Lý thuyết
Nông nghiệp (APV), đồng vị trí của nông nghiệp và quang điện (PV), giải quyết sự cạnh tranh vốn có về sử dụng đất. Đưa khái niệm lưỡng dụng tương tự vào cảnh quan đô thị, APV trên mái nhà có thể cung cấp thực phẩm được trồng tại địa phương ở những khu vực cần thiết đồng thời cung cấp năng lượng phân tán. Trong cuộc điều tra kéo dài nhiều năm này, các lô APV khác nhau ở phía bắc Colorado, Hoa Kỳ, đã được nghiên cứu về số liệu cây trồng, truyền ánh sáng, nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất / chất nền và độ ẩm. Cây trồng được trồng dưới các loại bảng điều khiển năng lượng mặt trời khác nhau bao gồm silicon mờ đục và công nghệ CdTe màng mỏng mờ đục và bán trong suốt (ST). Điều kiện tăng trưởng được đặc trưng cho thấy điều kiện được cải thiện chung và nhiệt độ vừa phải dưới các tấm. Các tấm ST-CdTe đã tăng bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) so với cả hai loại bảng mờ đục mà không có sự gia tăng nhiệt độ tương ứng đáng kể.
1. Giới thiệu
1.1. Quang điện mặt trời (PV)
Biến đổi khí hậu là vấn đề cấp bách nhất mà nhân loại phải đối mặt. Ước tính từ Hội đồng Bảo vệ Tài nguyên Thiên nhiên (NRDC) [1] chỉ ra rằng, nếu không được giải quyết, biến đổi khí hậu có thể khiến nền kinh tế Mỹ thiệt hại 615 tỷ USD mỗi năm vào năm 2050. Con số này chiếm 1,47% GDP của Mỹ. Nhiều quốc gia, bao gồm cả Hoa Kỳ, cam kết phát thải carbon ròng bằng 0 vào năm 2050. Thỏa thuận xanh châu Âu là khuôn khổ dài hạn của Liên minh châu Âu để đạt được mục tiêu trung hòa khí hậu vào năm 2050. Nó dựa vào PV năng lượng mặt trời để giúp đạt được sự phát triển kinh tế, thịnh vượng trong tương lai và khả năng phục hồi [2]. Dựa trên mô hình kinh tế, đạt được 100% với hơn 60% năng lượng mặt trời là cách tiếp cận hiệu quả nhất về chi phí để đạt được mức trung hòa khí hậu vào năm 2050 [3].
Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA) [4], điện mặt trời PV chiếm 2,8% lượng điện được tạo ra ở Mỹ vào năm 2021. Để đạt được 60% công suất, khoảng 500 gigawatt (GW) lắp đặt năng lượng mặt trời dân dụng mới và 1500 GW năng lượng mặt trời quy mô tiện ích mới sẽ cần được xây dựng vào năm 2050 chỉ riêng ở Mỹ. Kinh tế học thúc đẩy sự gia tăng triển khai PV — chi phí càng thấp, sự hấp thụ càng lớn. Chi phí PV năng lượng mặt trời đã giảm đáng kể trong năm năm qua và hiện có chi phí thấp hơn các công nghệ phát điện khác. Tại Mỹ, năng lượng không trợ cấp hiện được sản xuất ở quy mô tiện ích dưới 30 USD / megawatt Giờ (MWh) [5], thấp hơn nhiều so với chi phí sản xuất than. Ngay cả với tốc độ tăng trưởng đáng kể ngày nay để triển khai PV, sẽ mất vài thập kỷ để đạt được năng lượng không có carbon cho phần lớn thế giới. Sự gia tăng đáng kể nhu cầu về điện PV sẽ đòi hỏi các cách tiếp cận khác nhau để triển khai và tích hợp.
1.2. Nông nghiệp
Thuật ngữ agrivoltaics (APV) là sự rút gọn của hai từ nông nghiệp và quang điện. Khi nhu cầu về năng lượng mặt trời tái tạo tăng cao ở Mỹ và trên toàn thế giới, nhu cầu về thực phẩm cũng vậy. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) đã dự đoán rằng trong khi tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tăng tới 50% vào năm 2035, sản xuất lương thực phải tăng 60% để nuôi sống dân số thế giới vào năm 2050 [6]. Tiêu thụ năng lượng từ nông nghiệp là một đóng góp đáng kể cho việc sử dụng năng lượng tổng thể [7]. Mô hình APV cung cấp một khuôn khổ để giải quyết những thách thức này trong mối quan hệ thực phẩm - năng lượng - nước.
APV là một mô hình sử dụng đất với các phương tiện để cung cấp năng lượng khử cacbon trong khi vẫn giữ cho đất nông nghiệp sản xuất. Chiến lược đa sử dụng đất của APV tối đa hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời bằng cách thu giữ một phần năng lượng để sản xuất năng lượng PV trong khi cho phép phần còn lại được sử dụng cho sản xuất thực phẩm nông nghiệp. Mô hình APV đã tồn tại trên toàn cầu trong nhiều thập kỷ, nhưng việc áp dụng có thể mở rộng là lẻ tẻ [8]. Nông nghiệp đã được chứng minh là mang lại lợi ích kinh tế tổng thể [9,10].
