Многие сельскохозяйственные теплицы могут стать энергетически нейтральными, если использовать прозрачные солнечные панели для выработки электроэнергии. Таковы выводы нового исследования, проведенного специалистами в области инженерии, биологии растений и физики из Университета штата Северная Каролина (США). Результаты их работы опубликованы в научном журнале Joule в статье «Достижение нулевого энергетического баланса для теплиц путем интеграции полупрозрачных органических солнечных элементов».
«Растения используют только несколько длин волн света для фотосинтеза, и идея состоит в том, чтобы создать теплицы, которые производят энергию из этого неиспользованного света, в то же время пропуская внутрь большую часть фотосинтетически активной радиации», — говорит Брендан О’Коннор, один из авторов исследования, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина.
«Мы можем сделать это, используя органические солнечные элементы, потому что они позволяют нам настраивать спектр света, который поглощает солнечный элемент. Поэтому мы можем сосредоточиться на использовании в основном длин волн света, которые растения не используют. Однако до сих пор не было ясно, сколько энергии теплица могла бы собрать при использовании этих полупрозрачных, отбирающих нужную длину волны органических солнечных элементов».
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи использовали вычислительную модель, с помощью которой оценили, сколько энергии может выработать теплица, если на ее крыше установлены полупрозрачные органические солнечные элементы, и будет ли этой энергии достаточно, чтобы компенсировать количество энергии, необходимое теплице для эффективной работы. Модель была разработана для оценки энергопотребления теплиц, выращивающих помидоры в штатах Аризона, Северная Каролина и Висконсин.
«Большая часть потребления энергии в теплицах затрачивается на отопление и охлаждение, поэтому наша модель была сосредоточена на расчете энергетической нагрузки, необходимой для поддержания оптимального диапазона температур для роста томатов», — говорит О’Коннор.
Модель также рассчитала количество энергии, которое будет производить теплица с установленными на крыше солнечными элементами в каждом из рассмотренных мест.
Моделирование должно быть всесторонним, поскольку существует сложный компромисс между количеством энергии, которое генерируют солнечные элементы, и количеством света в фотосинтетическом диапазоне, который они пропускают.
Следует также отметить, что солнечные элементы, использованные в рамках анализа, являются эффективными изоляторами, так как отражают инфракрасный свет. Это помогает охлаждать теплицы летом, а зимой улавливать больше тепла.
Конечный результат расчётов показал, что для многих операторов теплиц компромисс является небольшим. Особенно в тёплом и умеренном климате. То есть и растениям хорошо, и энергии вырабатывается много.
Например, в Аризоне теплицы могут стать энергетически нейтральными – вырабатывать количество энергии, равное энергозатратам, блокируя только 10% фотосинтетически активной радиации. Однако, если производители хотят ещё больше снизить количество пропускаемого света, они могут генерировать вдвое больше энергии, чем требуется для работы теплицы. В Северной Каролине теплица может стать энергетически нейтральной, блокируя 20% фотосинтетически активной радиации. В Висконсине, который отличает резко континентальный климат с относительно умеренной солнечной радиацией, теплицы не могут стать энергетически нейтральными, поскольку для поддержания тепла зимой требуется слишком много энергии. Тем не менее, солнечные элементы смогли удовлетворить до 46% годовой потребности теплицы в энергии и в этом штате.
Учёные считают, что прозрачные органические фотоэлектрические элементы незначительно повлияют на рост растений, «являются отличным кандидатом для внедрения в теплицах и дают возможность диверсифицировать технологии устойчивого производства энергии».
Интеграция солнечной энергетики с другими видами деятельности – весьма перспективная тема в современном предпринимательстве. Вспомним совсем недавний пример – возведение гигантской солнечной электростанции над поверхностью рыбоводческого пруда в Китае, что позволяет собирать двойной урожай (и продукции, и денег) с одного участка. Или другой пример. Так называемая агровольтаика – совмещение солнечной генерации и растениеводства – чрезвычайно интересное направление.
Читайте по теме. Агрофотовольтаика обеспечивают повышение урожайности
