TWI751001B

TWI751001B - 農電共生系統及方法

Info

Publication number: TWI751001B
Application number: TW110102121A
Authority: TW
Inventors: 江明煌; 吳佳霖
Original assignee: 元創能源股份有限公司
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-12-21
Also published as: TW202230961A

Abstract

一種農電共生系統，包含複數太陽能棚架及複數農作物。該等太陽能棚架沿一橫方向排列，每一太陽能棚架界定一作物空間，並包括一棚架、一太陽能單元，及一光穿透擴散單元，該太陽能單元架設於該棚架頂端且用以接收太陽能而發電，該光穿透擴散單元與該太陽能單元並列設置於該棚架頂端，該光穿透擴散單元為可透光材質，且使光線穿透後擴散。該等農作物種植於該等作物空間。藉此，原本在該等太陽能單元遮蔽下的區域，也可以藉由該光穿透擴散單元將光線擴散而得到陽光照射，因此，可以兼顧太陽能發電效益與作物生產質量。

Description

農電共生系統及方法

本發明是有關於一種綠能設施及方法，特別是指一種農電共生系統及方法。

隨著全球對環境保境的重視，綠色能源已成為台灣能源發展目標之一。然而，由於台灣土地面積有限，發展綠色能源的土地需求難免與農業發展相互衝突，因此，發展能共用土地的農業及綠色能源(即，農電共構設施)之共構設施，即為台灣綠能首要研究目標之一。

農電共構設施(如，太陽光電)中，因設置太陽能板而形成的遮蔽率、非常態光穿透率，會造成設施內部的光照、溫度、濕度、風速及風向等微氣象環境的變化與變異，並進一步影響設施內部土壤與生物環境，最終影響栽培作物的生產質量。當農電共構設施存在高太陽能板遮蔽率問題，在過高的遮蔽率造成光照不足的情況下，農電共構設施將造成農作物生理代謝機能異常，生長速度受到抑制、發育遲緩、果實尺寸數量受限等問題，進而顯著降低作物的生產質量。

為了讓作物能得到充分陽光，現行的解決方式為：將太陽能板加高以增加側向入光，或是設置可移動式的太陽能板，然而，前者需要增加棚架高度，且須提高棚架的鋼構強度才能支撐增高後的架構，而後者須搭配設置移動軌道及電動控制模組，兩者都會使成本大幅提升。

因此，本發明之目的，即在提供一種可兼顧發電效益、作物生產質量，且成本較低的農電共生系統。

於是，本發明農電共生系統，包含複數太陽能棚架及複數農作物。

該等太陽能棚架沿一橫方向排列為至少一列，每一太陽能棚架界定一作物空間，並包括一棚架、一太陽能單元，及一光穿透擴散單元，該太陽能單元架設於該棚架頂端且用以接收太陽能而發電，該光穿透擴散單元與該太陽能單元並列設置於該棚架頂端，該光穿透擴散單元為可透光材質，且使光線穿透後擴散入該作物空間。

該等農作物種植於該等作物空間。

因此，本發明之目的，即在提供一種可兼顧發電效益、作物生產質量，且成本較低的農電共生方法。

於是，本發明農電共生方法，包含下列步驟：

(A)製備如請求項1~8中任一項所述的農電共生系統。

(B)於5月上旬至10月中旬於該等作物空間種植短期葉菜。

於是，本發明農電共生方法，包含下列步驟：

(C)製備如請求項1~8中任一項所述的農電共生系統。

(D)於10月上旬至11月中旬於該等作物空間種植大蒜，並於3月上旬至4月中旬採收。

本發明之功效在於：藉由於每一該棚架頂端設置該光穿透擴散單元，原本在該太陽能單元遮蔽下的區域，也可以藉由該光穿透擴散單元將光線擴散而得到陽光照射，因此，可以兼顧太陽能發電效益與作物生產質量，並且，還具有成本較低、便於推廣的功效。再者，藉由選用適合於台灣氣候及日照需求較少的短期葉菜或大蒜，並搭配其合適的時節進行種植，可以減少氣溫變化、短時強降雨等對農作物的傷害，進而提高農作物的產量及品質。

參閱圖1~圖4，本發明農電共生系統之一實施例，包含複數太陽能棚架2及複數農作物3。

該等太陽能棚架2沿一橫方向X排列為列，並沿一相交於該橫方向X的前後方向Y排列為複數列。其中，該等太陽能棚架2所排列的列數可依實際需求而變化，亦可僅沿該橫方向X排列為一列。

