Обзор всех агрофотоэлектрических систем для выращивания сельскохозяйственных культур

Аккумулятор FIAMM 12FGH23

Международная исследовательская группа изучила агрофотоэлектрические системы, выделив проблемы, связанные с их проектированием, урожайностью и эффективностью фотоэлектрических элементов, а также определив их глобальный потенциал. Исследователи призывают к внедрению инновационных схем, целенаправленному выбору культур и совершенствованию моделирования для максимизации выхода энергии и эффективности землепользования.

Конфигурации агрофотоэлектрических систем

Международная исследовательская группа провела комплексный анализ современного состояния агрофотоэлектрических систем.

«В нашей работе мы освещаем проблемы и препятствия с четырех важнейших точек зрения, которые необходимы для развития этой области: проектирование систем, производительность, внедрение и исследования, — рассказал автор исследования Пьетро Элия Кампана. — Мы не только обозначаем эти проблемы, но и рекомендуем конкретные направления исследований для устранения существующих ограничений агрофотоэлектрических систем».

«Мы нанесли на карту и классифицировали потенциал агрофотоэлектрических систем на сельскохозяйственных угодьях по всему миру, — добавил соавтор исследования Микеле Крочи. — Для территорий, отнесенных к категории «отличные», мы оцениваем годовой объем выработки в диапазоне от 66 до 385 ПВт·ч». Он также отметил, что этот потенциал зависит от типа фотоэлектрической технологии и плотности установки. Кроме того, с учетом близости к существующей инфраструктуре электросетей краткосрочный потенциал развертывания оценивается в диапазоне от 10 до 59 ПВт·ч в год. Наибольший потенциал для развития этих систем имеют Африка, Азиатско-Тихоокеанский регион, а также Центральная и Южная Америка.

В исследовании «Научные перспективы агрофотоэлектрических систем земледелия», опубликованном в Nature Reviews Clean Technology, ученые объясняют, что с точки зрения системного проектирования интеграция опорных конструкций и фотоэлектрических модулей в традиционные методы ведения сельского хозяйства сопряжена с рядом трудностей. К ним относятся потенциальные потери урожая, сложности в эксплуатации, риск повреждения фотоэлектрических модулей и сельскохозяйственной техники, а также неизбежная потеря площади, необходимой для установки опорных конструкций. Для решения этих проблем потребуются инновационные схемы, фотоэлектрические модули и компоненты, адаптированные для агрофотоэлектрических систем, а также определение видов и сортов сельскохозяйственных культур, которые хорошо растут при разном уровне затенения и в разных климатических условиях.

«Такие усилия направлены на увеличение установленной пиковой мощности на гектар, что поможет сократить разрыв между агрофотоэлектрическими системами и обычными наземными фотоэлектрическими системами, — говорит исследователь Стефано Амдуччи. — В конечном счете этот подход направлен на минимизацию негативного влияния затенения на урожай при максимальной эффективности использования земли».

С точки зрения продуктивности сельскохозяйственных культур, команда исследователей отметила, что фотоэлектрические модули влияют на освещенность, микроклимат и состояние почвы, что, в свою очередь, влияет на физиологические реакции и урожайность конкретных культур. Эти факторы могут как повышать, так и снижать продуктивность в зависимости от таких факторов, как степень затенения, сорта культур и местные климатические условия.

«В некоторых опубликованных метаанализах предпринимались попытки установить простую взаимосвязь между степенью затенения и урожайностью различных культур, но у них есть ряд ограничений, — отметила Кампана. — В них часто не учитываются такие ключевые факторы, как доступность воды, и они основаны на ограниченном объеме данных. Большинство исследований в области агровольтаики проводилось в регионах, где дефицит воды не оказывает существенного влияния на урожайность. Сравнительно мало исследований проводилось в полузасушливых или подверженных засухе районах, где агровольтаические системы могут быть более эффективными, чем выращивание в открытом грунте».

Исследователи выяснили, что с точки зрения эффективности фотоэлектрических систем агровольтаические системы имеют более высокие удельные инвестиционные затраты по сравнению с обычными наземными фотоэлектрическими системами. Затраты обычно увеличиваются на 20–90 %. Это связано в первую очередь с более сложными и прочными конструкциями, необходимыми для ведения сельского хозяйства.

«Дополнительные конструктивные элементы, необходимые для того, чтобы агрофотоэлектрические установки не мешали сельскохозяйственным работам, также увеличивают воздействие агрофотоэлектрических систем на окружающую среду примерно на 20 % по сравнению с обычными наземными фотоэлектрическими системами», — сказал соавтор исследования Алессандро Агостини. «Кроме того, если агрофотоэлектрические системы снижают продуктивность сельского хозяйства из-за затенения или уменьшения полезной площади, они могут привести к перемещению земель и их дополнительной оккупации за пределами самого участка. При определенных условиях агрофотоэлектрические системы могут вырабатывать меньше удельной энергии, чем обычные фотоэлектрические системы, из-за более высокой степени загрязнения почвы, связанной с сельскохозяйственной деятельностью».

Команда также подчеркнула преимущества совместного размещения фотоэлектрических систем и сельскохозяйственных культур, отметив, что выбор культур в зависимости от альбедо может влиять на отражение солнечного света и эффективность фотоэлектрических систем. «Микроклимат, создаваемый фотоэлектрическими модулями и сельскохозяйственными культурами, может повысить эффективность фотоэлектрических систем за счет снижения рабочей температуры модулей из-за транспирации растений, — пояснил Кампана. — Меньшая плотность модулей и особые агрофотоэлектрические конфигурации, например вертикальная установка, могут снизить температуру солнечных элементов до 10 °C, что еще больше повысит эффективность».

«Мы изучили действующие рекомендации, стандарты, нормативные акты и политику в области агрофотовольтаики по всему миру, — рассказывает исследователь Анатолий Чаципанаги. — Наш анализ показывает, что точное прогнозирование производительности системы до ее установки имеет решающее значение, особенно в странах с установленными целевыми показателями урожайности, таких как Италия, Франция, Германия и Япония. Это, в свою очередь, повышает спрос на передовые инструменты моделирования, которые могут учитывать особенности конструкции системы, ее компонентов, затенения, облучения почвы, изменения микроклимата, урожайность и выработку энергии для оптимизации общей конструкции системы».

«Достижения в области моделирования, симуляции и оптимизации должны дополняться полевыми исследованиями, — добавил соавтор статьи Джордан Макник. — В нашей статье мы выявили по меньшей мере пять недостатков текущих полевых исследований, в том числе использование небольших объектов с нестандартными фотоэлектрическими системами, отсутствие комплексных баз данных, недостаточное количество стандартизированных протоколов и показателей эффективности, а также короткие сроки проведения экспериментов».

В заключение исследователи подчеркнули, что анализ технико-экономических, экологических и социальных аспектов агровольтаики, а также ее влияния на ландшафт и подходящих для ее внедрения территорий имеет решающее значение для разработки политики в этой сфере.

В исследовательскую группу вошли ученые из Университета Мелардален в Швеции, Национальной лаборатории по изучению солнечной энергии (NREL) в США, Католического университета Святого Сердца в Италии, Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда в Саудовской Аравии, Института систем солнечной энергии Фраунгофера в Германии, Китайского университета науки и технологий, Объединенного исследовательского центра ЕС и Итальянского национального агентства по новым технологиям (ENEA).