可折疊自動化有機光電系統之實證研究：兼具作物生產效益與綠能發電能力的智慧溫室設計與應用



一、前言

在全球暖化持續加劇的背景下，強降雨與長期乾旱等極端天氣事件預期將更為頻繁，並可能引發糧食短缺，因此如何降低其對農業生產的衝擊已成為當前重要課題。溫室栽培能有效保護作物免受強風與豪雨損害，並具延長採收期、降低灌溉需求與減少農藥使用等優點。然而，由於溫室需建置相關基礎設施並依賴環境控制系統，其能源消耗遠高於露天栽培，導致碳排放增加，與全球減碳趨勢相悖，進而對溫室栽培的永續性形成挑戰。

        農業光電（agrivoltaics）係指在農地上同時進行作物栽培與太陽光電發電之生產模式，近年來逐漸被視為提升土地利用效率與整合農能生產的可行途徑。溫室光電（photovoltaic greenhouses）為其中一種配置方式，將太陽光電模組直接整合於溫室結構中，作為傳統溫室生產的永續替代方案。值得一提的是，具光譜選擇性吸收（spectrally selective absorption）的半透明光電模組，可進一步提升溫室光電系統的可行性；其吸收光譜可設計於光合有效輻射（400–700 nm）以外的波段，使其更適用於溫室環境。此外，此類模組亦具備與輕量、非玻璃基板（如可撓式高分子薄膜）相容之優勢，可降低結構載重並提升機械可撓性。

        半透明光電依其電池架構所使用的材料，可分為許多類型，包括碲化鎘（CdTe）太陽電池、有機光電（OPV，Organic Photovoltaics）電池、鈣鈦礦太陽電池與染料敏化太陽電池等。其中，OPV電池近年在能量轉換效率（Power Conversion Efficiency，PCE）已可達約 20%，部分模組的預期壽命可超過30年，顯示其具備耐久性與長期建置的潛力；此外，新型的捲對捲（roll-to-roll）印刷製程的發展大幅降低製造與量產成本，使具輕量與可撓特性的OPV更能廣泛應用於各類溫室結構。

        OPV在能源發電與作物生產之間具有明顯的權衡關係；當提高模組透光率時，雖可減輕高光需求作物（如番茄）因光照不足所受的負面影響，但也會同步降低能量轉換效率。因此，如何在發電效益與作物光需求之間取得適當平衡，仍是OPV整合式溫室系統的核心挑戰。

        鑑於臺灣位處亞熱帶地區、日照強度高，許多溫室需以遮光網降低溫度以避免作物熱緊迫，輕量且可撓式的OPV因此具備高度應用潛力，可同時取代傳統遮光材料並提供潔淨能源，成為亞熱帶與熱帶地區溫室系統的永續發展方向。

二、研究方法

（一）有機光電溫室與對照溫室之建置

        本研究於臺灣進行，實驗場域包含兩棟規格一致之溫室，皆採標準圓拱形屋頂設計，尺寸為長 12 公尺、寬 5 公尺、高 4.3 公尺，並沿南北軸向配置以獲得較佳日照條件。每棟溫室內設置四道獨立栽培畦床，畦床下方設有排水收集槽，用以蒐集滴灌系統滲漏水，供後續用水量與水質分析使用。溫室覆蓋材料包括 32 目防蟲網與厚度 0.18 mm 的透明塑膠膜，並搭配自動化捲簾系統以調節通風與遮蔭。 兩棟溫室皆配置智慧環境控制系統，可自動監控滴灌、捲簾、循環風扇與遮光網等子系統，並各自搭載一組氣象感測設備，同步記錄即時耗能量與耗水量，以掌握溫室內部環境變化。

由於OPV模組透光率通常介於 10% 至 20%，過去多將其直接整合於溫室塑膠膜上；然而，大面積覆蓋可能減少光合有效輻射（PAR）之可用量，進而抑制作物產量。為此，本研究開發自動化可折疊OPV系統，利用其輕量與可撓特性，取代傳統遮光網功能。系統由OPV模組串聯並安裝於可撓性支撐結構上，可透過自動馬達於「展開」（遮蔭與發電最大化）與「V 字形折疊」（增加透光）間切換，並與智慧環境控制系統整合，可依氣候與作物需求即時調整。OPV 溫室屋頂安裝 80 片模組，東西兩側各垂直安裝 16 片；對照溫室則維持傳統遮光網配置。

