Как электрифицировать теплицы с помощью полупрозрачных фотоэлектрических панелей и тепловых насосов
Аккумулятор Challenger EVG12-75
Исследователи из Канады обнаружили, что 69-процентно прозрачные фотоэлектрические модули из кристаллического кремния могут повысить урожайность томатов в теплице на 38%, при этом не препятствуя здоровому росту растений за счет частичного затенения. Моделирование также показало, что сочетание агрофотовольтаики на крышах с тепловыми насосами позволяет полностью отказаться от отопления с использованием ископаемого топлива.
Исследователи из Западного университета в Канаде изучили различные типы полупрозрачных фотоэлектрических модулей (STPV) с разной степенью прозрачности в теплицах для выращивания томатов, чтобы определить оптимальную конфигурацию панелей.
«В ходе эксперимента мы протестировали несколько полупрозрачных фотоэлектрических конфигураций для теплиц, в которых выращиваются помидоры сорта Ред Робин, в том числе кристаллический кремний с прозрачностью 44% и 69%, а также люминесцентные солнечные концентраторы с прозрачностью 53% и 69% и красные и синие тонкопленочные панели с прозрачностью 50%», — рассказал автор исследования Джошуа М. Пирс. «Агрофотоэлектрические системы обеспечивали стабильное содержание хлорофилла в листьях и сопоставимые с контрольными показатели роста, однако фотоэлектрические модули из 69% прозрачного кристаллического кремния повысили урожайность на 38%. Мы уже сталкивались с подобным: сельскохозяйственные культуры часто хорошо реагируют на сочетание полного солнечного света и полутени, создаваемой такими модулями. Эффект аналогичен тому, что происходит с растениями под пологом леса, где они получают много солнечного света, но при этом испытывают меньший тепловой и световой стресс».
Основываясь на результатах экспериментов, исследовательская группа использовала стек с открытым исходным кодом, включающий EnergyPlus, Python и SAM, для моделирования промышленных теплиц. «Результаты показывают, что замена обычного газового обогревателя на тепловой насос полностью исключает потребление ископаемого топлива и увеличивает потребление электроэнергии всего в 1,5 раза, — продолжает Пирс. — Интеграция выбранной фотоэлектрической системы с прозрачностью 69 % и тепловым насосом позволила полностью электрифицировать агровольтовую теплицу. При этом было покрыто лишь около 13 % общей годовой потребности в электроэнергии». Если вам нужна полностью агровольтаическая теплица, в том числе с отоплением, ее необходимо дополнить агровольтаическими панелями на полях.
В исследовании «Интеграция полупрозрачных фотоэлектрических модулей и тепловых насосов в агрофотоэлектрические теплицы для выращивания томатов: экономия энергии, экономическая выгода и защита окружающей среды», опубликованном в журнале Energy and Buildings, ученые объясняют, что, хотя предыдущие экспериментальные и имитационные исследования продемонстрировали, что солнечные фотоэлектрические системы могут частично или полностью удовлетворять потребности в энергии теплиц с тепловыми насосами, ни в одном из них не рассматривалось использование полупрозрачных фотоэлектрических модулей, установленных на крыше, а также не изучалось прямое влияние частичного затенения или прозрачности на показатели роста растений.
Команда провела оценку агрофотоэлектрических тепличных систем в пять основных этапов: агрофотоэлектрические эксперименты, моделирование энергопотребления в теплице, интеграция теплицы с тепловым насосом, моделирование полупрозрачных фотоэлектрических систем (STPV) и общий анализ системы. Для моделирования и анализа трех сценариев использования теплиц были использованы три программных инструмента: EnergyPlus, Python и SAM.
Экспериментальные исследования проводились на платформе WIRED в Лондоне, провинция Онтарио, Канада, с использованием двух идентичных теплиц для выращивания томатов. Помидоры сорта «Ред Робин» выращивались в течение 19 недель с применением различных агровольтаических методов и в контрольном режиме. Были протестированы различные двусторонние технологии STPV с разным уровнем прозрачности и спектральными характеристиками, в том числе модули из кристаллического кремния, тонкопленочного теллурида кадмия (CdTe) и люминесцентных солнечных концентраторов (LSC).
Условия выращивания растений были идентичными, за исключением различий в интенсивности и спектре освещения, обусловленных использованием модулей STPV. Контролировалось содержание хлорофилла и условия окружающей среды, а тепловое взаимодействие между теплицей и внешней средой моделировалось с использованием местных метеорологических данных и принципов теплопередачи. Для воспроизведения реалистичных условий выращивания томатов в теплице были использованы дополнительное светодиодное освещение, эффекты эвапотранспирации, рециркуляционные вентиляторы, контроль влажности и стратегии вентиляции.
Эффективность всей системы оценивалась с помощью ключевых показателей, связанных с энергоемкостью, потреблением электроэнергии и топлива, экономией эксплуатационных расходов, урожайностью в теплицах и сокращением выбросов углекислого газа. Экономический анализ включал в себя учет местных тарифов на электроэнергию и природный газ, а воздействие на окружающую среду оценивалось с использованием коэффициентов выбросов для Онтарио, характерных для сетевой электроэнергии и сжигания природного газа.
Эксперименты показали, что здоровые томаты черри можно успешно выращивать как в условиях полупроницаемой фотоэлектрической системы (STPV), так и в обычных теплицах. Измерения содержания хлорофилла и собранной свежей массы показали, что при использовании большинства агрофотоэлектрических систем здоровье растений и их продуктивность не уступают контрольным показателям или даже превосходят их.
Среди протестированных конфигураций модули из 69-процентно прозрачного кристаллического кремния обеспечили наиболее стабильное и статистически достоверное повышение урожайности. Более того, при использовании некоторых методов STPV общая урожайность томатов увеличилась на 74 % по сравнению с контрольным вариантом, в основном за счет того, что частичное затенение снижало чрезмерное воздействие света и теплового стресса на растения.
Кроме того, результаты моделирования показали, что замена отопления на природном газе на тепловые насосы полностью исключает использование ископаемого топлива и существенно снижает выбросы парниковых газов. Несмотря на то, что электрификация увеличила годовую потребность в электроэнергии, более высокая эффективность тепловых насосов ограничила рост эксплуатационных расходов.
«Сочетание агрофотоэлектрических полей с частично автоматизированными агрофотоэлектрическими теплицами, на мой взгляд, представляет собой хорошую синергетическую стратегию, — заключил Пирс. — Вы можете использовать невероятное количество энергии, которую можно вырабатывать на агрофотоэлектрических полях, с помощью системы учета электроэнергии, чтобы сделать круглогодичное тепличное производство экономически выгодным и экологичным».