Khi chi phí của công nghệ PV giảm và nhu cầu chuyển đổi đất nông nghiệp sang trang trại năng lượng mặt trời tăng lên, tiềm năng cho APV đang tăng lên. Sự hiểu biết được cải thiện về môi trường tăng trưởng cây trồng có lợi cho việc tăng cường thực hiện và thiết kế các trang trại được tối ưu hóa [11]. Cụ thể, cần phải hiểu môi trường tăng trưởng cây trồng được tạo ra trong một hệ thống nông nghiệp ở một khu vực địa lý cụ thể và các tác động tiềm tàng của nó đối với cây trồng quan trọng đối với khu vực đó (ví dụ: rau). Các nghiên cứu đã cho thấy kết quả thuận lợi cho các hệ thống APV [12], đặc biệt là khi được triển khai ở các vùng ấm hơn [13,14].
Trong APV, hiệu ứng đổ bóng từ độ bao phủ cao của các tấm mờ đã được chứng minh là có tác động tiêu cực đến cây trồng [15]. Các tấm pin mặt trời bán trong suốt đang bắt đầu được nghiên cứu cho APV [16,17,18]. Các tấm silicon ST sử dụng các khoảng trống giữa các tế bào mờ đục để ánh sáng đi qua. Tấm ST màng mỏng là một công nghệ mới hơn với những lợi ích tiềm năng cho APV. APV màng mỏng ST có độ trong suốt đồng nhất [18] và sử dụng màng hấp thụ chất bán dẫn tương đối ít hơn so với các màng mờ đục. Lượng ánh sáng đi qua bảng điều khiển (và sau đó có sẵn cho sự phát triển của cây trồng) có thể được điều chỉnh trong quá trình sản xuất. Cadmium telluride (CdTe) năng lượng mặt trời là công nghệ màng mỏng thành công nhất và đã chứng minh chi phí năng lượng rất thấp cho các ứng dụng quy mô tiện ích [19]. Các tấm nền ST CdTe đang được nghiên cứu để xây dựng tích hợp cho các cửa sổ [20,21]; tuy nhiên, rất ít nghiên cứu đã được báo cáo về CdTe bán trong suốt được sử dụng cho APV [16].
1.3. Nông nghiệp trên mái nhà (RAPV)
APV có thể được triển khai trong một không gian thực địa mở hoặc tích hợp vào các thiết lập trên mái nhà tạo thành agrivoltaics trên mái nhà (RAPV). Mái nhà là một biên giới chính trong việc tìm kiếm an ninh lương thực đô thị [22]. Các khu vực đô thị có không gian hạn chế có sẵn cho sản xuất thực phẩm truyền thống xảy ra. Nghịch lý thay, thường có một lượng đáng kể không gian không sử dụng trên mái của các tòa nhà. RAPV có thể cung cấp một giải pháp tích hợp đầy đủ trên không gian chưa được sử dụng bên dưới các tấm pin và giải quyết các vấn đề tại mối quan hệ thực phẩm - nước - năng lượng.
Các nghiên cứu chứng minh tính khả thi của việc trồng thực phẩm trên các mái nhà có độ dốc thấp ở khu vực đô thị. Tính đến thời điểm xuất bản bài báo của [23], có khoảng 17,5 ha trang trại trên mái nhà trên thế giới, với phần lớn (khoảng 15 ha) ở Bắc Mỹ. Có một cơ hội để kết hợp các trang trại trên mái nhà với sản xuất năng lượng PV. Trong các cài đặt RAPV hiệp đồng này, các nhà máy làm mát bay hơi các tấm pin mặt trời và các tấm pin mặt trời che bóng một phần cho cây trồng ở nhiệt độ cao, không gian hạn chế nước trên mái nhà xanh. Việc bảo vệ khỏi các tấm pin mặt trời làm chậm tốc độ sử dụng nước của các nhà máy bên dưới chúng, làm giảm căng thẳng hạn hán của cây lương thực.
1.4. Triển khai nông nghiệp
Việc triển khai APV giải quyết mối quan tâm chính đối với việc phân bổ sử dụng đất PV bằng cách mở ra các khu vực nông nghiệp để triển khai PV [13]. Hầu hết các cài đặt APV liên quan đến việc lắp đặt các hệ thống PV tiêu chuẩn, có lẽ trên giá đỡ được sửa đổi hoặc nâng cao, trong môi trường nông nghiệp tiêu chuẩn. Điều này sẽ cho phép lao động nông nghiệp và máy móc tiếp cận với các loại cây trồng dưới các tấm. Mặc dù vị trí đơn giản này có thể có lợi, nhưng có sự đánh đổi giữa sản xuất nông nghiệp và PV. Ví dụ, các hàng bảng điều khiển thường cách xa nhau hơn so với lắp đặt PV phi nông nghiệp. Điều này là để cho phép đủ ánh sáng mặt trời để tiếp cận cây trồng. Cách tiếp cận này đã chứng minh lợi ích bao gồm giảm căng thẳng hạn hán thực vật, sản xuất lương thực lớn hơn cho các loại cây rau quan trọng trong khu vực và giảm căng thẳng nhiệt bảng PV [13].
