從日本、美國的案例來看農地上光電
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2022年的今日，我們已離2050不遠了。淨零轉型「收作業」的時間日漸逼近。如果我們將各種不同的發電種類目標分開來看可以發現，太陽能的發展似乎會遇到不少瓶頸，在2020時，台灣的光電發展遇到了一個重大的變革，也就是俗稱的「光電77事變」。農委會於該日推出「農業主管機關同意農業用地變更使用審查作業要點」新增第七點之一。限制除了破碎的農用地外，兩公頃以下的農地依法不得設置太陽光電。修法後帶來的嚴格規範，再加上過短的緩衝期，使得光電業者前期投入付諸流水。
但農地上的光電真的是壞的嗎?我們真的能排除台灣所有的農地達到光電設置目標嗎?許多的問題在我們的心中浮現，於是在查找與拜訪後發現，世界上不乏農作物與光電共存甚至是共好的案例。
以日本為例，2011年的福島核災除了廢核的所帶來的能源轉型壓力外，更有著許多的農家因為核災的緣故原先的農戶被迫離開他們的農地導致鄉村荒廢。隨著核災的後續處理與時間的漂移，日本的青年投入了在地發展的願景，透過協助農民在農地上架設太陽能板，讓農民可同時享有作物及賣電收入的兩成，除了不讓那些適合種植的良田被荒廢，更能增加吸引年輕人回鄉務農得收入。
眾所周知，植物的生長脫離不了，水、陽光、土地。在農作物上方覆蓋光電板，違反了植物最基本的生理原則，屬於互相衝突的兩項事務，以美國的番茄種植為例，他們將光電板已向南傾斜18度以達到最佳收光角度，並將光電板架高高側2.2公尺、低側0.8公尺，並在光電板下方、兩側種植番茄，監測當地的微氣候(氣溫、相對濕度、土壤溫度、土壤含水量、光照量、風速)
圖：營農光電與番茄種植實驗場域與實驗組與控制組位置 ( 圖片來源：參考資料 1 )
研究對於光電板是否對於種植各類作物有影響。他們在選定一個場域後，分為控制組(C)兩區，實驗組光電板下方(P)4區、光電板兩側等(R)4區。再將實驗組成兩類不同的灌溉模式，分為土壤含水量75%(飽和,F)、40%(稀少,D)，並記錄於光電板高、低兩側的數值。
圖：實驗場域實際種植情況與設備照片 ( 圖片來源：參考資料 1 )
最後實驗結果顯示，光電板可以顯著提升土壤的含水量，還有相較於直接曝曬土壤溫度(攝氏25.6度)也有明顯的降低光電板的兩側(攝氏24.7度)與光電板下方(攝氏20度)，但由於番茄並不耐陰，植株的總重量在全日照的區域為(68.13~88.42 kg/row)會隨著陰影的遮蔽增加而減少為光電板兩側的(32.76~53.59 kg/row)、光電板下方(21.64~33.61 kg/row)。從實驗中我們可以得知，顯示出光電系統與農田結合可以有效提升了土壤含水量，但並不適合光照強度需求高的植物種類，不管植物的種類是否屬於耐陰性植物都有能有顯著的提升。但文獻本身也提示讀者，研究本身還需要更多的數據與推廣至更多不同的環境與植物種類，以及對於光電板的架設形式的研究與實證。
接下來我們來看看日本的研究。在亞洲國家「米」是重要的主食之一。所以稻田上的營農光電的研究相較歐美國家更為重要。日本東京大學在2016~2018年間進行，並設計出不同的光電板形式進行於一期的稻作種植實驗，其中最為重要的是與前項實驗不同，研究者將光電板加高至現代農機具可進入施作的高度，並將光電板的造型分為不同大小與長條形、方格型。並分別實驗平鋪與頃斜。並在各地點分紀錄分析。
圖：各實驗場域水稻種植與光電板架設照片( 圖片來源 ：參考資料 2 )
根據實驗的結果顯示，在種植水稻時，裝設太陽能光電版且符合法規生產率不得低於法定產量80%，在95%的信賴區間下，光電版所產生的遮蔽率為27%~39%。如果將到遮蔽面積換算為水稻田上的遮蔽面積，其比例理論的極限值為28%，信賴區間為23%~36%。日本的產米農地為147萬公頃的農地種植稻米，在符合日本農林水產省規定，並依照實驗結論裝置28%遮蔽率的光電板，總共可裝設41.1萬公頃的光電板，以日本能源經濟研究所公布日本光電板的容量因數約14%，每年可以產生2億8400萬度電，為2018年全日本用電量的29%。我們換個面向從稻米產量與品質觀察可發現，雖然所有產區的每株稻米可生產的重量都會隨著遮蔽率上升而下降，但除了稻米的SPAD值(soil–plant analysis development)、穗長(Panicle length)、蛋白質含量(Protein content)，在不同的遮蔽率下有顯著差異外，其餘稻米品質的皆會因沒有一致的顯著差異，其餘的青米率(Green kernelled rice ratio)、成熟穀物的百分比(Percentage of ripened grains)、千粒重(Thousand kernel weight)等關鍵數據皆沒有與明顯的差異。
圖：水稻種植在光電板不同遮蔽率與每株收穫克重之關係圖 ( 圖片來源：參考資料 2 )
再生能源的發展與其目標是為了永續，若是鋪設太陽能版導致良田廢耕，甚至寸草不生，那是所有人都不樂見的。再生能源不該因為錯誤的架設方式而被歸納為破壞環境的罪人。從上述美國與日本的案例中，我們可以已發現不論是番茄或是稻米的兩種種植型態迥異的物種，在合理的控管光電板遮蔽與角度下，農產品的產量與品質的也可以有好很穩定的發展。根據美國的研究案例，光電板可以有效提高土壤的含水量減少灌溉用水量，讓降雨量較少或是農業用水較為吃緊的地區有更多的栽種選擇或是有效改善用水量。在日本的對於裝載光電板的作物產量有一不成文默契是須維持未裝置時產量的80%，這個相對於台灣的70%更為嚴格，但台灣對於可以種植的物種農委會有嚴格的列表規範。日本的案例中，以最為重要的糧食作物的指標物種，其研究也顯示出，「有序」的將農地與光電結合，不僅增加農民的收入進而增加選種稻米的吸引更多人投入種植，也可減緩能源轉型地面型光電裝置量的壓力。取得雙贏甚至多贏的局面。
參考資料來源：
2. Analysis of the Rice Yield under an Agrivoltaic System: A Case Study in Japan
