Автономні теплиці на сонячних батареях зможуть вирішити питання дефіциту продовольства

Їжа на енергії сонця
Автономні теплиці на сонячних батареях зможуть вирішити питання дефіциту продовольства

Довгий час вважалося, що використання сонячних батарей в якості дахів для теплиць є недоцільним. Винятком були конструкції, де фотоелектричні комірки охоплювали лише частину покрівлі, а рослини в теплицях були малочутливими до затінення.

Вперше ситуація змінилася з появою прозорої фотовольтаїки, єдиним недоліком якої був низький ККД. Але дійсно кардинальні зміни принесли тонкоплівкові гібриди, здатні вибірково поглинати енергію електромагнітного випромінювання. Світло тієї довжини хвилі, яка необхідна для запуску процесу фотосинтезу у рослин, пропускалося ними повністю. Енергія решти спектру поглиналася та працювала на виробництво електрики.

Перші досліди – напівпрозорі червоні сонячні панелі

Першим широко відомим дослідженням став експеримент групи екологів Каліфорнійського університету Санта Круз під керівництвом професора Майкла Лоїка. У 2017 році вони створили «розумні» теплиці з покриттям із напівпрозорих фотоелектричних листів пурпурового забарвлення. При цьому розміри сонячних панелей були підібрані таким чином, щоб покрити ділянку повністю, без просвітів.

Одні й ті ж сорти помідорів та огірків були паралельно висаджені у звичайні та експериментальні теплиці, після чого команда фахівців оцінювала стан дозрівання овочевих культур за великою кількістю параметрів. Отримані результати показали – темпи зростання овочів, їх розміри, смакові властивості та вміст корисних речовин виявилися повністю однаковими в обох досліджених групах. При цьому панелі на «розумних» теплицях згенерували достатньо електроенергії для їх повного енергозабезпечення – освітлення, опалення та вентиляції.

Розгорнута стаття про підсумки важливого експерименту була надрукована в авторитетному журналі Earth is Future Американського геофізичного союзу.

Інноваційні сонячні комірки з селективним поглинанням

Наступного року команда Майкла Лоїка значно розширила діапазон видів рослин, а також застосувала інноваційні фотоелектричні системи наступного покоління, відомі як WSPV.

Ця альтернатива сонячним батареям класичного зразка має наступний спектр незвичайних можливостей та конструктивних рішень:

  • поглинання світла лише заздалегідь заданих довжин хвиль (в експерименті групи Лоїка – синього та зеленого);
  • пропуск випромінювання інших частин спектра;
  • генерація електрики навіть за відсутності сонця з продуктивністю близько 25% номіналу (за допомогою люмінесцентного барвника тривалого післясвітіння);
  • перетворення випромінювання з більшою ефективністю та меншими втратами завдяки використанню оригінальної конструкції струмопровідних смуг.

Створили інноваційну фотовольтаїку для вирощування рослин на енергії сонця фізики Гленн Аллерс та Сью Картер – засновники знаменитої Soliculture (сонячної культури). Вони ж допомогли вивести WSPV на ринок.

Отримані результати

В останньому експерименті чисельність сортів томатів та огірків була розширена до 20. До переліку також додані:

  • кілька дерев лимонів та лайма;
  • солодкий перець;
  • базилік;
  • грядки з полуничною розсадою.

Для підвищення вірогідності досліду, теплиці з сонячними WSPV-панелями встановили у двох місцях – університетському кампусі Санта Круз та прилеглому містечку Уотсонвілль.

Результати тестового вирощування виявилися наступними:

  • Трохи менше ніж 80% культур дали такий же урожай, як і у звичайних теплицях.
  • Понад 20% продемонстрували найкраще зростання та врожайність.
  • Рослини спожили приблизно на 5% менше води для поливу.

Одним з висновків експерименту стало виявлення чутливості рослин не тільки до кількості світлового потоку, а й до кольору – тобто електромагнітних хвиль певної довжини.

Переваги від застосування напівпрозорих батарей

Друга частина підсумків роботи групи вчених виявилася не менш важливою. Вона переконливо довела можливість вирощування тепличних культур без втрати врожайності у разі використання суцільних сонячних панелей замість стандартного покриття.

Крім забезпечення потреб в опаленні та вентиляції, під’єднані до системи електронні блоки з датчиками здатні регулювати яскравість освітлення, потужність вентиляторів та багато інших параметрів. Причому це можна здійснювати шляхом автономного енергопостачання, без ризику збоїв в електромережах – типової проблеми для Каліфорнії, Південної Австралії та деяких інших регіонів.

Остання важлива перевага – панелі приблизно на 40% дешевші, ніж аналогічні за рівнем продуктивності класичні модулі.

Комерційну складову проекту важко переоцінити, оскільки тільки в США та Китаї площі під тепличні культури за останні два десятки років збільшилися у 20 разів. Цікавим та вигідним може стати застосування батарей не лише серед великих господарств, а й дрібних фермерів.

Моделювання роботи в різних кліматичних умовах

Один з членів команди Майкла Лоїка, біохімік Брендон О’Коннор, вирішив з’ясувати, наскільки ефективними будуть теплиці з WSPV не лише в сонячній Каліфорнії, але й в регіонах з іншими кліматичними умовами. Це було необхідно для з’ясування «точки енергетичної рівноваги», за якої теплиці зможуть працювати на повному самозабезпеченні.

Розрахунки проводилися методом комп’ютерного моделювання, для чого були обрані регіони (штати):

  • Аризона – південь США, пустелі та степи з сухим, сонячним кліматом;
  • Вісконсин – центр континенту, зі значними перепадами річних температур та погодних умов;
  • Північна Кароліна – субтропіки з підвищеною вологістю та великою кількістю похмурих днів.

За чинних розмірів, потужності, ККД та принципу роботи сонячних батарей цього типу, Брендон отримав наступні результати.

Рівень автономності системи протягом усього терміну дозрівання тепличних культур – тобто без використання зовнішніх джерел на всі необхідні потреби – складе:

  • сухі та сонячні регіони – 100% (для томатів та огірків – 110%, з генерацій надлишків енергії);
  • регіони середньої смуги ≈ 90%;
  • вологі субтропіки ≈ 80%.

За необхідності повністю уникнути використання «зовнішнього» підживлення, система WSPV здатна збільшити рівень поглинання за рахунок довжин хвиль, що беруть участь у фотосинтезі. Це компромісне рішення трохи сповільнить темп розвитку рослин, але гарантує повну автономність теплиці.

Альтернативні варіанти панелей для ферм

Хорошим альтернативним варіантом для ферм та сільськогосподарських угідь можуть стати тонкоплівкові панелі виробництва First Solar (США) на базі телуриду кадмію – CdTe. Вони не відрізняються прозорістю, але на 18-20% продуктивніші за кремнієві модулі завдяки більш широкому спектру поглинання.

Після монтажу «шаховим» методом на дахах теплиць або на стійках між грядками, результат їх використання буде не гіршим, ніж у прозорих варіантів. Замовити монтаж системи або окремі елементи обладнання Ви можете на сайті компанії Green Tech Trade.

Будівництво сонячних
електростанцій "під ключ"

Готові інвестиційні проекти