能源与粮食双丰收的农村 

（图片来源：Antranias/Pixabay）

工程师J. David Marley在马萨诸塞州阿默斯特拥有一家建筑公司，2008年，他萌生了一个想法。那时他刚刚在其市中心办公楼顶上建了一个大型光伏阵列。

他发现，在高处安装光伏阵列的成本要远高于在地面上建造。

在人口密集的马萨诸塞州，农田相对稀缺，只有10%的粮食是自给的。Marley想知道，如果把光伏阵列放在农田里，会对粮食生产造成什么影响。

经过十余年的实验，上月，一份由11位科学家联合出具的研究报告给出答案。多数情况下，农田中安装光伏阵列，将有利于农民和国家未来的粮食供应，特别是由于气候变化，当今农业地区正遭受越来越多的干旱和高温灾害。

研究发现，安装光伏阵列的传统方法容易使阵列温度升高。电池阵列通常置于一层白色砾石之上，这层砾石会抑制植被，将阳光反射到阵列，从而使其升温，导致发电量下降1%~3%。

研究指出，光伏阵列下方部分阴凉环境，对放牧牲畜和许多蔬菜作物均有益处。此外，太阳能产生的可再生电能相当于另一种作物，为农民增收的同时，减少国家化石燃料发电产生的排放。

隶属于美国能源部（DOE）的国家可再生能源实验室（NREL）资助过多项太阳能农业实验。NREL在最近一份声明中表示，光伏阵列（与农田）的共置，可在农业中众多领域里“实现双赢”。

NREL在《自然·可持续》（Nature Sustainability）杂志上发表的研究报告中，使用了一个晦涩的名词“农业光伏系统”（agrivoltaic systems）——将光伏阵列应用于农田的概念。研究表明，阵列对三种不同粮食作物的“植物活动产生了全方位的影响”，且多是积极影响。研究预测，未来能节约“可观的”亚利桑那州干旱农田灌溉用水。亚利桑那的干旱农田也是研究人员进行常规种植作物对比实验的试验地。

NREL研究员Jordan Macknick从2010年开始跟踪这项农业光伏研究，他表示，在美国边远地区共进行了25项实验，包括在科罗拉多州放牧牲畜，在俄勒冈州无灌溉种植西红柿、土豆和西瓜，在明尼苏达州利用被光伏阵列荫蔽的花朵饲养蜜蜂，在马萨诸塞州的蔓越莓沼泽地布置光伏阵列等等。

Macknick解释，“我们预测，到2030年，美国将有约300万英亩土地安装光伏阵列”，用于农业与能源联产。

早在20世纪80年代初，德国、法国和日本便开展了相关实验，并暗示光伏阵列和农业可以“缔结良缘”，进行有益结合。但2008年在阿默斯特开始实验时，Marley对此一无所知。

但他相信，常规光伏阵列须重新设计后才能引入农田。反射性砾石、传统混凝土地基和钢管须一同拆除。常规光伏阵列距离地面较低，Marley希望提升到至少7英尺的高度，才能为动物提供充足的食草空间，同时方便拖拉机在下方裸露的土地上种植作物。

Anne Marley曾这样评价她的丈夫：他做事有计划，迫切希望对气候变化做一些贡献。她说，“他认为我们已处于落后的局面，与其等待政府行动，不如自己动手。”

粮食与能源

J. David Marley创立了一家公司——Hyperion Systems LLC——并与他的母校马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts, Amherst）建立合作关系，于2009年建立一个测试站点。他设想出一种基于木杆结构的电池阵列，使得农民想种植其他东西时，可以方便地移除这些阵列。

阵列高达15英尺，为耕种和雨雪消散留出空间。由马萨诸塞大学农学家Stephen Herbert协助确定阵列面板的最佳间距，确保充足的阳光能照射到地面。

Herbert回忆道，“结果出人意料。”将光伏阵列与牧场相结合的有利经济效益是“不言而喻的”。牧场、农场牲畜和电力生产都从中受益。

Marley后来取得相关设计专利，并获得美国教育部150万美元拨款，用于培训技校学生有关太阳能光伏系统的新用途。他于2013年去世。Herbert至今依然在他的农学课上保留一个传统：向学生解释那些实验是如何使各类蔬菜——包括甘蓝、瑞士甜菜、莴苣、豆类、西兰花和辣椒——与可再生电能在马萨诸塞州的不同地域上实现互利共生。

正如Herbert解释的那样，政府必须对此投入更多，并决定如何利用新系统，否则气候变暖将逐渐削弱农民土地的生产力，同时导致更多饥饿人口。

他说，“我告诉年轻人，这是你们的而不是我的未来，他们必须把政策问题挂在心上。”

无疑，政府已加大投入力度。自2017年以来，马萨诸塞州能源与农业资源部一直致力于落实一项鼓励农民尝试可再生能源的补助计划。同时，该计划还试图限制销售太阳能及其光伏阵列的公司占用过多农田。

2017年，马萨诸塞州定下目标，到2020年太阳能发电量达到1,600兆瓦，但同时实行旨在保护农田的限制措施。一个农场须维持有50%的土地直接暴露于阳光下。现在，马萨诸塞州计划再增加800兆瓦，并在酝酿一项提议，如果农民继续扩大阵列面积，将降低他们的电费。

越来越多的农民希望加入到计划中，一些太阳能产业的拥护者正在推动4,800兆瓦发电量的计划落地。他们想进入更多农田，以提高周边地区的可再生能源比例。Herbert认为无光伏阵列的农田面积会略低于50%，但仍然对农民具有经济效益。除此以外，他认为现有农田应作为传统作物的种植保留地，而不是用于生产电力。

由于目前美国起草了将于2月颁布的新法规，该项计划被搁置。

与此同时，人们对农业光伏的兴趣愈发浓厚。2015年，DOE的项目保留Marley的公司Hyperion作为合作伙伴，并计划在一片正用于养牛和种植咖啡的波多黎各土地上建设新实验点。

其中一个项目顾问会是David Marley的儿子、Hyperion 新任经理Jake Marley。他表示，DOE的项目名为InSPIRE，即“创新场地预备与减少环境影响”（innovative site preparation and impact reductions on the environment），反映了他父亲对利用农田的保守方法。Jake Marley说，“父亲的首要目标是不让农田减产，他相信粮食第一，能源第二。”

最初的想法源自1981年两位德国科学家的成果。他们发表的一篇题为《太阳能电池板下的土豆》（“Potatoes Under Panels”）的论文，首次展示出使用光伏阵列辅助耕种的经济性。

这一理念已在世界范围内广泛传播。NREL研究员Macknick表示，它将孵化出许多创新，包括印度一些公司计划在灌溉渠上悬挂光伏阵列发电，同时减少宝贵的灌溉水蒸发。

他表示，美国在进行更多的创新工作，许多公司正在考虑建造太阳能温室，使用半透明的光伏阵列来增加透光量，将发电与作物种植相结合。“太阳能”西红柿和蜂蜜正在农贸市场上销售。

实验仍在继续。Macknick说，“在许多小国和农田不多的国家，这类需求巨大。只要有粮食与能源产生矛盾冲突的地方，就会有缓解这些矛盾冲突的方法。”

他补充道，“但就如何正确发展这一点上，还有许多悬而未决的问题。”

作者：John Fialka

翻译：巢栩嘉

审校：赵欢

引进来源：E&E新闻