Có một sự cân bằng tích cực giữa sản xuất năng lượng (mật độ bảng điều khiển PV cao với bóng cây đáng kể) và bức xạ hoạt động quang hợp cao (PAR) hoặc mật độ bảng điều khiển thấp với bóng tối thiểu. Để đạt được 80% bức xạ hoạt động quang hợp trên bầu trời mở (PAR), chỉ ~ 50% phạm vi bao phủ của bảng điều khiển có thể được thực hiện trong việc triển khai APV truyền thống [24]. Việc sử dụng PV bán trong suốt mới được phát triển có khả năng giảm thiểu những vấn đề này và được nghiên cứu ở đây. Những sự đánh đổi này đòi hỏi phải tăng chi phí thiết kế hệ thống và hiểu biết về các yêu cầu cải cách hành chính của cây trồng để cân bằng chi phí vốn, sản xuất điện và năng suất cây trồng để duy trì tính kinh tế tổng thể.
Trong công việc này, chúng tôi điều tra môi trường tăng trưởng cây trồng theo bốn loại cài đặt APV ở hai địa điểm riêng biệt. Các tấm CdTe màng mỏng bán trong suốt được so sánh với CdTe mờ đục và silicon tinh thể tương tự. Chỉ số đo quang phổ, nhiệt độ không khí trên cây trồng và dữ liệu nhiệt độ đất được báo cáo cho từng loại bảng điều khiển.
2. Thí nghiệm APV
Các thí nghiệm này điều tra môi trường phát triển APV trong các mảng PV thử nghiệm bằng cách sử dụng các loại bảng điều khiển, cấu hình lắp đặt và định hướng khác nhau. Ba loại bảng điều khiển PV khác nhau được triển khai tại hai địa điểm APV riêng biệt đã được nghiên cứu. Cả hai địa điểm đều nằm trên khu đất thuộc sở hữu của Đại học Bang Colorado (CSU), cách nhau khoảng 14 km. Đầu tiên, ARDEC South, sẽ được gọi là "ARDEC", có chín mảng PV gắn cực (Hình 1 và Hình 2). Cơ sở thứ hai, Foothills Campus, sẽ được gọi là "Foothills", có một hệ thống phát triển RAPV mô phỏng dưới một mảng PV gắn trên mặt đất (Hình 3). Ba loại tấm đã được nghiên cứu: silicon đa tinh thể mờ đục (O-Si), cadmium telluride màng mỏng mờ đục (O-CdTe) và cadmium telluride bán trong suốt màng mỏng (ST-CdTe) với độ trong suốt 40% (Hình 1).
Hình 1. Hệ thống APV thử nghiệm với tấm CdTe bán trong suốt. Bảng điều khiển có độ trong suốt 40%.
Hình 2. Tổng quan về trang web ARDEC (A) Các lô thử nghiệm AV được sao chép tại địa điểm ARDEC South của CSU. (B) Silicon mờ (O-Si). (C) CdTe bán trong suốt (ST-CdTe).
Hình 3. Tổng quan về trang web Foothills Campus. (A) Xây dựng mô phỏng cài đặt RAPV. (B) Môi trường phát triển dưới các tấm O-CdTe tại Foothills. (C) Môi trường phát triển dưới các tấm pin mặt trời ST-CdTe 40% tại Foothills.
2.1. ARDEC Nam (ARDEC)
Nghiên cứu này được thực hiện trên việc lắp đặt thử nghiệm vĩnh viễn các mảng PV gắn trên cực trên đất hữu cơ được chứng nhận tại Trung tâm Nghiên cứu, Phát triển và Giáo dục Nông nghiệp CSU, Nam (ARDEC) (40.610012, -104.993979; độ cao: 1523 m), vào năm 2020 và 2021. CSU ở Fort Collins, CO, có 3,4 ha không gian hữu cơ được chứng nhận dành riêng cho nghiên cứu và trình diễn hệ thống trồng rau. Đất tại ARDEC được phân loại là đất sét Nunn loam [25]. Các mẫu đất được thu thập ở độ sâu 20-30 cm mỗi năm trước khi trồng và được thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Thử nghiệm Đất, Nước và Thực vật CSU. Đất được phân tích độ pH, độ dẫn điện, vôi, kết cấu, chất hữu cơ và hàm lượng dinh dưỡng để xác định tỷ lệ phân bón được khuyến nghị trong mùa sinh trưởng.
Các ô PV được lắp đặt dưới dạng thiết kế khối hoàn chỉnh ngẫu nhiên (RCBD) với ba loại trong suốt của bảng điều khiển và một điều khiển mặt trời đầy đủ trong ba bản sao trong môi trường trường mở (Hình 2A). Hai loại bảng tại ARDEC đã được đưa vào nghiên cứu này. Loại đầu tiên là telluride màng mỏng CdTe (ST-CdTe) với độ trong suốt 40% (Hình 2C), được sản xuất bởi Advanced Solar Power ở Hàng Châu, Trung Quốc. Chúng nhỏ hơn hầu hết các tấm thương mại có sẵn được thiết kế để lắp đặt quy mô tiện ích và có công suất định mức là 57 W. Kích thước của chúng dài 1200 mm × rộng 600 mm × dày 7 mm. Loại thứ hai là silicon đa tinh thể (Opaque Si), model JKM325PP-72, với độ trong suốt 0% (Hình 2B), được sản xuất bởi Jinko Solar tại Thượng Hải, Trung Quốc. Chúng có công suất định mức là 325 W; Kích thước của chúng dài 1956 mm × rộng 992 mm × dày 41 mm.
