アグリボルタイクス

ドイツ、ドナウエッシンゲン近郊の東西方向の垂直太陽光パネルと両面モジュール。[ 1 ]

アグリボルタイクス（アグロフォトボルタイクス、アグリソーラー、またはデュアルユースソーラーとも呼ばれる）は、太陽エネルギーと農業のために土地を二重に利用することです。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

多くの農業活動は、作物、家畜、温室、花粉媒介者をサポートするための野生植物など、太陽光発電と組み合わせることができます。[ 5 ]農業用システムには、作物の間、作物の上、または温室の上に設置された太陽光パネルが含まれます。

太陽光パネルは植物の水分保持と温度低下に役立ち[ 6 ]、家畜の隠れ家としても機能します。二重利用により農家の収入源を多様化できます。

太陽光パネルは光を遮るため、二重使用システムでは作物の収穫量、作物の品質、エネルギー生産の間でトレードオフが発生します。[ 7 ]一部の作物/家畜は日陰が増えることで恩恵を受け、トレードオフを回避できます。[ 8 ]例えば緑の葉野菜、ウコンやショウガなどのスパイスなどですが、小麦、米、大豆、豆類などの主食作物はより多くの太陽光を必要とします。[ 9 ]

この概念は、一部の作物が日光の減少から恩恵を受けるという事実に基づいています。光飽和点とは、植物が吸収できる光子の最大量です。光子の量が増えても光合成速度は上がりません（光呼吸も参照）。

この技術は1981年にアドルフ・ゲッツベルガーとアーミン・ザストロウによって考案されました。 [ 10 ]

用語

ハワイのラナイ島の太陽光パネルの下の羊

この概念が最初に開発されたヨーロッパとアジアでは、「アグリボルタイクス」という用語は、農業機械がアクセスできるように太陽光パネルを地上約 5 メートルの高さに上げるマウントまたはケーブルのシステム、または温室の屋根の太陽光パネルなどの専用の二重使用技術に適用されます。

この概念はドイツの報告書では「アグロフォトボルタイクス」と呼ばれており[ 11 ] [ 12 ] 、日本語では「ソーラーシェアリング」と翻訳される用語が使われている[ 13 ]。

2019年までに、一部の研究者は、太陽光発電パネル内でのあらゆる農業活動（元々は二重利用を意図していなかった従来型の太陽光発電パネルも含む）を「アグリボルタイクス」という用語で表現し始めました。例えば、従来型の太陽光発電パネルであれば、改造することなく羊を放牧することができます。[ 14 ]同様に、納屋や家畜小屋の屋根に設置された太陽光パネルにもこの用語を適用する人もいます。[ 7 ]

アグリソーラー・コロケーションとは、太陽光発電と農業生産の統合と共同管理です。[ 15 ] [ 16 ]アグリソーラーには、アグリボルタイクスに加えて、隣接コロケーション[ 16 ]も含まれます。隣接コロケーションとは、農業内および隣接地に太陽光発電を設置することで、経済的回復力を高め、運用コストを相殺し、灌漑用水を節約するものです。エコボルタイクスとは、エネルギー生産と生態系サービスの両立を目的とした太陽光発電設備のことです。[ 17 ] [ 18 ]

フロート式太陽光発電（フロートボルタイク）とソーラーカナルは、既存の水域または水系インフラに太陽光発電システムを設置するものです。これらのシステムは、蒸発冷却によって蒸発損失を低減し、パネル効率を向上させることができます。[ 19 ] [ 20 ]

システム設計

3つの基本的なタイプは以下のとおりです。[ 2 ]

  • 作物の間
  • 作物の上
  • 温室

どのようなシステムでも、計画者はパネルと作物による太陽エネルギーの吸収を最大化するために、いくつかの変数を考慮します。最も重要なのはパネルの角度です。その他の要因としては、作物、パネルの高さ、日射量、気候などがあります。[ 2 ]

1982年の論文で、ゲッツバーガーとザストロウは北半球の農業発電設備を最適化する方法についていくつかのアイデアを発表しました。[ 10 ]

