隨著近年極端天氣越見頻繁，我們越來越感受到氣候變化所帶來的影響。香港作為已發展城市，訂下2050年達至碳中和的目標後，應該用盡辦法減碳，以控制全球氣溫升幅在攝氏1.5度以下。雖然香港具有發展可再生能源的潛力，但土地資源珍貴，土地使用者盡用每一寸土地作不同用途已經司空見慣，而且不同土地用途亦經常互相競爭。
為了美化環境及減緩熱島效應，很多建築物業主或物業管理人都會選擇進行綠化，把普通的天台改建成綠化天台；同時亦有不少人選擇在屋頂安裝太陽能光伏系統，取得額外電力供應，亦可賺取上網電價收入。此外，香港亦有物業發展商有意在閒置多年的農地上安裝太陽能板，表示希望地盡其用。把太陽能系統與種植植物或農作物結合看似有矛盾的地方，因為植物生長最基本需要水、陽光及土地，而太陽能光伏系統覆蓋在植物上方，正正違反了植物最基本的生長環境要求。但只要細心規劃，兩者其實可以互補優勢，更有效使用珍貴的空間。本文將探討香港在天台或農地將太陽能光伏系統與綠化或耕種農作物結合的好處、挑戰及需要注意的地方。
太陽能在香港的現況
要邁進低碳經濟，香港提升可再生能源在總發電量的比例實在刻不容緩。《香港氣候行動藍圖2050》（《藍圖》）提出2050年前達至淨零碳發電的長遠目標，可再生能源發電比例的目標是由目前的不多於1%，到2035年提升到7.5%至10%，而到2050年提升至15%。其中在建築物天台加建太陽能系統，是越來越普遍的做法。《藍圖》舉例指，新政府建築物須撥出25%的可用天台範圍用作安裝可再生能源系統，比起之前規定的10%提高了不少；房屋委員會亦需要為新落成的公共屋邨大廈安裝太陽能發電系統，以提供至少1.5%的公用電量為目標。
事實上，香港可再生能源發電比例的目標之低，遠遠落後於其他東亞城市，並一直都被關注環境及氣候變化的團體批評。但根據香港理工大學的一項研究顯示，全港30.9萬樓宇中，有23.3萬樓宇適合於頂部或天台安裝太陽能光伏系統，潛在的太陽能發電量可達每年46.74億度電，佔香港能源需求的10.7%[1]。事實上，香港在2018年起已實施上網電價計劃，吸引非政府機構及個人在其處所安裝可再生能源系統。儘管屋頂太陽能光伏系統提供不少再生能源發電，但從過去五年可再生能源在燃料組合中所佔的比例來看，每年的增幅仍然微乎其微。而政府更於2022年4月調低上網電價，由於安裝太陽能裝置的成本不菲，令有意參與計劃的個人或團體擔心未能在該計劃於2033年年底結束前收回成本。
綠化天台在香港的現況
另一方面，綠化天台在香港亦大行其道。綠化天台可以美化環境，為市民提供休憩及遊樂設備；而且，綠化天台的植物可以減低建築物吸收的熱力，為樓宇隔熱和增加能源效益，從而節省冷氣需耗用的電力，同時為社區降溫，減低熱島效應。
有見及此，香港政府早已積極推動綠化天台。自2000年起，政府已鼓勵新落成的建築物、政府建築物及學校等興建綠化天台。直到2007年，建築署委託顧問完成《香港綠化屋頂應用研究》（《應用研究》），當中引述一項研究指出，在建築物加上綠化屋頂，可以令溫度降低最少攝氏2度，而室溫可以降低達攝氏4至5度。而本地的研究顯示，綠化屋頂可以令本港建築物的表面溫度在八月間大幅降低約攝氏18至26度。這樣可以對節能減碳有很大作用，因此該《應用研究》亦建議政府大力推廣天台綠化。
融合綠化天台及太陽能系統的好處及挑戰
綠化建築物天台能美化環境，但在降溫方面，很可能只有最高幾層才能受惠；而如果只裝上太陽能系統，雖然能夠使用可再生能源發電及減碳，但又彷彿欠缺一點生氣。兩者同時在天台出現就可以互補不足，更能提高太陽能系統的效率。光伏電池的電效率（η）取決於太陽能輻射量和電池輸出功率之間的關係，而熱力是影響屋頂光伏面板效率的主要因素之一。高溫的屋頂會增加太陽能系統的晶體半導體導電性，然後抑制電荷分離並降低太陽能電池的電壓。高溫可以導致太陽能系統的生產率降低多達25％。植物能夠減低建築物天台的表面溫度，正正是提高太陽能系統效率的有效方法。影響太陽能系統效率的另一個因素是積聚在太陽能板表面上的灰塵和污垢，會阻擋部分陽光並降低系統輸出。若綠化天台配有灌溉設備，啟動時可以順道洗刷太陽能板上的灰塵和污垢，同樣可以提高效能。
另一方面，植物需要陽光生長，但太強的日照可能會損害植物的葉綠素及組織，反而不利植物生長。在綠化天台加上太陽能系統，可以為植物遮蔭，避免植物生長受強光影響及減低植物的蒸發作用。同樣，太陽能系統亦可以遮擋暴雨，保護細小的植物或幼苗。
