Энергетически нейтральные сельскохозяйственные теплицы

С наступлением весны, в человеческом организме ощущается авитаминоз, хочется больше молодых овощей и зелени. Жители личного домовладения заранее готовятся к этому периоду, закладывая рассаду и выращивая зеленую массу в своих теплицах. Городская масса населения покупая овощи в супермаркетах (в настоящее время, в связи с пандемией Covid-19, рынки не работают) не ведают откуда эти молодые овощи, из теплиц или завезены из стран с теплым климатом, где собирают урожай круглый год.

В своей трудовой деятельности мне неоднократно приходилось бывать в теплицах, где организовано массовое производство ранних овощей. Я пробовал их на вкус и скажу, что они явно отличаются своими вкусовыми качествами от покупаемых в магазинах. При всем притом, что процесс тепличного выращивания овощей, это кропотливая работа, требующая постоянного внимания и контроля температуры, влажности и освещения, само производство весьма энергоемко. На тепличный комплекс в 5-8 га необходима собственная котельная с мощностью 150 – 240 кВт (обязательно два котла, один в резерве).

В настоящее время, с развитыми технологиями возобновляемой энергетики многие производства и бытовой сектор используют энергию солнца и ветра для сокращения электрических и тепловых затрат, включая и агросектор. Однако, крайне редко встречаются тепличные комплексы, где используется солнечные и ветровые электростанции. Но даже те, кто являются новаторами всего нового, не учитывают всю палитру солнечного света, которую можно с пользой использовать в теплицах.    

И в этом направлении уже есть конкретные технические решения, 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».

Южные районы Украины по своим климатическим условиям характерны приведенным примерам в США и в них можно использовать такие технологии для максимально использования при выращивании овощей, зеленой массы и ягод. Надеемся, вновь принятое законодательство по земле, позволит украинским фермерам создавать сельскохозяйственные теплицы на солнечной энергии с положительным энергетическим балансом, для оптимизации стоимости продукции.

По материалам источника:

Спасибо за прочтение! laughЕсли вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения.