Các tấm pin mặt trời mới cho phép nông dân nhìn thấy ánh sáng

Các tấm pin mặt trời mới cho phép nông dân nhìn thấy ánh sáng

    Các tấm pin mặt trời mới cho phép nông dân nhìn thấy ánh sáng
    Các nhà nghiên cứu khai thác ánh sáng mặt trời để thu hoạch năng lượng và thực phẩm cùng nhau, sử dụng toàn bộ quang phổ ánh sáng để cải thiện kết quả đầu ra.

    Các tấm pin mặt trời mới sẽ lọc ánh sáng hiệu quả hơn.

    Ảnh của UC Davis

    Đất canh tác luôn ở mức cao nhất mọi thời đại. Kể từ kỷ băng hà cuối cùng, con người đã phát quang 1/3 diện tích rừng và 2/3 đồng cỏ hoang trên trái đất, phần lớn diện tích này để làm nông nghiệp. Và khi dân số thế giới—8 tỷ người vào tháng 11 năm ngoái—tiếp tục gia tăng, áp lực ngày càng tăng đối với đất nông nghiệp để sản xuất không chỉ nhiều lương thực hơn mà cả năng lượng sạch.

    Ở những nơi như Yakima, Washington, nó đã tạo ra sự cạnh tranh về không gian khi các mảng năng lượng mặt trời ngốn đất chiếm lấy các cánh đồng có sẵn. Tháng trước, Hội đồng Đánh giá Địa điểm Cơ sở Năng lượng của tiểu bang đã phê duyệt kế hoạch bao phủ 1.700 mẫu đất nông nghiệp bằng các tấm pin quang điện (PV), gạt bỏ lệnh cấm của quận đối với các dự án năng lượng mặt trời và làm dấy lên mối lo ngại của cộng đồng về tác động lâu dài của việc mất đất trồng trọt.

    Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây của Đại học California, Davis cho thấy nông dân có thể sớm thu hoạch mùa màng và năng lượng như thế nào trên cơ sở chung. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng các dải trong phổ ánh sáng khả kiến có thể được lọc và khai thác riêng biệt—sóng ánh sáng xanh để tạo ra năng lượng mặt trời và sóng ánh sáng đỏ để trồng trái cây và rau củ—nhằm tận dụng tối đa đất nông nghiệp, đồng thời giảm căng thẳng nhiệt và giảm lãng phí cây trồng.

    “Tại sao [nông nghiệp] phải là một trò chơi có tổng bằng không nếu chúng ta có thể tối ưu hóa đất đai cho cả hai?” hỏi Majdi Abou Najm, phó giáo sư tại Khoa Tài nguyên Đất, Không khí và Nước tại UC Davis và là đồng tác giả của Viện Môi trường, đồng tác giả của bài báo.

    Ông giải thích: Photon, hoặc các hạt tạo nên ánh sáng, có các tính chất khác nhau: Hạt màu xanh có năng lượng cao hơn hạt màu đỏ, dẫn đến ánh sáng có bước sóng ngắn hơn và tần số cao hơn. Mặc dù điều đó mang lại cho ánh sáng xanh một cú giật cần thiết để tạo ra năng lượng, nhưng xung bổ sung cũng dẫn đến nhiệt độ cao hơn.

    Abou Najm nói: “Từ góc độ thực vật, các photon đỏ là những photon hiệu quả. “Chúng không làm cho cây cảm thấy nóng.”

    Thông qua mô hình máy tính, Abou Najm và tác giả chính Matteo Camporese, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Môi trường và Kiến trúc tại Đại học Padova, đã phát hiện ra rằng việc áp dụng sóng ánh sáng đỏ cho thực vật làm tăng quá trình quang hợp và đồng hóa carbon - quá trình mà chúng chuyển hóa. carbon dioxide thành các hợp chất hữu cơ—đồng thời làm giảm sự thoát hơi nước. Nói cách khác, dưới quang phổ mát hơn, “cây trồng có thể nhận được cùng một lượng CO2 mà sử dụng ít nước hơn,” ông nói.

    Abou Najim cho biết: “Mặc dù nghiên cứu của họ lấy cảm hứng từ các ứng dụng ánh sáng thủy canh được sử dụng trong các hệ thống canh tác trong nhà, nhưng “những ứng dụng này có chi phí năng lượng cao”. “Chúng tôi quyết định sử dụng ánh sáng mặt trời làm thông tin đầu vào.”

    Abou Najim cho biết, một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu là “thúc đẩy ngành công nghiệp tạo ra một thế hệ tấm pin mặt trời mới”. Camporese nhìn thấy tiềm năng trong pin mặt trời hữu cơ, không giống như bề mặt silicon, kim loại, sáng bóng, có nguồn gốc từ các hợp chất dựa trên carbon. Mỏng và trong mờ, các tế bào này được dán giống như một lớp phim lên các bề mặt khác nhau, bao gồm cả kính. Ông nói, công nghệ này có thể được sử dụng để phát triển các tấm pin quang điện chọn lọc ảnh lọc ánh sáng xanh để tạo ra năng lượng, đồng thời truyền phổ màu đỏ cho các loại cây trồng được trồng ngay bên dưới.

    Cà chua được trồng dưới tấm năng lượng mặt trời lọc ánh sáng. Hình ảnh  của UC Davis.

    Lĩnh vực nông nghiệp đang phát triển, trong đó đất được sử dụng cho cả sản xuất lương thực và sản xuất năng lượng, trên thực tế, đã làm cho việc sử dụng đất hiệu quả hơn bằng cách xen kẽ các mảng năng lượng mặt trời thông thường giữa các hàng cây trồng. (Chăn thả bằng năng lượng mặt trời là một biến thể trong đó chăn thả gia súc ở giữa các mảng.) Các tấm góc nghiêng che các loại rau ăn lá và trái cây nhạy cảm với nhiệt khỏi những tia nắng gay gắt nhất trong ngày; trong khi đó, thực vật thoát hơi nước và hạ thấp nhiệt độ bên dưới các tế bào nhạy cảm với nhiệt, do đó cải thiện hiệu suất của chúng.

    Tuy nhiên, cây trồng thông qua hệ thống điện nông nghiệp được trồng trong bóng râm một phần và  “ít ánh sáng hơn thường có nghĩa là năng suất thấp hơn,” Camporese nói. Điều này thực sự đặt ra giới hạn về mật độ của các tấm pin mặt trời và việc trồng trọt trong các trang trại đồng phát điện. Ông lưu ý, nhưng các mảng trong mờ sẽ cho phép bao phủ toàn bộ trường của cả hai, tối đa hóa việc sử dụng đất và tạo ra cú hích lớn cho năng suất trên mỗi mẫu Anh.

    Tháng 5 năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu thực địa hạn chế về cắt xén chọn lọc ảnh tại Trạm Thí nghiệm Nông nghiệp UC Davis. Nhóm đã trồng cà chua chế biến—một loại cây trồng phổ biến ở Thung lũng Sacramento—trên các mảnh đất nhỏ, có kích thước bằng nhau, một mảnh được che bằng bộ lọc màu đỏ chọn lọc ảnh, mảnh kia có màu xanh lam và mảnh thứ ba không che phủ làm đối chứng.

    Sau khoảng bốn tháng, bao gồm cả đợt nắng nóng kỷ lục vào đầu tháng 9, hai ô được lọc, mỗi ô cho năng suất thấp hơn khoảng một phần ba so với ô không được che chắn. Tuy nhiên, khi được phân loại cho chất lượng 

    —chín, chưa chín hoặc “xấu”—ô đối chứng chiếm gấp đôi lượng cà chua thối. Abou Najm cho biết: “Vì vậy, các bộ lọc đã giúp giảm căng thẳng về nhiệt và cắt giảm hơn một nửa lượng lãng phí [cây trồng]”.

    Ông nói thêm việc sản xuất năng lượng lên trên và lợi ích ròng sẽ bù đắp nhiều hơn cho vụ thu hoạch bị giảm sút. Bằng cách định vị các loại cây trồng và phát điện bằng năng lượng mặt trời, “100 phần trăm trở thành một con số rất thấp khi bạn có thể đạt được sản lượng 120 hoặc 140 phần trăm.”

    Và đối với các quốc gia và khu vực đang phải đối mặt với tình trạng khan hiếm đất nông nghiệp, điều đó làm cho năng suất tăng lên thậm chí còn có giá trị hơn, đặc biệt là khi tạo ra năng lượng sạch cần diện tích đất nhiều hơn gấp 10 lần trên mỗi đơn vị năng lượng so với nhiên liệu hóa thạch.

    Abou Najm cũng coi phương pháp có mái che là một cách để nông dân xây dựng khả năng phục hồi khí hậu. Lọc ánh nắng mặt trời giúp đất giữ được độ ẩm và bảo vệ người nông dân khỏi những tia nắng gay gắt, trong khi sự thoát hơi nước thấp hơn có nghĩa là cần ít nước hơn cho cây trồng. Và bằng cách tạo ra năng lượng của riêng họ, nông dân có thể bù đắp chi phí năng lượng ngày càng tăng và thúc đẩy ngành công nghiệp sử dụng các thiết bị và phương tiện chạy điện, ông nói thêm.

    Abou Najm cho biết: “Đến năm 2050, chúng ta sẽ có [thêm] hai tỷ người trên hành tinh này và chúng ta sẽ cần thêm 60% lương thực, 40% nước và 50% năng lượng” so với mức sản xuất hiện tại. Nghiên cứu cần phải diễn ra ở cấp độ biến đổi để đáp ứng những nhu cầu ngày càng tăng đó.

    Bằng cách tối đa hóa quang phổ mặt trời, “chúng tôi đang tối ưu hóa nguồn tài nguyên bền vững vô tận,” ông nói thêm. “Nếu một công nghệ khởi động có thể phát triển các bảng này, thì bầu trời là giới hạn về mức độ tối ưu hóa của chúng tôi.”

    Zalo
    Hotline