  • 固定パネルの場合は南向き、回転パネルの場合は西向き
  • 作物に十分な光が透過する間隔、
  • 地上全体の放射線量を均等にするために標高を調整します。

実験施設には通常、農作物の生育への影響を研究するために、農業地域と比較するための対照農業地域が設けられています。[ 21 ]

固定パネル

オーストリア、ドルンビルンのソーラーパネルの下にあるトマト

従来のシステムのほとんどは、温室の上、[ 22 ]畑の作物の上、または畑の作物の間に斜めの太陽光パネルを設置します。[ 23 ]

垂直システム

両面モジュールを使用した垂直設置システムは、フェンスや別の支柱に設置できます。[ 24 ]モジュールは通常、フェンスの支柱の間に設置されます。南向きの垂直パネルの収率は 76% で、多くの場合、平準化原価が低くなります。[ 24 ]ある調査によると、クロスオーバーフェンスの長さが 30 メートル未満の場合、またはシステムが小さい場合はマイクロインバータのパフォーマンスが向上しましたが、フェンスが長い場合はストリングインバータの方が優れていることが報告されています。 [ 25 ]シミュレーション調査では、モジュール列の間隔がパネル出力に大きな影響を与えることが報告されています。[ 23 ]持続可能な材料で作られたオープンソースの木製ラックは、手工具で作ることができます。ラックはパネルに合わせて 25 年の寿命があり、強風や大雪にも耐えることができます。[ 26 ]

統合型

ハイドロゲルを利用した統合システムは、大気中の水生成器として機能し、夜間に水蒸気を凝縮して灌漑やパネルの冷却に利用することができます。[ 27 ] [ 28 ]

動的

最も初期のアグリボルタイクシステムは、コンクリート基礎のない架台の上に細いパイプで設置されたパネルを使用して日本で構築されました。このシステムは取り外し可能で軽量であり、パネルは季節に応じて移動または調整することができました。広い間隔により風圧が低減されました。[ 13 ]

あるいは、太陽追跡システムは、農業生産や電力生産を重視するためにパネルの向きを自動的に最適化することができます。[ 29 ]

2004年、チャルウンはロープラックを用いた追跡システムを提案した。パネルの向きを変えることができる。最初のプロトタイプは2007年にオーストリアで製作された。[ 30 ] REM TECはイタリアと中国に二軸追跡システムを備えたプラントを配備した。同社は温室向けに同等のシステムを開発している。[ 31 ]

Sun'R社とAgrivolta社は、植物生育モデル、天気予報、計算・最適化ソフトウェアを組み込んだ単軸追跡システムを開発している。Agrivolta社の装置は、スライド式で取り外し可能な南向きのパネルを備えている。[ 32 ]日本の企業は、別の追跡システムを開発している。[ 33 ]

Insolight社は、モジュールを静止状態に保つための統合型トラッキングシステムを備えた半透明モジュールを開発しています。このモジュールは、レンズを用いて光をパネルに集光し、透過光量を調整する動的透過システムを備えています。[ 34 ]

アルティジャンファーは、可動シャッターにソーラーパネルを設置した太陽光発電温室を開発した。[ 35 ]

スペクトル選択モジュール

2015年、ウェン・リューは、作物の光合成に必要な青色と赤色の波長を選択的に透過する二色性ポリマーフィルムで覆われた曲面ガラスパネルを提案した。他の波長は反射され、太陽電池に集光され、デュアルトラッキングシステムを用いて発電する。作物は光合成に必要な波長だけを受け取るため、影の影響は排除される。この技術は、R&D100賞（2017年）など、数々の賞を受賞している。[ 36 ] [ 37 ]

新しい太陽光発電技術は、室内の植物に必要な波長を通し、他の波長を使って発電するものであり、将来的には温室でも利用されるようになるかもしれない。

作物の収穫量と発電量に最適な色合いと透明度を選択するには、実験が必要です。[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]半透明パネルは、透明なバックシートを使用することで、その下の食料生産を促進します。このオプションでは、固定パネルにより太陽光が下の植物に降り注ぐため、過度の露出を軽減できます。[ 41 ]