Loại bảng điều khiển O-Si có sẵn trên thị trường; tuy nhiên, các tấm ST-CdTe chưa được liệt kê UL để kết nối lưới điện ở Mỹ, và do đó, đang được nghiên cứu trên cơ sở thử nghiệm. Các bảng mờ tương tự được liệt kê và thường xuyên được lắp đặt trong các trang web kết nối lưới. Các tấm ST-CdTe bao gồm các vùng nhỏ, xen kẽ của pin mặt trời hoàn toàn mờ đục và các khu vực hoàn toàn trong suốt (không có vật liệu pin mặt trời). Các tấm pin được chế tạo hoàn toàn mờ đục và cắt bỏ bằng laser được sử dụng để loại bỏ có chọn lọc các vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời [26]. Sau khi cắt bỏ, các tấm được ép ở mặt sau bằng kính. Theo nhà sản xuất, độ trong suốt của PV có thể được điều chỉnh tại nhà máy từ 0% đến 90% truyền ánh sáng. Khoảng cách hẹp và từ khoảng cách một mét, bảng điều khiển xuất hiện dưới dạng ánh sáng khuếch tán đồng đều (Hình 2C). Khả năng kiểm soát loại truyền này bằng cách cắt bỏ chọn lọc là một thuộc tính cụ thể của công nghệ màng mỏng.
Mỗi mảng trong số sáu mảng PV được gắn trên hệ thống kệ Montana Solar Top-4 (Hình 2). Các mảng ST-CdTe có sáu bảng hướng ngang và bốn bảng hướng dọc (Hình 2C). Điều này cung cấp một diện tích bề mặt tương tự như các mảng silicon. Hệ thống giá đỡ của mỗi mảng được gắn vào một cột thép đường kính 152,5 mm được lắp đặt vào một tấm bê tông rộng 600 mm × sâu 1830 mm. Góc của các mảng có thể được điều chỉnh thủ công từ dọc (0 độ) đến gần ngang (~ 90 độ), song song với đất. Trong suốt mùa sinh trưởng, các mảng được đặt ở 35 độ về phía nam. Khi các tấm được đặt góc 35 độ, cạnh dưới của bảng điều khiển là 1220 mm so với mặt đất và cạnh sau của các tấm là 2360 mm so với mặt đất. Mỗi lô trong số 12 ô phụ (cả PV và đối chứng) rộng 4,3 m và các ô phụ cách nhau 4,3 m. Các mảng được thiết kế để mô phỏng các điều kiện hiện trường được sao chép cho các hoạt động APV trường mở.
Tưới nhỏ giọt đã được lắp đặt trên tất cả các lô. Các loài cây trồng được thử nghiệm vào năm 2020 và 2021 bao gồm ớt (giống cây trồng: chuông Ace F1, Jalapeño sớm), bí mùa hè (giống: Early Prolific Straightneck) và rau diếp (giống: Butterhead). Các giống cà chua được thử nghiệm vào năm 2021 bao gồm Red Racer và Tasmaniaan Chocolate. Những loài cây rau này rất quan trọng đối với những người trồng vừa và nhỏ, những người đại diện cho một số người áp dụng nông nghiệp sớm ở phía bắc Colorado.
2.2. Foothills Campus (chân đồi)
Một nghiên cứu RAPV mô phỏng đã được thực hiện dưới các mảng bảng điều khiển năng lượng mặt trời hiện có tại khuôn viên CSU Foothills phía tây Fort Collins, Colorado (40.586318–105.147377). Trong mùa trồng trọt năm 2020, một nghiên cứu thí điểm đã được bắt đầu trong các khay mái màu xanh lá cây mô-đun dài 600 mm × rộng 1200 mm × sâu 100 mm, giống như những khay được sử dụng trong [27]. Chất nền mái xanh là hỗn hợp nông nghiệp thâm canh RoofliteTM (Landenberg, PA, USA). Trong nghiên cứu, các phương pháp điều trị được đặt dưới ánh nắng mặt trời đầy đủ, trong bóng râm của các tấm ST-CdTe và trong bóng râm của các tấm O-CdTe. Các loại cây trồng được chọn bao gồm rau diếp, đậu bụi và rau mùi. Các tấm pin mặt trời là loại O-CdTe với kích thước 1200 mm × 600 mm và được gắn trong cấu hình với khoảng cách khoảng 20–30 mm giữa các tấm pin. Cấu hình được hiển thị ở phía bên trái của Hình 3. Bảng 1 hiển thị các vị trí, cấu hình mảng và loại bảng điều khiển tại cả hai trang web.
Bảng 1. Vị trí, cấu hình mảng và loại bảng điều khiển cho cả hai trang web.