每一太陽能棚架2界定一作物空間21，並包括一棚架22、一太陽能單元23，及一光穿透擴散單元24。其中，每一太陽能棚架2較佳是還包含一澆水單元27(如圖3所示)。其中，每一太陽能棚架2較佳是配合太陽的運行軌跡而呈前低後高，定義每前後相鄰兩列的距離為L，每一太陽能棚架2後端之高度為h，較佳是設計L＞1.43h。或者是設計每一太陽能棚架2後端之頂端至後一列的該太陽能棚架2前端之底端的連線，與鉛直線的夾角θ1大於55度。如此，可避免前列的該太陽能棚架2遮擋到後列的該太陽能棚架2之陽光。其中，圖3中之粗黑箭頭即為陽光之示意。

該棚架22包括複數立柱221，及一設置於該等立柱221頂部並供該等太陽能單元23與該光穿透擴散單元24設置的頂架部222。該等立柱221與該頂架部222共同界定用以供該等農作物3生長的該作物空間21。該等立柱221可使用水泥杆柱或熱浸鍍鋅C型鋼實施，該頂架部222可使用熱浸鍍鋅C型鋼實施。

該頂架部222之設置平面S可搭配該等太陽能單元23之受光平面R的角度設置，例如，以設置在台灣為例，考量台灣的緯度，其設置平面S與水平面P之夾角θ2較佳是介於0~25度間，更佳是介於5~8度間，如此，可提升颱風時期抗強風的效果，並且，其設置平面S較佳是實質上朝向南方，且其設置平面S之法線與正南方之水平角介於-5~5度間為佳。即，搭配台灣的地理位置，該前後方向Y實質上為南北方向。

該等太陽能單元23(Photovoltaic Module)架設於該棚架22頂端，並包括複數太陽能模組231，該等太陽能模組231用以接收太陽能而發電。由於本案所屬技術領域中具有通常知識者可依實際需求選擇合適類型的太陽能單元23使用，因此，在此不贅述細節。

其中，該等太陽能單元23較佳是根據設置地點而調整其受光平面R之角度，例如，以設置在台灣為例，考量台灣的緯度，其受光平面R與水平面P之夾角θ3較佳是介於0~25度間，更佳是介於5~8度間，如此，可提升颱風時期抗強風的效果，並且，其受光平面R較佳是實質上朝向南方，且其受光平面R之法線與正南方之水平角介於-5~5度間為佳。

該光穿透擴散單元24與該太陽能單元23並列設置於該棚架22頂端，該光穿透擴散單元24包括至少一光穿透擴散模組241。該光穿透擴散單元24為可透光材質，且使光線穿透後擴散入該作物空間21。

該至少一光穿透擴散模組241與該等太陽能模組231交錯排列於該棚架22頂端。例如，可如圖4所示，該光穿透擴散單元24是包括一光穿透擴散模組241，該光穿透擴散單元24位於該棚架22(見圖3)頂端之中央位置，並位於該等太陽能模組231間。或是如圖5所示，該太陽能單元23包括複數太陽能模組231且該光穿透擴散單元24包括複數光穿透擴散模組241，該等太陽能模組231與該等光穿透擴散模組241沿該前後方向Y(也可以是沿該橫方向X)交錯排列。或如圖6所示，該等太陽能模組231與該等光穿透擴散模組241呈棋盤狀交錯排列。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可依實際需求而選擇該等太陽能模組231與該等光穿透擴散模組241之數量，例如，當具有在該作物空間21(見圖3)中設置大型機具的需求而需架設較大的棚架22時，則須搭配該棚架22的尺寸設置較多數量的該等太陽能模組231與該等光穿透擴散模組241。

所述可透光材質例如是使用玻璃、PET(polyethylene terephthalate，對苯二甲酸乙二酯)、PS(Polystyrene，聚苯乙烯)、PE(polyethylene，聚乙烯)、PP(Polypropylene，聚丙烯)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PVC(Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯)、PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，又稱壓克力)、MMA(methyl methacrylate，甲基丙烯酸甲酯)其中之一或其組合。

參閱圖3，該光穿透擴散單元24可透過將表面經磨砂處理、或形成壓紋、或經雷射雕刻，或前述任兩者之組合，或前述三者之組合，而使光線穿透後擴散。該光穿透擴散單元24較佳使用繞射光學元件(Diffraction Optical Element，縮寫為DOE)實施，可以兼顧光擴散效果及具有較輕薄的重量體積。其中，可根據實際需求而選擇該光穿透擴散單元24之實施樣態，例如，使用磨砂處理價格低且效果良好，熱壓形成壓紋、或雷射雕刻、或精密射出成型價格較高但具有較佳的指向性，可以精密控制光線的散射方向。

