Các kỹ sư thiết kế mái mặt trời để thu hoạch năng lượng cho nhà kính
bởi Đại học California, Los Angeles
Một nguyên mẫu nhà kính thu nhỏ với mái nhà được xây dựng bằng pin mặt trời bán trong suốt được phát minh bởi các nhà khoa học vật liệu UCLA dẫn đến sự phát triển của cây tốt hơn so với nhà kính truyền thống. Ảnh: Phòng thí nghiệm Yang Yang/UCLA
Khi các quốc gia trên toàn cầu tìm kiếm các nguồn năng lượng bền vững và các nỗ lực của Hoa Kỳ để trở thành nền kinh tế phát thải ròng vào năm 2050, các nguồn năng lượng tái tạo như các tấm pin mặt trời đang có nhu cầu cao.
Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời có thể chiếm không gian đáng kể và thường khó khăn để mở rộng quy mô. Vào lĩnh vực mới của Agrivoltaics, tập trung vào việc sử dụng đất đồng thời cho cả sản xuất năng lượng mặt trời và nông nghiệp. Ví dụ, việc thay thế kính trong nhà kính bằng các tấm pin mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho đèn và điều khiển nước trong nhà kính, hoặc thậm chí toàn bộ trang trại. Nhưng làm thế nào để một người xây dựng các tấm pin mặt trời có thể hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời mà không chặn ánh sáng mà thực vật cần?
Nhà khoa học vật liệu của Trường Kỹ thuật UCLA Samueli Yang Yang và nhóm của ông đã thiết kế một thiết bị như vậy. Trong một nghiên cứu được công bố ngày hôm nay về tính bền vững tự nhiên, họ khám phá một ứng dụng mới, khả thi của pin mặt trời không yêu cầu các mảnh đất lớn.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một chiến lược để tăng cường pin mặt trời hữu cơ bán trong suốt. Những tế bào này dựa vào các vật liệu dựa trên carbon, trái ngược với các chất vô cơ trong các thiết bị thông thường. Các nhà điều tra đã kết hợp một lớp hóa chất xuất hiện tự nhiên gọi là L-Glutathione, được bán dưới dạng bổ sung chế độ ăn uống chống oxy hóa trên quầy, và thấy rằng sự bổ sung đã mở rộng tuổi thọ của pin mặt trời, cải thiện hiệu quả của chúng và vẫn cho phép ánh sáng mặt trời đầy đủ Cây trong một nguyên mẫu nhà kính về kích thước của một ngôi nhà búp bê nhỏ.
"Vật liệu hữu cơ phù hợp duy nhất cho Agrivoltaics vì tính chọn lọc hấp thụ ánh sáng của chúng", Yang, người cũng có một cuộc hẹn với giảng viên về sinh học và nắm giữ chủ tịch của Carol và Lawrence E. Tannas Jr. "Hạn chế chính đã ngăn chặn việc sử dụng rộng rãi của họ cho đến nay là sự thiếu ổn định của họ."
Tế bào mặt trời hữu cơ có xu hướng làm suy giảm nhanh hơn các đối tác vô cơ của chúng vì ánh sáng mặt trời có thể khiến các vật liệu hữu cơ bị oxy hóa và do đó mất các electron. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng lớp bổ sung của l-glutathione đã ngăn các vật liệu khác trong pin mặt trời oxy hóa, dẫn đến các tế bào hữu cơ duy trì hơn 80% hiệu quả sau 1.000 giờ sử dụng liên tục lớp được thêm vào.
Nhóm nghiên cứu cũng theo dõi sự tăng trưởng của các loại cây trồng phổ biến bao gồm lúa mì, đậu mung và bông cải xanh trong hai cuộc biểu tình riêng biệt. Người ta có một mái nhà kính trong suốt với các phân khúc pin mặt trời vô cơ, và cái còn lại có một mái nhà được làm hoàn toàn từ pin mặt trời hữu cơ bán trong suốt. Các loại cây trồng trong nhà kính với mái mặt trời hữu cơ tăng lên nhiều hơn so với cây trồng trong nhà kính thông thường. Các nhà khoa học tin rằng điều này là do lớp L-Glutathione bị chặn các tia cực tím, có thể ức chế sự phát triển của thực vật và các tia hồng ngoại, có thể khiến nhà kính quá nóng và thực vật bên trong để cần nhiều nước hơn.
"Chúng tôi đã không mong đợi các pin mặt trời hữu cơ vượt trội so với nhà kính mái thủy tinh thông thường", Yepin Zhao, tác giả chính của nghiên cứu và một học giả sau tiến sĩ UCLA trong phòng thí nghiệm của Yang cho biết. "Nhưng chúng tôi đã lặp lại các thí nghiệm nhiều lần với cùng một kết quả và sau khi nghiên cứu và phân tích thêm, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các nhà máy không cần nhiều ánh sáng mặt trời để phát triển như chúng tôi nghĩ ban đầu. Trên thực tế, quá nhiều ánh nắng mặt trời có thể gây hại nhiều hơn hơn là tốt, đặc biệt là ở vùng khí hậu như California, nơi ánh sáng mặt trời phong phú hơn. "
Trước những phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã thành lập một công ty khởi nghiệp tại UCLA nhằm mục đích mở rộng sản xuất các pin mặt trời hữu cơ để sử dụng công nghiệp. Các nhà nghiên cứu cho biết họ hy vọng sẽ làm cho các nhà kính thân thiện với môi trường kết hợp các pin mặt trời hữu cơ có sẵn trên thị trường trong tương lai.