Trong mùa trồng trọt năm 2021, địa điểm này đã được mở rộng để bao gồm một hệ thống mái nhà xanh sâu 17 m × 8,7 m × 15 cm bên dưới và giữa hai mảng bảng điều khiển năng lượng mặt trời hiện có. Trong hệ thống mái xanh, hàng rào gốc 20 mm và lớp thoát nước Extenduct / giữ nước được cung cấp bởi Green Roof Solutions (Glenview, IL, USA). Chất nền đang phát triển là một hỗn hợp nông nghiệp mái nhà xanh tùy chỉnh gồm 60% cốt liệu đá phiến mở rộng, 20% phân hữu cơ, 10% vermiculite và 10% rêu than bùn theo thể tích. Một phương pháp điều trị được đặt trong ánh nắng mặt trời đầy đủ, một xử lý trong bóng râm sâu dưới O-CdTe và một trong bóng râm của các tấm pin mặt trời không khung ST-CdTe 40% (Hình 3). Các tấm này giống như các tấm ST-CdTe được sử dụng trong trang web ARDEC. Các tấm được gắn vào một hệ thống giá đỡ gắn trên mặt đất tiêu chuẩn góc khoảng 35 độ về phía nam. Cạnh trước của các tấm cao hơn 350 mm so với đế và cạnh sau cao hơn 1220 mm so với chất nền. Việc tưới tiêu được cung cấp bởi các bộ phát nhỏ giọt 1,5 lph Netafim cách nhau 150 mm và các đường cách nhau 300 mm. Hai giống tiêu (Ace, jalapeño) và hai giống cà chua (Red Racer, Tasmaniaan Chocolate) đã được trồng ngoài rau diếp và bí mùa hè vàng.
2.3. Dữ liệu được thu thập
Điều kiện phát triển tại ARDEC và Foothills trong cả ánh nắng mặt trời đầy đủ và dưới các tấm pin mặt trời được theo dõi liên tục bằng cách sử dụng bộ ghi dữ liệu trạm vi mô HOBO H21-USB (Onset Computer Corporation; Bourne, MA, Hoa Kỳ). Máy đo quang phổ Apogee (Model SS-110, 340–820 nm; Logan, UT, Hoa Kỳ) được sử dụng để định lượng các điều kiện ánh sáng theo Mật độ thông lượng photon (PFD) và Mật độ thông lượng photon quang hợp (PPFD). PFD là số đo micromol ánh sáng rơi xuống một mét vuông trong một giây (μmol·m−2·s−1). PPFD là một số liệu tương tự nhưng chỉ tính đến các photon ánh sáng trong phạm vi PAR (400–700 nm), hạ cánh trong một mét vuông trong một giây. Tại mỗi địa điểm, ba lần đọc máy đo quang phổ được thực hiện trong khoảng thời gian 5 phút và sau đó tính trung bình. Các thông số dữ liệu được thu thập tại cả hai địa điểm nghiên cứu bao gồm PPFD, nhiệt độ không khí ở mức 30 cm so với đất / chất nền và nhiệt độ đất / chất nền ở độ sâu 2,5 cm. Việc thu thập dữ liệu thay đổi qua nhiều năm tại cả hai địa điểm. Sự thay đổi được quy cho các ngày xây dựng khác nhau.
3. Kết quả và thảo luận
Để chứng minh sự khác biệt trong điều kiện phát triển dưới các mảng PV so với mặt trời đầy đủ, chúng tôi hiển thị dữ liệu từ một ngày ví dụ (14 tháng Tám) cho mỗi mùa trồng trọt 2020–2021 tại địa điểm ARDEC và mùa trồng trọt 2020–2021 tại địa điểm Foothills. Chúng tôi đã chọn ngày này làm đại diện cho thu hoạch rau cao điểm nơi tán cây được thiết lập, do đó tối ưu mang lại lợi ích thoát hơi nước cho các tấm PV. Các chỉ số đo quang phổ là từ năm 2022 tại ARDEC và Foothills. Chúng tôi đã thu thập và phân tích dữ liệu ánh sáng và nhiệt độ vì cả hai đều là chỉ số chính về sự thành công của cây trồng trong một môi trường trồng trọt cụ thể.
3.1. Máy đo quang phổ
Máy đo quang phổ được sử dụng để phân tích sự khác biệt về số lượng và chất lượng ánh sáng thông qua các biện pháp PPFD (PAR μmol · m − 2 · s − 1 ) theo từng loại bảng PV so với điều kiện mặt trời đầy đủ. Các biện pháp PPFD thường được các nhà nông nghiệp sử dụng để xác định điều kiện ánh sáng và yêu cầu đối với các loại cây trồng khác nhau trong môi trường nông nghiệp được kiểm soát.
3.2. Kết quả đo quang phổ
Thông lượng photon mặt trời thay đổi tùy thuộc vào thời gian trong năm, thời gian trong ngày và độ che phủ của mây hoặc độ ẩm khí quyển. Chúng tôi hiển thị PPFD dưới ánh nắng mặt trời đầy đủ, dưới ST-CdTe và dưới các tấm O-Si tại mỗi vị trí để so sánh tác động đến điều kiện ánh sáng trong từng cấu hình mảng PV riêng lẻ (Hình 4). Đường màu cam tượng trưng cho bước sóng của mặt trời đầy đủ, đường màu xám tượng trưng cho bước sóng đạt đến mức tán dưới các tấm ST-CdTe và đường màu xanh tượng trưng cho các bước sóng đạt đến mức tán dưới các tấm O-Si hoặc O-CdTe, tương ứng.
Hình 4. Chỉ số đo quang phổ (ARDEC, 2022 / Foothills, 2022).
