在新加坡这样一个土地资源高度紧张的城市国家，增加本地粮食生产与发展太阳能光伏（PV）系统对屋顶空间的利用构成了直接的竞争。为了探索一种能够同时解决这两大挑战的协同解决方案，由新加坡理工大学（Singapore Institute of Technology）的邓伟强（Jerome Wei Chiang Teng）、苏秋明（Chew Beng Soh）、Shiddalingeshwar Channabasappa Devihosur、蔡鸿顺（Ryan Hong Soon Tay）和 Steve Kardinal Jusuf 组成的研究团队，在 Sustainability 期刊2022年6月9日出版的第14卷第12期中，发表了一项题为《农光互补系统对屋顶周边微气候的影响》的研究。该研究创新性地将热带气候下的屋顶水培农业与光伏发电系统相结合，探讨了这种农光互补（Agrivoltaic）系统对局部微气候的调节作用及其对光伏发电效率的潜在提升效果，为城市空间的多元化高效利用提供了重要的实证数据和理论依据。
学术背景与研究目标
本研究的学术背景根植于城市可持续发展和可再生能源利用的交叉领域。随着城市化进程加剧，农业用地与能源基础设施用地之间的矛盾日益突出。新加坡政府提出了“30·30”目标（即到2030年实现本地生产满足30%的营养需求）以及“新加坡绿色计划2030”（旨在将太阳能部署翻两番）。然而，建筑屋顶空间有限，既要安装太阳能板，又要设置冷却塔、水箱，还需发展城市农业，空间竞争激烈。农光互补系统作为一种将光伏发电与农业生产在同一块土地上相结合的模式，在温带地区已被证明能提高土地生产力、水资源利用效率和能源产量。然而，在热带气候下，特别是在使用水培（Hydroponic）等非土壤种植技术的城市屋顶环境中，此类系统的微气候效应及其对光伏性能的影响尚缺乏深入研究。
先前的研究表明，植物的蒸散（Evapotranspiration）作用可以降低周围空气温度（通常可达0.5-4°C），而光伏电池的温度与发电效率呈负相关（晶体硅电池温度每升高1°C，效率下降约0.4-0.5%）。因此，理论上，作物通过蒸散冷却光伏板，可以提升其发电效率。本研究旨在填补热带城市环境下，基于水培技术的屋顶农光互补系统研究的空白。具体目标包括：1）通过物理原型实验，量化水培作物对光伏板下方及周围微气候（环境温度、相对湿度）的影响；2）利用微气候模拟软件ENVI-met验证和预测该系统的微气候调节效果；3）评估微气候变化对光伏组件工作温度及发电输出的实际影响。这项研究的动机在于验证在热带城市屋顶的特定条件下，农光互补系统能否产生积极的协同效应，从而为新加坡及类似气候区的城市规划和可持续发展提供科学依据。
详细研究流程
本研究采用物理实验与计算机模拟相结合的方法，分两个主要部分进行。
第一部分：物理原型实验。 实验地点设在新加坡理工大学杜佛校区一个模拟屋顶环境的开放场地（地面为水泥地）。研究团队搭建了一个农光互补系统原型，包含两个相同的测试地块（Plot A 和 Plot B），每个地块尺寸为4米×10米，上方安装有倾角为5度的光伏板顶棚。两个地块的关键区别在于：Plot A 中安装了营养液膜技术（Nutrient Film Technique, NFT）水培系统，并种植了罗马生菜；而 Plot B 则保持为空置状态，仅作为对照。这种设置使得研究人员能够直接比较有作物和无作物条件下微气候与光伏性能的差异。