放牧

羊の飼育と組み合わせたアグロボルタイクス。ニュージーランドのOur Land and Waterからの短いビデオ

パネルの下で家畜を放牧することで[ 42 ]、パネルを日陰にする植生を抑制します。[ 43 ] この取り組みは2010年代にイギリスで始まりました。[ 44 ]

羊は草食動物として最も一般的な選択肢です。[ 45 ] [ 43 ]その見返りとして、羊やヤギは飼料と日陰を得ます。[ 46 ]システム運営者は通常、羊をレンタルしますが、これは草刈りよりも費用がかかりません。研究によると、収穫量は多い[ 47 ]か、収穫量は少ないものの飼料の質は高く、開放牧草地と同等の春子羊の生産量を達成できることが報告されています。[ 48 ] [ 46 ]オーストラリアでは、放牧により羊毛の量と質が向上します。[ 49 ]

インフラへの潜在的な損害に対する懸念もあり、牛を飼育する施設は比較的少ない。[ 45 ]

アメリカのソーラー・グレージング団体はこの実践を支持している。[ 50 ]

影響と相互作用

アグリボルタイクスはさまざまな方法で作物や土地に影響を与えます。

ライト

アグリボルタイクスは、日陰を必要とし、日光が制限要因とならない植物にのみ有効です。日陰作物は農業生産性のごくわずかな割合を占めるに過ぎません。[ 2 ]例えば、小麦は低光量環境では収穫量が低下することが示されています。[ 2 ]

水

カリフォルニアの砂漠で、灌漑によって灌漑された耐陰性作物であるキュウリとレタスの太陽光パネル下の蒸発レベルをテストした実験では、蒸発が14～29％節約されたことがわかりました。[ 2 ]アリゾナの砂漠での同様の研究では、特定の作物で50％の節水が実証されました。[ 51 ]オーストラリアの試験では、太陽光パネルはパネルの下で結露することで芝生に水を供給できることが分かりました。[ 49 ]

北半球の高緯度気候においては、アグリボルタイクスは作物の微気候にプラス面とマイナス面の両方の影響を与えると予想されており、純益は伴わない。湿度と病害の増加によって品質が低下し、農薬への支出が増える一方で、気温変動が緩和され、収穫量が向上する。一方、降水量が少ない、あるいは不安定で、気温変動が大きく、人工灌漑の機会が少ない国では、このようなシステムは微気候の質に有益な影響を与えると期待されている。[ 52 ]

熱

太陽光パネル下の土地、空気、そして作物の生育期における温度に関する研究が行われました。パネル下の空気の温度は一定であったものの、土地と作物の温度は低いことが分かりました。[ 2 ]

土地利用

土地を農業とエネルギー生産に二重に利用することで、土地資源をめぐる競争が緩和され、農地や自然地域を太陽光発電所に開発したり、自然地域を農地に転換したりする圧力が軽減される可能性がある。[ 10 ] 2011年にDuprazらが行った初期シミュレーションでは、「アグリボルタイクス」という言葉が初めて使われたが、土地利用効率は60～70％（主に太陽放射の利用に関して）増加する可能性があると計算された。[ 2 ] [ 53 ]アグリボルタイクスの中心的な社会政治的機会には、農家の収入の多様化、地域社会との関係強化とPV開発者の受容、そして世界人口のエネルギー需要と排出量の削減などがある。[ 3 ] [ 54 ]

一般的に太陽光発電の重要な要因としてしばしば挙げられる欠点は、食料生産用の農地を太陽光パネルに置き換えることである。[ 55 ] [ 52 ]耕作地は、太陽光パネルが最も効率的に設置される土地と同じ種類の土地である。[ 55 ]太陽光発電所である程度農業を行うことはできるが、アグリボルタイクスでは生産量が減少する可能性がある。[ 52 ] [ 56 ]カリフォルニアのレタスなど、状況によっては一部の作物は収穫量の点で日陰の影響を受けないように見えるが[ 2 ] [ 55 ]構造物やシステム機器を設置するためにいくらかの土地が犠牲になる。[ 52 ]