Trong Hình 4, hình chữ nhật màu xanh lá cây phân định ánh sáng trong phạm vi cải cách hành chính (PPFD) từ các bước sóng ánh sáng khác. Các chỉ số đo quang phổ từ ARDEC và Foothills cho thấy các mô hình PPFD tương tự giữa các loại bảng điều khiển mặt trời đầy đủ và dưới PV. Cả hai loại tấm PV đều cho phép tất cả các bước sóng ánh sáng đi qua, nhưng với cường độ khác nhau. Tại ARDEC lúc 11:45 tối ngày 10 tháng 5 năm 2022, PPFD trung bình trong ánh nắng mặt trời đầy đủ là 1816, trong khi đó là 601 theo ST-CdTe và 163 theo O-Si. Tại Foothills lúc 12:15 ngày 10 tháng 5 năm 2022, PPFD trung bình trong ánh nắng mặt trời đầy đủ là 1970, trong khi đó là 405 theo ST-CdTe và 92 theo O-CdTe. Ánh sáng cực tím (UV) ở bước sóng 10–400 nm cũng được hấp thụ đáng kể bởi các tấm PV.
Tại cả hai vị trí, các tấm mờ đục có tác động lớn nhất đến lượng ánh sáng chiếu đến tán cây. Các tấm ST-CdTe cho phép ánh sáng ít hơn đáng kể so với mặt trời đầy đủ, nhưng gấp ba lần lượng ánh sáng dưới các tấm mờ đục tại mỗi vị trí tương ứng. Các tấm PV ảnh hưởng đến lượng ánh sáng ở bề mặt đất / chất nền nhưng không ảnh hưởng không tương xứng đến bất kỳ bước sóng hoặc chất lượng ánh sáng cụ thể nào. Việc giảm số lượng PPFD dưới các tấm có khả năng ảnh hưởng đến sinh lý, căng thẳng và năng suất của cây trồng theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào khí hậu và các yếu tố hệ thống cây trồng khác.
Ở những vùng có mùa sinh trưởng ngắn hoặc cường độ ánh sáng thấp, việc giảm PPFD bền vững có thể tác động tiêu cực đến sự phát triển của cây, trong khi việc giảm ánh sáng có kiểm soát ở những vùng có mùa sinh trưởng dài hoặc cường độ ánh sáng cao có thể có lợi cho sự phát triển của cây.
Việc giảm thiểu bức xạ tia cực tím trong môi trường trồng cây rất quan trọng cần lưu ý vì bức xạ UV được biết là làm hỏng các quá trình sinh lý và sinh sản của cây [28]. Các tác động tiêu cực của việc tiếp xúc với tia cực tím có thể trở nên trầm trọng hơn ở những vùng có độ cao lớn và bức xạ mặt trời lớn hơn, như Colorado. Trong những môi trường này, thực vật thường tiếp xúc quá nhiều với ánh sáng mặt trời và kết quả là không thể tận dụng tất cả ánh sáng mặt trời chiếu đến tán cây của chúng. Ánh sáng vượt quá nhu cầu quang hợp trở thành một tác nhân gây căng thẳng và được quản lý dưới dạng nhiệt dư thừa được tiêu tan thông qua thoát hơi nước và các cơ chế khác. Khi nước bị hạn chế, thực vật đóng các lỗ giống như lỗ chân lông của chúng, được gọi là khí khổng, giúp ngăn chặn sự thoát hơi nước một cách hiệu quả. Nhiệt độ bên trong nhà máy tăng lên và kích hoạt sự ức chế ánh sáng, dẫn đến việc sử dụng carbon không hiệu quả và căng thẳng thực vật bổ sung. Cung cấp bóng râm và điều tiết nhiệt độ không khí khi mặt trời ở đỉnh cao có thể làm giảm bớt thiệt hại do các tác nhân gây căng thẳng thực vật này gây ra. Trên thực tế, nhiều người trồng cây đặc sản ở các địa điểm bức xạ mặt trời cao sử dụng vải che bóng trong hoạt động của họ để ngăn ngừa căng thẳng thực vật và vảy nắng [29]. Kết quả của chúng tôi cho thấy điều kiện ánh sáng vừa phải được thiết kế để che bóng cho cây và cải thiện điều kiện phát triển cho cây trồng dưới bóng râm hoặc bóng râm một phần từ các tấm PV.
Các tấm ST-CdTe được đưa vào nghiên cứu này để đánh giá tác động tương đối của việc truyền ánh sáng đối với cây trồng vì giảm thiểu giảm thiểu ánh sáng là một trong những ưu tiên hàng đầu trong nghiên cứu nông nghiệp [16,30]. Việc truyền ánh sáng tương đối cao hơn dưới tấm nền ST-CdTe so với các tấm PV mờ đục có thể cho phép mật độ bảng điều khiển cao hơn so với các cấu hình APV khác. Mật độ bảng điều khiển tăng và đồng đều mang lại lợi ích kinh tế thông qua việc giảm chi phí lắp đặt PV. Bởi vì mật độ bảng điều khiển thống nhất là tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp PV, loại mảng này cho phép các mô hình kinh tế, kỹ thuật lắp đặt và các giao thức vận hành và bảo trì tương tự đã được sử dụng. Tăng mật độ bảng điều khiển đồng đều mà không ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng làm tăng khả năng kinh tế cho việc lắp đặt PV và cơ hội cho sự phát triển của nhà máy.