本研究所使用之OPV模組尺寸為 1.48 × 0.47 公尺、重量 1.2 公斤、透光率 18%；其發電量則結合現場實測之氣象資料（氣溫、濕度、輻照度、風速）進行模擬計算。實驗作物選用香瓜，均勻配置於各栽培畦床，每棟溫室共種植 96 株，並透過自動化環境控制系統（灌溉、循環風扇、捲簾）操作，以確保栽培條件穩定且最佳化。

（二）有機光電系統的微氣候調節機制及其對作物生產條件的提升作用

圖1 傳統溫室（左）與有機光電系統溫室（右）外觀對照圖

本研究的兩棟溫室皆於實驗期間連續 5 天全日展開頂部遮蔭設施與OPV模組，並利用氣象觀測器持續蒐集溫室內外之微氣候資料，以作為後續分析之用。

1. 遮光效能：OPV 模組相較傳統遮光網，在白天呈現稍高的太陽輻照度、光合光量子通量密度（PPFD）與相對濕度，且氣溫顯著較低。

2. 光譜品質量測：相較傳統遮光網，有機光電系統可透射更多太陽輻射，尤其在 400–600 nm 波段，此區段為光合作用與作物生長最重要的光譜。

3. 輻照度空間均勻性：感測器紀錄顯示，兩棟溫室的輻照度變化趨勢大致一致。

整體而言，結果顯示考量最佳化OPV展開時機，OPV系統在微氣候調節方面優於傳統遮光網溫室，能維持較高的光合光量子通量密度與良好光譜條件，同時降低溫室內部溫度。此雙重功能提供更高效率且節能的溫室氣候管理方案，特別適用於日照強、高溫地區。

此外，進一步調整OPV系統的展開時長並觀測其微氣候反應後可發現，彈性化的操作策略能有效提升OPV溫室在微氣候調適、能源效率與季節性管理上的整體表現。考量臺灣太陽輻照度通常於 11–15 時達到高峰，秋冬季僅於每日 12–18 時展開OPV系統，而夏季則採全日展開模式。 與傳統遮光網溫室相比，OPV系統於夏季全日展開時，日均太陽輻照度與光合光量子通量密度（PPFD）分別降至對照值的 58% 與 45%；於秋冬季部分展開時，則提升至對照值的 77% 與 65%。在氣溫方面，OPV 溫室的日均溫皆較傳統遮光網溫室低 2°C，而相對濕度則穩定略高。

（三）有機光電系統之展開時長對溫室作物產量的影響

本研究比較OPV溫室與傳統遮光網溫室中香瓜葉片的光合作用速率，以評估OPV系統對作物生理的影響。結果顯示：

1. 夏季全日展開（24 小時）：香瓜平均鮮重下降 36%、平均乾重下降 46%，顯示長時間遮蔭會抑制作物光合作用並限制碳水化合物累積，進而降低產量。

2. 秋冬季部分展開（6 小時）：香瓜平均鮮重略增 7%、平均乾重增加 26%，果型亦略大（見圖 2）。此結果顯示，若能最佳化OPV的展開時機（尤其在日照尖峰時段），可降低對作物生產力的負面影響，同時維持再生能源發電效益。

圖2 秋冬季種植的傳統溫室香瓜（左）與有機光電溫室香瓜（右）對照圖

本研究發現，自動化可折疊OPV系統在操作上具有明顯的取捨關係：長時間展開雖有助於降低高溫逆境與能源損耗，但也會因光照受限而抑制作物生長。然而，若能依據季節光照條件設計最佳化的展開排程，則可有效平衡此矛盾，既能提升香瓜產量，又能維持OPV系統的再生能源發電效益。