所述使光線穿透後擴散，定義該等農作物3之頂端平面為一作物平面H，該光穿透擴散單元24使陽光(圖3中上方之粗黑箭頭)穿透後擴散，且擴散後之光線(圖3中虛線線頭)於該作物平面H上的照射面積不小於該等農作物3於該作物平面H之投影面積。如圖3中所示，該作物平面H通常為水平面，且趨近於該棚架22在該等農作物3之頂端高度的水平截面。藉此，可使在該太陽能單元23下方的該等農作物3，仍可獲得充分的陽光照射。

其中，於每一太陽能棚架2中，該光穿透擴散單元24與該等太陽能單元23之頂面面積比例較佳是介於1：1至1：2間。實際應用時，可根據該光穿透擴散單元24的光擴散效果及所需的照射面積而進行調整。如此，可以兼顧太陽能的發電效益及該棚架22內種植之該等農作物3所需的光線能量。

參閱圖7，其中，該光穿透擴散單元24較佳是還包括至少一抗反射膜25(Anti-reflection)，該至少一抗反射膜25數量相同於該至少一光穿透擴散模組241之數量，且設置於該至少一光穿透擴散模組241之頂面，該至少一抗反射膜25用於減少反射損耗以增加穿透率。

其中，每一太陽能棚架2(見圖3)較佳還包含一設置於該光穿透擴散單元24上方的聚光單元26，該聚光單元26為可透光材質，聚集光線(圖7及圖8中之假想線箭頭)而進入下方之該光穿透擴散單元24。該聚光單元26可如圖7所示為一凸透鏡架構，或可使用半圓柱形實施，或如圖8所示呈複數小凸透鏡架構，或使用繞射光學元件製作，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可依實際需求而選用，並不限於此。

參閱圖3，該澆水單元27設置於該棚架22，用以朝該棚架22內部的該等農作物3澆水，當該棚架22外部亦種植有該等農作物3時，該澆水單元27也可設置為朝該棚架22外部的該等農作物3澆水。該澆水單元27可以設置為手動或是自動定時供水，且可將該澆水單元27設置為電連接至該等太陽能單元23，並使用該等太陽能單元23所產生之電能提供該澆水單元27使用。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

該等農作物3種植於該等作物空間21。其中，該等農作物3較佳是選用半日照農作物，並且，因應台灣之氣候，較佳是選用大蒜或短期葉菜。

本發明農電共生方法之一實施例包含以下步驟：

步驟41：製備如上述的農電共生系統。

接著，執行下列步驟42、43其中之一或其組合。

步驟42：於5月上旬至10月中旬於該等作物空間21種植短期葉菜。

例如，可種植十字花科非結球葉菜(如小白菜、青江白菜、芥藍、油菜、小芥菜、葉用蘿蔔、甘藍芽、芥藍芽、芝麻菜、京都水菜、青油菜、青松菜、塔菇菜）、蕹菜、茼蒿、春菊(日本茼蒿)、菾菜、莧菜等常見蔬菜。

由於台灣每年5月1日至11月30日間為防汛期，此段時間中，是台灣雨量最豐沛的梅雨及颱風季節，短時強降雨會影響葉菜生長並減損收成，該等棚架22及上方之該等太陽能單元23與該等光穿透擴散單元24可有效保護下方之作物，減少風雨對菜葉的損傷，而透過該等光穿透擴散單元24使光線均勻分布，可讓該等棚架22內的所有葉菜類作物都可以獲得足夠陽光而正常生長。

步驟43：於10月上旬至11月中旬於該等作物空間21種植大蒜，並於3月上旬至4月中旬採收。

例如，可種植大片黑、印尼早生、花蒜等品種，並可選用其中之一或其組合進行栽種。

由於近年來因氣候變遷，溫度整體升高且變化幅度大(忽冷忽熱)，影響大蒜正常生長收成，本實施例可藉該等太陽能單元23吸收光能而有效降低底部溫度，並透過該等光穿透擴散單元24使光線均勻分布，讓原本被該等太陽能單元23遮蔽下的大蒜也能正常生長，能避免溫差導致蒜葉提早變黃、結球不正常等情形。

經由以上的說明，本實施例的功效如下：

一、藉由設置該等太陽能棚架2，且於該棚架22頂端並列設置該太陽能單元23與該光穿透擴散單元24，可使入射之太陽光的光線在穿透該光穿透擴散單元24後擴散。如此，即使原本在該等太陽能單元23遮蔽下的區域，也可以藉由該光穿透擴散單元24將光線擴散而得到陽光照射(如圖3右側之該太陽能棚架2所示)，因此，可以在兼顧太陽能發電效益的情況下，還能讓該等農作物3能得到足夠陽光照射，而能達到穩定的生產質量。並且，相較於習知利用增加棚架高度或是設置移動軌道的方式，本實施例還具有成本較低、便於推廣的功效。