3.3. Nhiệt độ không khí
Nhiệt độ không khí xung quanh ở cả ARDEC và Foothills được ghi nhận ở mức tán cây (30 cm so với đất) cho thấy bóng râm từ các mảng PV dẫn đến nhiệt độ không khí xung quanh mát hơn trung bình 1,3 ° C trong những giờ nóng nhất trong ngày (Hình 5). Đáng chú ý nhất, nhiệt độ không khí dưới ST-CdTe không khác với nhiệt độ không khí dưới O-Si hoặc O-CdTe. Điều này phù hợp với dữ liệu được cung cấp bởi những người khác [13,27], cho thấy sự khác biệt tương tự giữa nhiệt độ bề mặt chất nền dưới ánh mặt trời đầy đủ so với dưới các tấm PV mờ đục. Xem xét mức độ ánh sáng cao hơn dưới ST-CdTe so với một trong hai loại bảng điều khiển mờ đục, không có nhiệt độ không khí cao hơn tương ứng, chúng tôi cho rằng điều kiện phát triển dưới các tấm bán trong suốt phù hợp hơn cho sự phát triển của cây.
Hình 5. Nhiệt độ không khí trên cả hai địa điểm ở độ cao 30 cm. (A) ARDEC 2020 và 2021 và (B) Foothills 2020 và 2021.
3.4. Nhiệt độ đất
Nó đã được ghi nhận rằng nhiệt độ đất có liên quan chặt chẽ với sự phát triển của thực vật, căng thẳng thực vật (đặc biệt là ở vùng rễ ban đầu) và đa dạng vi sinh vật đất [31]. Khi nhiệt độ đất tăng trên ngưỡng tối ưu, nó có thể cản trở các quá trình sinh lý như hấp thu nước và chất dinh dưỡng thực vật, tín hiệu điều hòa tăng trưởng thực vật (PGR) và sản xuất chất chuyển hóa, gây thiệt hại cho cây trồng. Nhiệt độ cực cao có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của cây trồng và gây thiệt hại cho cây trồng [32]. Duy trì nhiệt độ đất vừa phải thông qua bóng râm bổ sung được cung cấp bởi các hệ thống APV có thể mang lại lợi ích cho cây trồng ôn đới.
3.4.1. Nhiệt độ đất phía nam ARDEC
Nhiệt độ đất tại ARDEC cho thấy sự dao động nhiệt độ suy giảm nhiều so với kết quả nhiệt độ không khí (Hình 6A). Bóng râm từ các tấm PV, đặc biệt là ST-CdTe, tạo ra nhiệt độ thấp hơn vào giữa trưa. Cụ thể hơn, vào năm 2020, nhiệt độ đất mát hơn 3 ° C dưới các tấm ST-CdTe vào buổi chiều. Nhìn chung, các tấm pin mặt trời cung cấp nhiệt độ đất vừa phải dẫn đến nhiệt độ ban ngày mát hơn và nhiệt độ ban đêm thấp hơn, đặc biệt là trong bóng râm của các tấm PV.
Hình 6. Nhiệt độ đất ở độ sâu 2.5 cm (ARDEC, 2020 và Foothills, 2021).
3.4.2. Nhiệt độ đất chân đồi
Nhiệt độ nền mái màu xanh lá cây giữa cả hai loại bảng điều khiển phù hợp chặt chẽ với nhiệt độ không khí (Hình 6B). Điều này có thể là do khả năng giữ nước nền mái xanh, thấp hơn nhiều so với đất đồng ruộng, đặc biệt là đất giàu đất sét tại ARDEC. Khả năng giữ nước thấp hơn của chất nền mái xanh dẫn đến độ ẩm của đất ít hơn và sau đó nhiệt độ chất nền cao hơn khi so sánh với điều kiện trồng trọt ở cấp độ.
4. Kết luận
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã so sánh tác động của ba loại tấm PV đối với ánh sáng và nhiệt độ so với môi trường trồng trọt nông nghiệp ngoài trời và môi trường mái nhà xanh. Nhìn chung, những phát hiện của chúng tôi chứng minh rằng khái niệm nông nghiệp hứa hẹn cho sự phát triển của thực vật kết hợp với việc sử dụng đất PV trên các quy mô khác nhau. Lợi ích của bóng râm một phần [23] từ các mảng PV tạo ra một môi trường phát triển có thể cho phép mở rộng tích hợp PV kết hợp với các khu vực nông thôn và thành thị sản xuất nông nghiệp trên toàn cầu [13,27].
So với các tấm mờ đục, các tấm bán trong suốt cho phép cường độ ánh sáng lớn hơn cho cây trong khi không làm tăng nhiệt độ đất / chất nền hoặc không khí, có thể có lợi cho cây trồng [32]. Phát hiện này đảm bảo thăm dò thêm các tấm bán trong suốt cho RAPV và xây dựng quang điện tích hợp (BIPV) với các hoạt động cây trồng được kiểm soát khí hậu trong nhà. Mặc dù vi khí hậu trong các hệ thống nông nghiệp quy mô nhỏ với các tấm bán trong suốt không nên được coi là môi trường được kiểm soát [12], nhưng nó có thể được coi là môi trường phát triển bán kiểm soát cho các hệ thống cây trồng do điều kiện nhiệt độ và ánh sáng vừa phải, không giống như vải che bóng được mô tả trước đó.
