光電板架設高度的微氣候學：以農業光電系統之熱環境調節為例

一、前言

農業光電（Agriphotovoltaic, APV）被視為同時支撐農業生產與再生能源發展的關鍵模式。透過在農地上方架設太陽光電設施，可在不減少耕地面積的前提下提升土地利用效率，並在能源轉型、糧食安全與農村永續之間取得更佳平衡。至2023年，全球再生能源裝置容量已達3,870 GW，其中太陽光電占1,419 GW，顯示其在能源結構中的重要性持續提升。亞洲為全球太陽光電新增裝置容量的主要來源，農業光電亦在此區域快速擴展。本研究採用之2.5至4公尺光電板高度，為東亞農地型光電系統常見之工程設計。依據國際再生能源總署統計，2023年全球新增再生能源裝置容量中約69%來自亞洲，而太陽光電新增量以中國為主要貢獻者，顯示本研究所探討之系統條件具高度區域代表性。

農業光電系統的運作成效，核心取決於光電板與作物之間的微氣候交互作用。光電板架設後，局部氣溫、濕度、太陽輻射量與通風條件均會發生變化，進而對作物生長造成複合性影響。適度遮蔭可降低葉溫、減緩熱逆境，對部分作物具有增產效果；但若遮蔭過度，則可能限制光合作用效率。另一方面，光電板排列過密導致散熱不良，不僅影響作物生長環境，也可能降低光電模組的發電效率。光電板高度為調控微氣候的關鍵變數，其架設高度將決定地表光輻射量、板下通風程度及整體熱能平衡，對農業光電系統的農業與能源雙重效益均具關鍵影響。

本研究之主要貢獻與創新包括：

1. 建立可精細模擬農業光電熱環境之模型，能準確預測系統內氣溫與土壤溫度之空間分布。

2. 探討太陽光電板高度調控微氣候之理論基礎，分析不同高度對氣溫與土壤溫度之調節效果。

3. 依據最佳光電板高度提出農業強化建議，提供未來農業光電發展之科學依據。

二、研究內容

本研究場域位於北緯31.62°、東經 119.18°，屬亞熱帶季風氣候區，全年氣候特徵為四季分明、夏季高溫潮濕且日照充足，具代表性之農業光電環境條件。於田間試驗中，本研究設置三種不同的太陽光電板架設高度，以探討高度變化對氣溫與土壤溫度分布之調節效果，三種高度分別為：

• 2.5公尺（H2.5）
• 3.2公尺（H3.2）
• 3.9公尺（H3.9）

並設置無光電板覆蓋之露天農地作為對照組（無遮蔭組）。研究場域栽植無花果，為耐熱性相對較高之多年生木本果樹，並於夏季高溫時段（7月）進行連續環境監測，以比較不同架設條件下之微氣候差異。

每組實驗區依據空間位置分為南側、北側、中間三個子區。除了現場實測外，本研究亦結合計算流體力學（CFD）模擬，分析不同光電板高度之下，熱量在空間的分布變化，並分別測量氣溫（地上1公尺）與土壤溫度（地下15公分）。

圖 1 研究地點與實驗農業光電系統概況。（a）實驗場址的空拍圖

圖2 研究地點與實驗農業光電系統概況。（b）實驗場址的內部與外部景觀圖。

圖3 農業光電系統中各實驗測量點的配置。南側區、中間區與北側區中的紅色點為氣溫測量點，藍色點為土壤溫度測量點。氣溫感測器設置於距地面1公尺高度；對應的土壤溫度感測器則設置於其正下方15公分深處。

三、研究結果

（一）太陽光電板的高度會明顯影響土壤溫度分布

研究結果顯示，太陽光電板高度對土壤溫度分布影響最為顯著。在較低架設高度（2.5 公尺）下，光電板遮蔭集中且通風受限，使熱量容易滯留於中間區，導致中間區土壤溫度明顯高於南、北側。當光電板高度提高至 3.9 公尺後，中間區的通風條件改善，熱量得以散逸，中間區土壤溫度因而下降；同時，南北側因受光增加而土壤溫度略為上升，使整體土壤溫度分布趨於均勻。

此結果顯示，光電板高度會改變遮蔭範圍與熱交換路徑，進而影響土壤熱分布。相較於露天田區，農業光電區整體土壤溫度可降低逾 5°C。各區日均土壤溫度如下表。

表1 太陽光電板高度與土壤日均溫比較表

（二）氣溫變化不大，但通風條件會因板高而改善改善

相較於土壤溫度，光電板高度對氣溫之影響較小。整體而言，不同高度間之平均氣溫差異不大；惟在較低架設高度下，中間區因通風受限，較易產生熱量累積，氣溫略高。當光電板高度提高後，中間區通風條件改善，有助熱量散逸，使氣溫分布更為均勻。

研究結果顯示，較高光電板可提供較佳通風空間，提升棚下微氣候之穩定性。

（三）太陽光電板高度提高可提升熱環境均勻性

模擬結果顯示，光電板高度提升後，農業光電系統內的氣溫與土壤溫度分布皆更趨均勻，其中以 3.9 公尺高度之熱環境穩定性最為明顯。此結果意指，適度提高光電板高度不僅可改善板下通風條件，亦能有效降低局部熱量累積之風險，提升整體微氣候品質。

圖4 不同光電板架設高度下，農業光電系統對土壤溫度的影響。（a–c）分別呈現光電板高度 2.5 公尺、3.2 公尺與 3.9 公尺條件下，地下15公分之土壤溫度分布。（d–f）則為相同高度條件下之土壤表面溫度分布。

四、結論與研究限制

本研究顯示，光電板高度除結構考量外，亦直接影響田間熱環境管理。對農業生產而言：

1. 農業光電可有效降低土壤溫度，有助緩解夏季高溫逆境；

2. 較穩定的土壤溫度有助於改善作物根圈環境，促進根系發育與養分吸收；

3. 光電板高度達一定門檻後，可提升棚下微氣候均勻性，減少局部熱點與環境差異。惟在設施設計上，光電板高度不應僅以機具通行或施工成本為考量，亦應納入通風與熱交換需求，特別是在夏季高溫地區，其高度設計可能對作物生長表現具有關鍵影響。

本研究於東亞亞熱帶季風氣候區進行，並以無花果作為試驗作物，故其氣候條件與作物特性具有一定程度之特定性。未來若欲推廣至其他作物類型（如葉菜類、果樹類）或不同氣候環境，仍需進一步驗證其適用性。此外，除光電板高度外，傾角、板間距與排列方式亦可能影響農業光電系統之微氣候調節效果，為後續研究可持續探討之方向。

就臺灣作物特性而言，無花果相較於葉菜類等高溫敏感作物具有較高耐熱性，亦較能適應半遮蔭環境；相較於柑橘類等高光需求作物，其遮蔭耐受度亦較佳。本研究之氣候條件與臺灣夏季高溫、高濕環境相似，因此其熱環境調節結果對臺灣農業光電系統設計具一定參考價值，惟不同作物仍需進行在地化試驗以確認其適用性。

資料來源
Wei Gong et al. (2025). Regulatory Effect of Agriphotovoltaic Systems with Different Panel Heights on the Thermal Environment. Scientific Reports.

International Renewable Energy Agency (IRENA). (2024). Record Growth in Renewables, but Progress Needs to be Equitable. Retrieved from: IRENA官方網站（accessed 2026-05-22）.