二、藉由選用適合於台灣氣候及日照需求較少的半日照農作物如大蒜或短期葉菜等，並搭配其合適的時節進行種植，可以減少氣溫變化、短時強降雨等對該等農作物3的傷害，進而提高該等農作物3的產量及品質。

三、藉由設置前後列的太陽能棚架2之距離與高度的比例為L＞1.43h，或是設置前後列的太陽能棚架2之連線與鉛直線的夾角大於55度，可以避免前列的太陽能棚架2遮擋到後列的太陽能棚架2之陽光，因此，可使每一列的太陽能棚架2都可以獲得充足的陽光照射。

綜上所述，本發明農電共生系統及方法，確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2:太陽能棚架 21:作物空間 22:棚架 221:立柱 222:頂架部 23:太陽能單元 231:太陽能模組 24:光穿透擴散單元 241:光穿透擴散模組 25:抗反射膜 26:聚光單元 27:澆水單元 3:農作物 R:受光平面 S:設置平面 P:水平面 H:作物平面 X:橫方向 Y:前後方向 θ1:太陽能棚架連線與鉛直線之夾角 θ2:設置平面與水平面之夾角 θ3:受光平面與水平面之夾角 L:前後相鄰兩列的距離 h:太陽能棚架後端之高度

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明農電共生系統的一實施例的一俯視示意圖；圖2是該實施例的一側視示意圖；圖3是該實施例的前後列之太陽能棚架的一側視示意圖；圖4、圖5、圖6是該實施例的一太陽能棚架的各種樣態的俯視示意圖；圖7是該實施例的一聚光單元設置於一光穿透擴散模組上方的示意圖；及圖8是該實施例的該聚光單元的另一種樣態設置於該光穿透擴散模組上方的示意圖。

2:太陽能棚架

21:作物空間

22:棚架

221:立柱

222:頂架部

23:太陽能單元

231:太陽能模組

24:光穿透擴散單元

241:光穿透擴散模組

27:澆水單元

3:農作物

R:受光平面

S:設置平面

P:水平面

H:作物平面

θ1:太陽能棚架連線與鉛直線之夾角

θ2:設置平面與水平面之夾角

θ3:受光平面與水平面之夾角

L:前後相鄰兩列的距離

h:太陽能棚架後端之高度

Claims

一種農電共生系統，包含：複數太陽能棚架，沿一橫方向排列為至少一列，並沿一相交於該橫方向的前後方向排列為複數列，每一太陽能棚架呈前低後高，定義每前後相鄰兩列的距離為L，每一太陽能棚架後端之高度為h，L>1.43h，每一太陽能棚架後端之頂端至後一列的該太陽能棚架前端之底端的連線，與鉛直線的夾角大於55度，每一太陽能棚架界定一作物空間，並包括一棚架、一太陽能單元，及一光穿透擴散單元，該太陽能單元架設於該棚架頂端且用以接收太陽能而發電，該光穿透擴散單元與該太陽能單元沿該前後方向排列設置於該棚架頂端且沿一南北方向傾斜，該光穿透擴散單元為可透光材質，且使光線穿透後擴散入該作物空間；及複數農作物，種植於該等作物空間。
如請求項1所述的農電共生系統，其中，每一光穿透擴散單元之材質為玻璃、PET、PS、PE、PP、PC、PVC、PMMA、MMA其中之一或其組合。
如請求項1所述的農電共生系統，其中，每一光穿透擴散單元之表面經磨砂處理、或具有壓紋、或經雷射雕刻，或前述任兩者之組合，或前述三者之組合。
如請求項1所述的農電共生系統，其中，該等農作物為半日照農作物。
如請求項4所述的農電共生系統，其中，該等農作物為大蒜或短期葉菜。
如請求項4所述的農電共生系統，其中，該等農作物為大片黑、印尼早生、花蒜其中之一或其組合。
一種農電共生方法，包含下列步驟：(A)製備如請求項1~6中任一項所述的農電共生系統；及(B)於5月上旬至10月中旬於該等作物空間種植短期葉菜。
一種農電共生方法，包含下列步驟：(C)製備如請求項1~6中任一項所述的農電共生系統；及(D)於10月上旬至11月中旬於該等作物空間種植大蒜，並於3月上旬至4月中旬採收。