实验数据采集在2021年7月的两个典型天气日（一个晴天：7月15日；一个阴天：7月13日）进行。在两个地块中，研究团队部署了多种传感器以监测关键的微气候和系统参数：使用Hobo温湿度数据记录仪测量光伏板下方1米和2米高度处的环境温度与相对湿度；使用Hobo T型热电偶数据记录仪测量光伏板背面温度、地面温度等表面温度；使用Apogee量子传感器测量光合有效辐射；使用MCR-4TC多通道记录仪测量NFT水槽末端的水温。此外，还通过光伏逆变器记录了两个地块光伏阵列的交流输出功率和日发电量。所有数据以高时间分辨率（例如，每5分钟或每小时）持续采集。数据分析聚焦于对比两个地块在晴天和阴天条件下，从上午8:00到下午6:00之间的环境温度、相对湿度、光伏板温度以及发电功率的差异。物理实验的核心是捕捉作物蒸散作用引发的微气候变化及其与光伏发电效率之间的关联。
第二部分：ENVI-met微气候模拟。 为了更深入地理解物理现象并预测不同情景下的效果，研究团队利用ENVI-met软件进行了三维微气候模拟。他们首先根据实验场地的实际布局建立了精确的三维模型，网格分辨率设置为2米 × 2米 × 2米。模型输入了新加坡2019年10月14日（典型晴天）和11月15日（典型阴天）的实际气象数据作为边界条件，包括温度、相对湿度、风速、风向和太阳直接辐射。
在建模过程中，研究团队特别注意了材料属性的准确设定。对于光伏面板，设定了其将20%的入射短波辐射转化为电能，反射率为5%，吸收率为75%，整体发射率为80%。为了模拟水培作物，他们创建了一个自定义的“绿篱”元素，高度设为1.3米，并设定从地面到1米高度处叶面积密度为零，以模拟作物生长在NFT水槽上的形态。研究共进行了六组模拟，分别对应晴天和阴天两种天气条件下的三种情景：控制组（无光伏、无作物）、仅光伏组（有光伏、无作物）和农光互补组（有光伏、有作物）。模拟输出的数据（如特定高度平面的空气温度、光伏表面温度）被提取出来，用于与物理实验结果进行对比验证，并分析不同情景下微气候的时空分布特征。模拟的目的是验证模型的准确性，并探究在更广泛或不同设计参数下系统的潜在表现。
主要研究结果
研究通过物理实验和数值模拟，得出一系列相互印证且具有启发性的结果。
物理实验结果清晰地展示了作物对微气候和光伏性能的积极影响。在晴天，种植了作物的Plot A与空置的Plot B相比，表现出显著的差异。在中午时段（约11:00至16:00），Plot A的相对湿度比Plot B高出约2-3%。与此同期，Plot A的环境温度比Plot B低0.3至0.7°C，而Plot A的光伏板表面温度更是比Plot B低2至4°C。这种在相对湿度升高的同时环境温度和光伏板温度下降的现象，强烈支持了作物蒸散冷却效应是主要驱动因素的结论。更重要的是，这种冷却效应直接转化为了发电量的提升。数据显示，在晴天，Plot A的日发电量比Plot B高1.07 kWh（相对提升3.05%），峰值交流功率也更高（6.06 kW vs 5.76 kW）。在阴天，虽然温湿度差异不明显（因为阴天湿度本身很高，蒸散作用减弱），但Plot A的日发电量仍比Plot B高0.2 kWh（相对提升3.2%），表明即使在弱光照条件下，系统仍存在积极影响。在中午12:00至14:00的峰值时段内，Plot A的发电功率持续比Plot B高出约5%至8%。
ENVI-met模拟结果不仅证实了物理实验的观察，还提供了更全面的时空分析和情景对比。模拟预测，在晴天，与仅有光伏的系统相比，引入作物后，白天（08:00-18:00）光伏板的平均温度降低了2.83°C，峰值温度更是降低了4.30°C（从70.03°C降至65.73°C）。环境空气的平均温度也降低了0.23°C。在阴天，降温幅度较小但趋势一致：光伏板日间平均温度降低0.71°C，峰值温度降低1.42°C，环境空气平均温度降低0.18°C。模拟还揭示了一个有趣的对比：在阴天，控制组（裸露水泥地）的环境温度反而低于安装了光伏结构的两个组。研究分析认为，这可能是因为混凝土基底具有更高的热质量和发射率，在阴天且风力较强时，其蓄热和放热特性与土壤不同，反而可能抵消部分作物的正面冷却效应。然而，在“有光伏”的两种情景中，加入作物的情景始终比没有作物的情景温度更低，这凸显了作物在缓解光伏结构本身可能带来的热负荷方面的价值。