（四）有機光電溫室的用水效率、能源中和表現與減碳效益評估

兩棟溫室的能源消耗主要來自塑膠捲簾系統的馬達驅動裝置、輸送營養液的滴灌泵浦、循環風扇、環境監測與調控系統，以及操作OPV或遮光系統展開／收合的控制裝置。上述設備皆為維持作物栽培所必需，因此其耗電量可直接反映溫室在實際栽培過程中的能源需求。

1. 用水效率比較結果顯示，無論在夏季或秋冬季節，OPV 溫室的用水量皆低於傳統遮光網溫室。其主要原因在於OPV系統能有效降低溫室內部溫度並提高相對濕度，從而減少作物與環境的水分蒸散需求。

表1 夏季、秋冬的植株用水量對照表

2.OPV溫室雖需額外電力以驅動自動展開機制及環境控制系統，但其所產生的再生能源總量在夏季與秋冬兩個作期均高於溫室的實際耗電量。換言之，OPV 系統能在不同季節下皆達成能源中和（energy‑neutral），展現其在能源永續上的優勢。

表2  OPV溫室於夏季、秋冬的能源平衡對照表

3. 有機光電溫室的減碳評估：本研究進行生命週期評估（LCA），以單位香瓜產量的碳足跡作為比較基準。結果顯示，相較於需仰賴電網供電的傳統遮光網溫室，OPV 溫室在夏季與秋冬兩個作期皆呈現較低的碳排放量，顯示其具備更佳的減碳效益。

表3  OPV溫室與傳統遮光網溫室的每公斤香瓜之碳排比較表

三、結論：有機光電系統在農業生產中的實質意義與應用價值

雖然OPV系統會部分阻擋陽光，但本研究結果顯示，只要適當調整模組的展開時長，香瓜產量仍能維持在商業生產水準。此結果證實，可折疊式OPV系統具備作為溫室遮光網替代材料的可行性，而其關鍵在於展開排程需依季節性日照條件進行最佳化調整。對於高光需求作物（如番茄、小黃瓜、甜椒），可縮短展開時間以避免光照不足；對於中等光需求作物（如菠菜、萵苣、草莓），亦可透過調整展開時段維持生產力。這顯示OPV系統能支援多元作物，突破傳統光電系統因光量與光譜限制而僅能應用於特定作物的瓶頸。

在環境效益方面，傳統遮光型溫室的電力消耗占其碳排量的 95%；OPV 溫室透過再生能源發電可大幅降低此部分排放，未來若搭配有機肥料或農藥，預期可進一步降低碳足跡，朝向超低碳溫室發展。

此外，相較於單軸追日型或百葉式光電系統等動態光電設備，OPV 系統可在天然災害（如短時強降雨、暴風雪、颱風）發生時折疊或收回，降低損害風險，展現高度的氣候適應能力。

        總結而言，儘管OPV溫室的應用已獲肯認，但實證場域仍相當有限。本研究的貢獻包括：

（一）技術面：展示一套可動態調節太陽輻照度、兼顧作物生產與能源發電的有機光電遮蔭系統；

（二）操作面：整合全自動化可折疊裝置，可於極端天氣前收回，提升溫室韌性與安全性；

（三）方法面：突破過去光電溫室分析限制，整合氣候、電力與農藝資料，並納入智慧環境控制。

        本研究從模擬分析推進至亞熱帶環境的實證操作，證明半透明OPV溫室能達到近乎淨零的能源運作，同時維持作物所需的光合有效輻射量。未來研究可進一步探討不同作物的生長模型與對應微氣候條件的最佳化展開策略，並運用深度學習技術判定最佳展開時長，以同時最大化作物產量與發電效率。此外，後續亦可整合逆變器與儲能系統，建立更完整的能源自主溫室模式，契合臺灣以小農為主、適合能源自給的農業結構。

資料來源
Chiang, M. J., Yang, S. K., Kuo, B. J., Sun, W., Fang, S. L., Chuang, C. Y., ... & Yao, M. H. (2026). An automated foldable organic photovoltaic system for greenhouses supporting crop productivity and achieving energy self-sufficiency. Cell Reports Physical Science, 7(3).