早於2011年，已有學者提出同時在建築物天台進行綠化及安裝太陽能板。香港大學機械工程學系的許俊民博士曾在香港大學圖書館總館進行實地考察，發現在天台同時進行綠化及安裝太陽能系統，比起只安裝太陽能板的天台，能提供4.3%的額外電力；他亦觀察到，靠近圖書館屋頂通風處的耐旱植物在遮蔭下能更好地生長[2]。早前一個來自澳洲的研究亦發現，在綠化天台的太陽能系統效率，比起安裝在傳統天台的太陽能系統高出3.63%[3]。
在綠化天台安裝太陽能系統有很多好處，但亦有不少地方需要留意，當中最重要的就是安全。現時法例要求開放屋頂的荷載最低要求為二千帕斯卡 (kPa)，對於一般綠化天台而言，植物、泥土及下雨或灌溉後泥土吸收的水份，已經為屋頂帶來相當的負荷；太陽能系統本身不會太重，但安裝時需要一定重量的底座及支架支撐及固定，否則系統未必能抵擋強風及暴雨。有意在已落成的建築物天台同時進行綠化及安裝太陽能系統，需要注意屋頂是否有足夠的負荷力，並考慮相應做法，例如選擇比較輕巧，泥土較薄，只需少量甚至不需要灌溉的粗放型綠化屋頂（Extensive Green Roof）；對於新落成的建築物，發展商應考慮預先在天台上加上支柱之類作為天台的一部分，日後借此安裝太陽能系統，減低天台的負荷。
另一方面，安裝太陽能系統的角度及坐向亦是考慮因素，雖然日照會隨時間而轉變，但太陽能板的角度及座向仍需要確保植物生長，而所選取的植物亦需要選擇一些對日照要求不高的耐蔭植物。
農地安裝太陽能板潛力高
香港的農業規模細小，現時全港大約有2,500個農場，佔地就只有香港總面積的0.68%，通常種植蔬菜或觀賞植物。但事實上，氣候變化會令糧食供應變得不穩定，本地種植及供應的農作物能有助穩定糧食供應，亦能減省運輸入口食物所產生的碳排放。為了應對日益增長的食物和能源需求，同時減緩氣候變化的挑戰，日本、台灣、英國等地都積極推動農業光電系統，即在同一塊土地上實現農業和生產電力。
在農地安裝太陽能系統，會否影響農作物收成是重要的考慮因素。美國有一項研究借種植蕃茄研究農業光電系統對耕種的影響，發現農業光電系統有可能減低特定農作物對水的需求，而且水份對農作物生長的效率亦會提高。該研究將相關的太陽能光伏板調整至向南傾斜18度，以達到最好的照射角度，而光伏板支架較高的一邊為離地2.2米，較低的一邊為0.8米，光伏板的下方及兩側均種植番茄，並監測該範圍的微氣候，包括氣溫、相對濕度、泥土溫度、泥土含水量、光照量和風速，及測試分別在土壤含水量有75%及40%時灌溉。該研究發現，光伏板的遮蔭可以顯著提升土壤的含水量，而在光伏板下種植並在低土壤含水量時灌溉的方法，有助保持乾旱地區的土壤含水量，並提高水份對農作物生長的效率。但需要注意的是，蕃茄並不耐蔭，所以產量會隨著農業光電系統的遮蔭範圍增加而減少，在應用時不應選擇種植光照強度需求高的植物[4]。
日本同樣需要大量發展可再生能源以達至減碳目標，而使用農業光電系統就成為一個具潛力的選項。但為了不影響農業生產，日本農林水產省除規定產量能達至一般情況最少八成，還加上其他條件，例如構造簡單及容易拆除的太陽能支架、足夠空間使用農業機械、不得影響其他農地等，以確保產量及避免令賣電成為該農地的主要收入來源。在這些限制下，有一項在日本進行的研究在農地的四個範圍種植亞洲人習慣食用的稻米，而每個範圍的太陽能板面積、密度及斜度各有不同，然後觀測影響稻米產量的各種因素，包括施肥、溫度和太陽輻射，以評估安裝在稻米上方的光伏系統遮蔽率所帶來的變化。這研究發現在最少八成生產量的規定下，農業光電系統可允許的最大遮蔽率範圍為27%到39%。假設農業光電系統在日本稻田的密度為28%，每年就可以產生2,840億度電，相當於2018年日本總電力需求約29%。但這一研究亦如預期般發現日照減少，稻米的產量亦會下降，所以有需要再研究有何方法保持稻米的產量，例如把太陽能板安裝在稻田北面，降低農業光電系統吸取日照，但就讓農作物獲得較多日照，或在選擇農作物時考慮該農作物的日照要求，甚或考慮不同的太陽能板物料[5]。
香港需加強科研及社區合作
氣候變化、熱島效應、綠化環境不足及糧食供應不穩，都是大城市正面對的問題，但他們很多都正從多方面著手，發展可再生能源之餘，也兼顧不同的土地用途，滿足市民生活的需要。香港在這方面起步較慢，可再生能源發電比例已經不高，亦很少能兼顧其他土地用途。從以上的例子可見，香港亦有很多方向可以提高可再生能源的發電比例，就以農業光電系統為例，我們估算若一成的香港農地同時安裝太陽能系統，就能產生大約1.9億度電[6]。但無論是在農地或是綠化天台加建太陽能系統，這都需要不斷的科學研究，例如在綠化天台或農地加建太陽能系統，需要就包括太陽能系統的角度、座向、物料、面積、形狀、排列方式、植物或農作物選擇、灌溉方式、泥土排水等元素不斷測試及收集數據，找出適合香港的組合，以有效善用空間，透過可再生能源提供電力之餘，亦可達至其他用途。低碳想創坊的太陽能關懷計劃，與非政府組織合作安裝太陽能電池板，並將它們與電力公司的上網電價計劃聯繫起來，同時舉辦一系列以可再生能源為重點的社區教育活動，提高公眾對氣候變化及可再生能源的認識。當我們在全部73個選址完成安裝太陽能系統，預計可以每年提供約480萬度電。
