涡轮机，美国可以增加1.4 GW的发电能力[17]。
在印度，约21%的人口无电可用，基于运河的发电可以为居住在主要运河附近的居民提供很大一部分电力，并补充现有的电网电力。在2021年发表的一项分析中[18]，美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的研究生Sabah Usmani及其同事评估了印度北部的上恒河运河（Upper Ganga Canal）的水电和太阳能发电潜力；该运河长约291 km，将水从恒河引向北方邦的农业用地[18]。研究人员考虑了两种水力发电来源。第一种是将涡轮机放置于海拔急剧下降的位置。与传统的水电站水轮机一样，这些涡轮机在水流强力流过叶片时发电[19]。根据运河不同河段的海拔变化，Usmani及其同事估计，该来源可以产生44 MW的电力[18]。
第二种来源的贡献要小得多，即像科罗拉多州南博尔德运河上的那些流体动力涡轮机（hydrokinetic turbines），其叶片在更平坦的河段由水流以较慢的速度驱动。研究小组研究的8个地点的水流速度测量数据显示，流体动力涡轮机将增加65 kW的电力[18]。虽然研究人员将这上述两种发电来源描述为“为该地区提供了大量的水力发电”，但水力发电所能产生的最高44 MW的电力与运河上方太阳能电池板阵列估计能提供的1676 MW的电力相比，仍然相形见绌[18]。
Usmani说，如果运河发电被输送到当地大多数时间都没有电的村庄，将有助于满足他们的农业和家庭用电需求。Usmani现在是美国纽约市哥伦比亚大学气候与健康专业的哲学博士研究生。研究小组的计算表明，仅运河水电就可以为一段58.3 km长的运河附近54%的村庄每天供电至少18 h，这正好符合北方邦政府的供电标准[18]。
运河水电在美国和其他国家正在慢慢流行起来。到目前为止，Emrgy公司已在美国四个州和新西兰安装了涡轮机[20]，其他公司也在开发这种能源[21]。Emrgy公司宣称，他们的涡轮机不需要落差，这意味着它们可以安装在更多的地点[22]。然而，流体动力涡轮机仍然需要相对较快的水流速度。例如，Usmani及其同事发现，在他们分析的上恒河运河的8个测量点中，只有3个点的水流速度足够快（至少0.5 m∙s-1），能够使用这类涡轮机发电[18]。
无论如何，虽然小型水电和附加太阳能发电项目可能有助于实现可再生能源目标，但后者可能会产生更大的影响。特别是，尽管不同地区农作物和太阳能电池板配置的最佳组合仍不明确，但农光互补发电方法很有前景，我们应该鼓励进行试验，Macknick说，“我们不能等待40年看到研究结果后才采取行动。”

参考文献

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