综合实验与模拟数据，研究团队进行了量化推算。根据光伏效率随温度升高而降低的系数（0.4-0.5% per °C），他们估算出，在晴天，由于作物带来的降温（平均2.83°C），光伏发电效率可能提升1.13%至1.42%；在阴天，因降温（平均0.71°C）带来的效率提升约为0.28%至0.35%。这一理论推算与物理实验中观察到的3.05%-3.2%的发电量提升在趋势和量级上是基本吻合的，验证了“冷却提升效率”这一逻辑链条。
结论与意义
本研究的核心结论是：在热带城市屋顶环境中，将水培农业系统与光伏发电结合形成的农光互补系统，能够通过作物的蒸散作用有效改善局部微气候，降低光伏板的工作温度，从而提升光伏系统的发电效率。这种提升在阳光强烈的晴天更为显著。该系统为实现建筑屋顶空间在粮食生产和清洁能源发电方面的双重高效利用提供了一个可行的技术路径。
其科学价值在于，首次在热带气候、水培种植和城市屋顶的特定条件下，系统性地实证和模拟了农光互补系统的微气候调节效应及其对能源产出的量化收益。研究不仅提供了具体的降温数据和发电增益数据，还通过结合物理实验与ENVI-met模拟，建立了一套可用于评估此类系统性能的研究方法。应用价值则直接面向新加坡等土地稀缺的热带城市，为解决“粮食安全”与“能源转型”两大战略目标的空间竞争矛盾提供了创新思路和实证支持。研究表明，即使在空间受限的城市，通过智能设计实现基础设施的多功能叠加，可以产生“1+1>2”的协同效益。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 研究情境的创新性：聚焦于热带城市环境、屋顶空间以及水培技术这一特定组合，填补了现有农光互补研究多集中于温带气候和传统农田的空白。 2. 方法的综合性与严谨性：采用了“物理原型实验 + 计算机模拟验证与拓展”的双重研究路径。物理实验提供了真实世界的一手数据，而ENVI-met模拟则帮助理解了更广泛的机制并进行了情景分析，两者相互补充，增强了结论的可靠性。 3. 发现的具体性与启发性：不仅定性地证实了冷却效应，还定量地给出了光伏板温度降低值（晴天日均降2.83°C）、环境温度降低值以及由此推算和实测验证的发电效率提升百分比（约3%）。特别是指出了混凝土基底在特定天气下可能对微气候产生复杂影响，这对于未来系统的基底设计具有重要参考价值。 4. 明确的政策与实践指向性：研究直接回应了新加坡的国家发展目标（“30·30”和绿色计划），其结论可为城市规划者、建筑设计师和农业技术公司推动屋顶农光互补项目提供关键的科学依据和技术参数。
其他有价值的发现
研究还间接印证了水培系统在资源效率方面的优势，虽然这不是本研究的主要焦点，但作为背景被提及：水培系统可比传统土壤种植节省80-90%的水和55-85%的肥料，同时单位面积产量可提高100-250%。这进一步强化了在城市屋顶推行此类农光互补系统的可持续性论点。此外，研究也指出了当前工作的局限性，例如实验期间作物尚未完全成熟，其蒸散潜力可能未被完全激发；以及物理实验与模拟所使用的气象数据并非来自完全相同的日期。这些诚实的说明为后续更深入、更长期的研究指明了方向。
这项由新加坡理工大学团队完成的研究，为热带城市环境下的屋顶农光互补系统提供了坚实的科学证据，展示了其在缓和城市热岛效应、提高空间利用效率、同步促进能源安全和粮食安全方面的巨大潜力，是一项兼具学术创新和现实应用价值的优秀研究。