低碳想創坊亦於8月23至25日主辦亞洲太陽能研討會（ASECCC）。來自亞太地區的40多位演講嘉賓分享了他們在使用太陽能應對氣候變化方面的努力。多位演講嘉賓都提及到，除了技術進步外，評估能源轉型的社會影響至關重要。他們還分享了一些令人鼓舞的太陽能項目，以滿足社區的需求。儘管全球太陽能投資正在快速增長，但可再生能源全球投資仍然遠遠不足，更多的資金、補助和貸款優惠對實現零碳目標非常重要。隨著第28屆聯合國氣候變化大會臨近，我們希望不同界別之間能有更多合作，以推動進一步的氣候行動。我們期望各界持份者，包括綠色團體、非政府組織、政府部門、電力公司、可再生能源專家、建築物業主或管理者，農地使用者和社會大眾等可以有更多合作，開拓利用可再生能源發電，共同建設零碳香港。
參考資料︰
- Polytechnic University of Hong Kong. "Potentials of generating clean solar energy in Hong Kong," https://www.polyu.edu.hk/cpa/excel/en/201703/viewpoint/v1/index.html
- Dr. Sam C. M. Hui and Miss S. C. Chan. "Integration of green roof and solar photovoltaic systems"
- University of Technology Sydney. "Green Roof & Solar Array – Comparative Research Project, Final Report July 2021," https://opus.lib.uts.edu.au/bitstream/10453/150142/2/City%20of%20Sydney%20Final%20Report%20EPI%20R3%20201920005.pdf
- H. A. AL-agele, K. Proctor, G. Murthy and C. Higgins. A Case Study of Tomato (Solanum lycopersicon var. Legend) Production and Water Productivity in Agrivoltaic Systems. https://doi.org/10.3390/su13052850
- R. A. Gonocruz, R. Nakamura, K. Yoshino, M. Homma, T. Doi, Y. Yoshida and A. Tani. Analysis of the Rice Yield under an Agrivoltaic System: A Case Study in Japan. https://doi.org/10.3390/environments8070065
- According to the Agriculture, Fisheries and Conservation Department, roughly 7.6 km2 of land in Hong Kong is used for growing crops. Calculated on the basis of 10% of this figure, 340,000 solar panels covering an area of 2.2 m2 each could be installed on Hong Kong farmland. Assuming that each panel is capable of generating 550 W of electricity, this would give a total output of 190 GWh.
作者：
郭曉忠（低碳想創坊高級項目主任）
戴宇澄（低碳想創坊項目經理）
2023年10月