社会的許可

アグリボルタイクスは、再生可能エネルギー開発者にとって課題となっているPVシステムに対するNIMBY主義を克服することができる。[ 57 ]米国の調査研究は、エネルギーと農業生産をアグリボルタイクスシステムで組み合わせた場合に太陽光発電開発に対する国民の支持が増加するかどうかを評価した結果、回答者の81.8％が、農業生産を統合した場合、自分のコミュニティでの太陽光発電開発を支持する可能性が高いことがわかった。[ 58 ] Dineshらのモデルによると、日陰に強い作物の生産と組み合わせた太陽光発電の価値により、従来の農業の代わりにアグリボルタイクスシステムを導入した農場から30％以上の経済的価値の増加が生み出された。[ 59 ]アグリボルタイクスは、それが作り出す微気候と熱と水の流れの制御という副作用により、夏の作物に有益である可能性がある。[ 60 ]アグリボルタイクスは、従来の農業やPVシステムよりも環境的に優れている。ライフサイクル分析研究によると、牧草地をベースとした農業システムは、非統合型生産システムと比較して、温室効果ガス排出量が69.3%削減され、化石エネルギーの必要量が82.9%削減されるという二重の相乗効果を特徴としていることがわかりました。[ 61 ]

作物

多くの作物において収穫量の増加が見られました。

エネルギー生産

農業用温室は従来の太陽光発電パネルよりも効率が低い。ある研究では、屋根の半分をパネルで覆った温室をシミュレーションした結果、作物の収穫量は64%、パネルの出力は84%低下した。[ 76 ]

ある研究では、農家がアグリボルタイクスを導入する上での障壁として、土地生産性、市場ポテンシャル、補償の不確実性、そして様々な規模、事業の種類、変化する農業慣行に対応するための事前に設計されたシステムの柔軟性の必要性などが報告されている。[ 77 ]

経済

作物の上にあるシステムによって生成される日陰は、一部の作物の生産量を減少させる可能性がありますが、そのような損失は生産されるエネルギーによって相殺される可能性があります。[ 78 ] 2025年現在、中国と日本以外で商業的に実行可能なシステムは知られていません。[ 79 ]アグリボルタイクスは乾燥地域でより有利であると報告されています。[ 80 ]

経済的実現可能性において最も重要な要素はパネルの設置コストである。[ 81 ]

資本コスト

アグリボルタイクスは、従来のシステムとは異なり、パネルアレイ、農業機械、電力インフラ、そして場合によっては保険への初期投資を必要とします。ドイツでは、資本コストの高さから、このようなシステムの資金調達は困難です。[ 52 ]

運用コスト

太陽光発電システムは技術的に複雑であり、維持管理には専門家の支援が必要になる場合があります。ドイツでは、人件費が約3%高くなると予想されていました。[ 52 ]

歴史

1981年にフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所を設立したアドルフ・ゲッツベルガーは、1982年にアーミン・ザストロウとともに、太陽エネルギー生産と植物栽培のための耕作地の二重利用について理論化した。その目的は、太陽エネルギー生産と作物の間で耕作地の利用をめぐる競争に対処することであった。[ 10 ] [ 82 ]

長島昭氏も太陽光と農業を組み合わせて余剰光を利用することを提案し、2004年に日本で最初の試作品を開発した。 [ 13 ]

「アグリボルタイク」という用語は2011年の出版物で初めて登場した。[ 53 ]

2000年代初頭、ヨーロッパでは実験的な太陽光発電温室が建設され、温室の屋根の一部が太陽光パネルに置き換えられました。オーストリアでは2007年に小規模な実験的な露地農業用太陽光発電システムが建設され[ 30 ] 、その後イタリアで2つの実験が行われました[ 83 ]。フランスとドイツでも実験が続きました[ 84 ] 。

参照

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