Автономные теплицы на солнечных батареях смогут решить вопрос дефицита продовольствия

Еда на энергии солнца
Автономные теплицы на солнечных батареях смогут решить вопрос дефицита продовольствия

Долгое время считалось, что использование солнечных батарей в качестве крыш для теплиц абсолютно нецелесообразно. Исключение составляли конструкции, где фотоэлектрические ячейки покрывали только часть кровли, а растения в теплицах были малочувствительны к затенению.

Впервые ситуация изменилась с появлением прозрачной фотовольтаики, единственным недостатком которой был низкий КПД. Но действительно кардинальные изменения принесли тонкопленочные гибриды, способные поглощать энергию электромагнитного излучения выборочно. Свет той длины волны, которая необходима для запуска процесса фотосинтеза у растений, пропускался ими полностью. Энергия остальной части спектра поглощалась и работала на производство электричества.

Первые опыты – полупрозрачные красные солнечные панели

Первым широко известным исследованием стал эксперимент группы экологов Калифорнийского университета Санта Круз под руководством профессора Майкла Лоика. В 2017 году ими были созданы «умные» теплицы с покрытием из полупрозрачных фотоэлектрических листов пурпурной окраски. При этом размеры солнечных панелей были подобраны таким образом, чтобы накрыть участок полностью, без просветов.

Одни и те же сорта помидоров и огурцов были высажены параллельно в обычные и экспериментальные теплицы, после чего команда специалистов оценивала состояние созревания овощных культур по широкому ряду показателей. Полученные результаты показали – темпы роста овощей, их размеры, вкусовые качества и содержание полезных веществ оказались полностью одинаковыми в обеих тестируемых группах.  При этом панели на «умных» теплицах сгенерировали достаточно электроэнергии для их полного энергообеспечения – освещения, отопления и вентиляции.

Развернутая статья об итогах важного эксперимента была напечатана престижным журналом «Earth is Future» Американского геофизического союза.

Инновационные солнечные ячейки с селективным поглощением

В следующем году команда Майкла Лоика значительно расширила диапазон видов растений, а также применила инновационные фотоэлектрические системы следующего поколения, известные как WSPV.

Эта альтернатива солнечным батареям классического образца обладает следующим спектром необычных возможностей и конструктивных решений:

  • способностью поглощать свет только заранее заданных длин волн (в эксперименте группы Лоика – синего и зеленого);
  • полностью пропускать излучение остальной части спектра;
  • с помощью люминесцентного красителя длительного послесвечения генерировать электричество даже при отсутствии солнца с производительностью около 25% номинала;
  • преобразовывать излучение с большей эффективностью и меньшими потерями за счет использования оригинальной конструкции токопроводящих полос.

Создали инновационную фотовольтаику для выращивания растений на энергии солнца физики Гленн Аллерс и Сью Картер – основатели знаменитой «Soliculture» (солнечной культуры). Они же помогли вывести WSPV на рынок.

Полученные результаты

В последнем эксперименте число сортов томатов и огурцов было расширено до 20, а также добавлены:

  • несколько деревьев лимонов и лайма;
  • сладкий перец;
  • базилик;
  • грядки с клубничной рассадой.

Для повышения достоверности опыта теплицы с солнечными WSPV-панелями установили в двух местах – университетском кампусе Санта Круз и близлежащем городке Уотсонвилль.

Результаты тестового выращивания оказались следующими:

  1. Чуть менее 80% культур дали такой же урожай, как и в обычных теплицах.
  2. Свыше 20% продемонстрировали лучший рост и урожайность.
  3. Кроме того, растения потребили примерно на 5% меньше воды для полива.

Одним из выводов эксперимента стало обнаружение чувствительности растений не только к количеству светового потока, но и к цвету – то есть электромагнитным волнам определенной длины.

Выгода от применения полупрозрачных батарей

Вторая часть итогов работы группы ученых оказалась не менее важной. Она убедительно доказала возможность выращивания тепличных культур без потери урожайности при использовании сплошных солнечных панелей вместо стандартного покрытия.

Помимо обеспечения потребностей в тепле и вентиляции, подключенные к системе электронные блоки с датчиками способны регулировать яркость освещения, мощность вентиляторов и многие другие параметры. Причем делать это за счет автономного энергоснабжения, без опасения сбоев в электросетях – очень частой проблемы для Калифорнии, южной Австралии и некоторых других регионов.

Последнее немаловажное преимущество – цена панелей, примерно на 40% более дешевая, чем аналогичные по уровню производительности классические модули.

Коммерческую составляющую проекта трудно переоценить, поскольку площади под тепличные культуры за последние два десятка лет увеличились в 20 раз только в США и Китае. Интересным и выгодным может стать применение батарей не только крупными хозяйствами, но и мелкими фермерами.

Моделирование работы в разных климатических условиях

Один из членов команды Майкла Лоика, биохимик Брендон о’Коннор, решил выяснить, насколько эффективными будут теплицы с WSPV не только в солнечной Калифорнии, но и в регионах с иными климатическими условиями. Это было необходимо для выяснения «точки энергетического равновесия», при которой теплицы смогут работать на полном самообеспечении.

Расчеты проводились методом компьютерного моделирования, для чего были выбраны регионы (штаты):

  1. Аризона – юг США, пустыни и степи с сухим, солнечным климатом.
  2. Висконсин – центр континента, со значительными перепадами годовых температур и погодных условий.
  3. Северная Каролина – субтропики с повышенной влажностью и большим количеством пасмурных дней.

При существующих размерах, мощности, КПД и принципе работы солнечных батарей данного типа, Брендон получил следующие результаты.

Уровень автономности системы на протяжении всего срока созревания тепличных культур – т.е. без использования внешних источников на все необходимые нужды – составит:

  • сухие и солнечные регионы – 100% (для томатов и огурцов – 110%, с генераций излишков энергии);
  • области средней полосы ≈ 90%;
  • влажные субтропики ≈ 80%.

При необходимости полностью избежать использования «внешней» подпитки, система WSPV способна увеличить уровень поглощения за счет длин волн, участвующих в фотосинтезе. Это компромиссное решение несколько замедлит темп роста растений, но гарантирует полную автономность теплицы.

Альтернативные варианты панелей для ферм

Хорошим альтернативным вариантом для ферм и сельскохозяйственных угодий могут стать тонкопленочные панели производства First Solar (США) на базе теллурида кадмия – CdTe. Они не обладают прозрачностью, но на 18-20% производительнее кремниевых модулей за счет более широкого спектра поглощения.

При установке «шахматным» методом на крышах теплиц или на стойках между грядками результат их использования будет не худшим, чем для прозрачных вариантов. Заказать монтаж системы или отдельные элементы оборудования Вы можете на сайте компании Green Tech Trade.

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