综述：光伏温室作为综合农业能源系统：光谱调节、作物与能源的协同作用及综合评估——综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Photovoltaic greenhouses as integrated agro-energy systems: Spectral regulation, crop-energy coordination, and unified assessment—A review

本文系统综述光伏温室（PVGs）作为耦合农业与能源系统的关键技术，分析光伏材料、光谱管理、结构集成对作物生长与能源需求的影响，提出需统一系统边界与评估指标以促进技术转化。

　　

作者：赵燕、罗慧龙、刘朝福、邱金亮、李贤秋、韩丽红、陈毅、姜永雷

中国昆明市昆明科技大学土木工程与力学学院，邮编650500

摘要

尽管温室农业能够提高作物生产的稳定性，但其发展越来越受到气候调节所需能源的限制。因此，将光伏（PV）技术应用于温室结构中受到了越来越多的关注，因为这种方法可以在同一块土地上同时生产食物和可再生能源电力。光伏温室（PVG）作为一种综合的农业能源系统，通过改变入射辐射的强度、光谱组成和空间分布来影响作物的生理过程和光形态建成。此外，它还改变了温室内的热量和水分平衡，从而调整了对加热、冷却、通风、除湿以及某些情况下补充照明的需求。然而，现有文献仍然存在碎片化的问题：许多研究分别探讨了光伏系统的光学性能、作物响应或能源产出，而不同研究之间的比较往往受到系统边界、功能单元（FUs）、时间尺度以及报告方式不一致的限制。本文从系统角度整合了最新的实验、建模和评估结果，分析了光伏材料、光谱传输策略、屋顶集成方式以及微气候调节机制。研究表明，仅凭光伏覆盖率并不能准确预测农业生产的可行性和能源自给能力，因为关键在于入射光是否满足作物需求以及其在冠层内的分布情况。本文还统一了系统边界、功能单元和评估指标，以提高研究之间的可比性。未来的研究应重点关注针对特定作物和气候条件的控制效果评估，并结合长期关于作物生长、电力需求、光伏发电的数据以及明确的假设和基准进行。

引言

全球农业食品和能源系统正面临着土地资源有限和减排目标的双重压力。预计到本世纪中叶，食物需求将大幅增加[1]，而净零排放路径要求快速扩大低碳电力供应并大幅减少排放[2,3]。因此，那些既能提高土地生产力又能提供可再生能源的技术正越来越多地从系统可持续性的角度进行评估，而不仅仅是追求单一输出的最大化。最近关于农光互补系统（AVs）的综述强调了在土地利用和减排约束下同时支持食物生产和电力生成的双重用途土地策略[4,5]。 光伏温室（PVG）是一种专门针对温室设计的农光互补系统，它将光伏（PV）模块集成到温室结构中，使入射的太阳辐射被用于光合作用和电力生产[6-10]。与地面安装的光伏系统或传统温室农业相比，PVG属于耦合的农业能源系统，这种配置将农光互补的概念扩展到了受控环境环境中。虽然PVG带来了更高的结构和控制复杂性，但也促进了光学设计、作物响应与能源服务之间的紧密整合[11,12]。 光伏模块造成的遮荫和光谱变化会影响光合有效辐射（PAR）的数量和光谱组成，从而影响作物的光合作用、产量和品质[13-17]。这些光学效应还会改变太阳能的热量吸收，进而影响气候控制和补充照明的电力需求[9,18]。因此，PVG的性能不能仅通过作物或光伏指标来推断，而需要基于一致的系统和边界进行评估。 尽管PVG研究发展迅速，但由于三个主要原因，其可比性和适用性仍然有限：首先，光学参数的表述缺乏统一性。许多研究仅提供了平均可见光透射率（AVT）或光伏效率[14,19,20]，而与作物相关的指标（如透射PAR、作物加权透射率（CWT）和光照场均匀性）的量化不够系统化。这种不一致性导致即使在AVT值相似的情况下，农艺结果也可能存在差异[21-23]。其次，能源核算在不同研究之间缺乏标准化，包括自耗率（SCR）和自给率（SSR）的定义、电气边界以及损耗、退化和电网交互的处理方式[24-26]。第三，关于气候和区域适用性的证据仍然零散，因为作物需求、光谱效应和热负荷很少使用一致的功能单元（FUs）和系统边界进行评估[27-30]。在更广泛的能源高效温室和受控环境农业综述中，也提到了类似的边界和指标问题[31,32]。 第2节定义了本文的研究范围和证据提取、编码及综合的方法。第3节全面总结了光伏（PV）材料、光谱管理方法和屋顶集成类型。第4节探讨了微气候调节以及作物生产力与能源生成之间的耦合关系。第5节整合了农业、能源、经济和环境维度下的评估边界、功能单元和主要性能指标。本文采用了一种基于第2节所述证据编码协议的机制综合框架。

光伏模块与结构集成

PVG的性能受到光伏模块的光电特性及其在温室结构中集成方式的共同影响。先前的研究和能源产出模型表明，光伏技术和集成配置共同决定了作物的生长可行性和温室的能源需求[33,34]。因此，PVG屋顶不应被视为被动建筑构件，而应被视为一种主动调节器，它连接了材料属性和光谱特性。

微气候调节与作物-能源耦合

光伏屋顶策略通过改变室内光照环境和能量传输路径来影响PVG的性能。研究表明，在不同光伏配置下，辐射平衡、空气温度、湿度和蒸腾模式会发生变化[114]。遮荫比例和光谱选择性决定了进入温室的辐射量和光谱组成，进而影响冠层内的PAR水平。

PVG/AV研究中的评估方法和关键指标

PVG和AV系统允许在同一块土地上实现共生产，其中作物生产和电力生成通过光、作物、微气候和能源之间的相互作用相互关联。通过改变屋顶覆盖率和光谱传输，光伏集成改变了到达冠层的辐射强度及其时空分布，从而对光合作用、蒸腾作用、温室的热量和水分平衡以及最终能源需求产生连锁效应。

结论

PVG应被视为综合的农业能源系统，因为光伏集成不仅重新分配了辐射，还影响了作物的生长过程，并改变了用于微气候控制的电力使用方式。在回顾的所有研究中，最终结果主要取决于光伏技术和屋顶集成如何改变冠层内的光子传递，以及这些光学变化如何通过季节性的冷却、加热和补充照明需求转化为实际电力需求。

作者贡献声明

赵燕：概念构思、文献搜索与筛选、初稿撰写 罗慧龙：概念构思、监督、撰写与编辑、资金获取 刘朝福：文献搜索与筛选、可视化、撰写与编辑 邱金亮：数据整理、撰写与编辑 李贤秋：文献搜索与筛选、撰写与编辑 韩丽红：参考文献管理、撰写与编辑 陈毅：资源协调、撰写与编辑

资助信息

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52166001）、云南省自然科学基金重点项目（项目编号：202401AS070104）、云南烟草公司科技计划重点项目（项目编号：2023530000241024）、曲靖烟草公司科技计划项目（项目编号：2025YNQJKJ03）以及云南大观实验室重点项目（项目编号：YNDG202302YY04）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。