不同高度光伏板对农业光伏系统热环境的梯度调控效应及其作物生长影响机制研究

《Scientific Reports》：Regulatory effect of agriphotovoltaic systems with different panel heights on the thermal environment

本期推荐：针对农业光伏(APV)系统中光伏板高度如何调控热环境这一关键问题，南京团队通过CFD数值模拟与田间试验相结合，首次揭示2.5-3.9m高度范围内土壤温度呈现"中间高-南北低"到"南北升温-中部降温"的梯度变化规律，空气温度均匀性提升78.2%，为优化APV系统设计提供理论依据。该成果发表于《Scientific Reports》，对实现"光伏+农业"协同增效具有重要指导价值。

　　

在应对全球气候变化与能源转型的双重挑战中，农业光伏(Agriphotovoltaic, APV)系统作为一种创新模式，将太阳能发电与农业生产有机结合，展现出巨大潜力。然而，这种"一地两用"的设想面临着一个关键矛盾：光伏板在捕获阳光发电的同时，其遮荫效应会显著改变下方的微气候环境，特别是热环境分布的不均匀性可能对作物生长产生复杂影响。现有研究多聚焦于光伏板对光照的调控，却忽视了作为系统"温度调节器"的光伏板高度这一关键参数——它如同悬在农田上方的"热力学旋钮"，通过改变空气流动空间和辐射分布，深刻影响着土壤与空气的热交换过程。

针对这一科学问题，江苏开放大学与江苏省农业科学院设施装备研究所的科研团队开展了一项开创性研究。通过构建高精度计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模型并结合田间实测，系统揭示了2.5m、3.2m和3.9m三种光伏板安装高度下APV系统热环境的时空分异规律。研究发现，当光伏板高度从2.5m提升至3.9m时，系统中部土壤温度降低1.0°C，而南北两侧升高0.5°C，形成更均衡的温度场；空气温度非均匀性指数从5.87×10^-3降至1.28×10^-3，降幅达78.2%。这些发现为APV系统的结构优化提供了量化依据，相关成果发表在《Scientific Reports》期刊。

研究团队采用多学科交叉方法：首先设计田间对照试验，在南京农业光伏公园设置不同高度的APV系统（H2.5/H3.2/H3.9），使用HOBO系列传感器监测空气温度(T_a)和15cm深度土壤温度(T_s)；其次建立三维CFD模型，采用Realizable k-ε湍流模型和DO辐射模型，通过网格独立性验证确保模拟精度；最后运用非均匀性指数定量评估热环境分布特征。实验数据选取2023年7月典型天气周期，模拟相对误差控制在8%以内。

研究结果部分，"热环境实测数据"显示：在2.5m低矮安装条件下，中部区域土壤温度较南北两侧高2.1°C，形成显著"热岛效应"；而3.9m高度时该差异缩小至1.7°C。空气温度在三种高度下日变化曲线相似，但3.9m系统中午峰值温度降低0.5°C。"热环境模型验证"通过实测与模拟值的比对，证实CFD模型能准确捕捉温度场的空间异质性，最大相对误差仅7.8%。"空气温度模拟分析"发现随着高度增加，冠层下部气流速度提升0.2m/s，促进热量扩散；"土壤温度模拟分析"则揭示3.9m高度时地面综合冷却效果比露天对照低5°C以上。

在讨论部分，研究阐明了光伏板高度的"双梯度调控机制"：垂直方向上，较高安装高度通过增强文丘里效应改善空气流通；水平方向上，调整辐射分配改变土壤热收支。这种调控使APV系统既能避免低矮安装导致的"热胁迫区"，又可防止过高安装造成的土地利用率下降。正如通讯作者Encai Bao强调的："3.2-3.9m可能是长江中下游地区APV系统的最优高度区间，在保证机械化作业空间的同时，创造了适宜茄果类作物生长的热环境。"

该研究的创新价值体现在三方面：方法学上，首次将大气边界层理论引入APV系统CFD建模；应用层面，提出的高度优化方案可使作物产量提升8-12%；理论上，揭示了"光伏板高度-湍流强度-热环境梯度"的定量关系。这些成果不仅为APV工程设计提供了科学依据，更对发展"智慧生态农业"具有启示意义——未来可通过动态调节光伏结构参数，实现"光-热-作物"系统的精准协同调控。

研究也存在一定局限：试验仅针对夏季无花果单一种植模式，未考虑不同作物生理响应的差异性。作者建议后续研究应拓展至全年周期，并探索结合物联网技术的智能高度调节系统。正如审稿人评价："这项研究将工程热物理与农业生态学巧妙融合，为可再生能源与粮食安全的协同发展提供了新范式。"随着"双碳"战略推进，这种基于多物理场耦合的APV优化设计理念，或将在全球范围内产生广泛影响。