Tấm PV bán trong suốt cung cấp một giải pháp phục vụ cho các ứng dụng nông nghiệp cụ thể tùy thuộc vào loại cây trồng và khí hậu. Việc tích hợp PV với các hoạt động nông nghiệp cho phép mở rộng phát triển năng lượng tái tạo trong khi vẫn duy trì các hoạt động nông nghiệp hiệu quả [12,13]. Các nghiên cứu trong tương lai là cần thiết để phân tích độ ẩm của đất, tác động năng suất cây trồng trên các vùng khí hậu đa dạng [22] và nhiệt độ bảng điều khiển với hiệu quả tương đối để triển khai nông nghiệp có trách nhiệm ở quy mô lớn.
Đóng góp của tác giả
M.U., T.H., J.B. và K.L.B. đã có những đóng góp đáng kể cho bài báo này từ quan niệm của nghiên cứu thông qua việc xác định và lựa chọn phương pháp nghiên cứu và hành vi của nó, viết bài báo và mặt biên tập của nó. Tất cả các tác giả đã đọc và đồng ý với phiên bản đã xuất bản của bản thảo.
Tài trợ
Nghiên cứu này không nhận được tài trợ bên ngoài.
Tuyên bố về tính khả dụng của dữ liệu
Không áp dụng.
Lời cảm ơn
Công trình này được hỗ trợ một phần theo chương trình Trung tâm Nghiên cứu Hợp tác Đại học Công nghiệp NSF 2052735 của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. Sandbox Solar LLC, Fort Collins CO — Tài trợ cho trang web ARDEC Agrivoltaic thông qua USDA NIFA SBIR Giai đoạn 1, 2019. Matt Staver—Nhiếp ảnh gia máy bay không người lái.
Xung đột lợi ích
Các tác giả tuyên bố không có xung đột lợi ích.
Tham khảo
1. Hội đồng bảo vệ tài nguyên thiên nhiên (NRDC). Chi phí của biến đổi khí hậu: Những gì chúng ta sẽ phải trả nếu sự nóng lên toàn cầu tiếp tục không được kiểm soát. Tháng 5 năm 2008. Truy cập trực tuyến: https://www.nrdc.org/sites/default/files/cost.pdf (truy cập ngày 12 tháng Tám năm 2021).
2. Ủy ban châu Âu. Thỏa thuận xanh châu Âu. 2019. Truy cập trực tuyến: https://eur-lex.europa.eu/resource.html?uri=cellar:b828d165-1c22-11ea-8c1f-01aa75ed71a1.0002.02/DOC_1&format=PDF (truy cập ngày 1 tháng Mười hai năm 2022).
3. năng lượng mặt trời châu Âu. 100% tái tạo châu Âu. 2020. Truy cập trực tuyến: https://www.solarpowereurope.org/100-renewable-europe/ (truy cập ngày 20 tháng Chín năm 2022).
4.Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA). Dữ liệu sơ bộ hàng tháng về điện lực. Tháng 2/2022. Truy cập trực tuyến: https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/ (truy cập ngày 1 tháng Mười hai năm 2022).
5.Lazard 2021: Phân tích chi phí năng lượng được san bằng của Lazard — Phiên bản 15.0. Tháng 10/2021. Truy cập trực tuyến: https://www.lazard.com/media/451881/lazards-levelized-cost-of-energy-version-150-vf.pdf (truy cập ngày 12 tháng Giêng năm 2023).
6. Tổ chức lương thực và nông nghiệp. 2014. Truy cập trực tuyến: https://www.fao.org/fileadmin/templates/wsfs/docs/expert_paper/How_to_Feed_the_World_in_2050.pdf (truy cập ngày 12 tháng Giêng năm 2023).
7.Fu, X.; Niu, H. Các công nghệ chính và ứng dụng của internet năng lượng nông nghiệp cho ngành trồng trọt nông nghiệp và thủy sản. Inf. Quá trình. Nông nghiệp năm 2022; trong báo chí, sửa chữa bằng chứng. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
8.Al Mamun, MA; Dargusch, P.; Wadley, D.; Zulkarnain, N.A.; Aziz, A.A. Một đánh giá nghiên cứu về các hệ thống nông nghiệp. Renew. Chịu. Năng lượng Rev. 2022, 161, 112351. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
9.Neupane Bhandari, S.; Schlüter, S.; Kuckshinrichs, W.; Schlör, H.; Adamou, R.; Bhandari, R. Tính khả thi kinh tế của các hệ thống nông nghiệp trong bối cảnh mối quan hệ thực phẩm-năng lượng: Mô hình hóa và nghiên cứu điển hình ở Niger. Nông học 2021, 11, 1906. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
10.Agostini, A.; Colauzzi, M.; Amaducci, S. Hệ thống nông nghiệp sáng tạo để sản xuất năng lượng bền vững: Đánh giá kinh tế và môi trường. Phụ lục. Năng lượng 2021, 281, 116102. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
11.Williams, H.J.; Hashad, K.; Vương, H.; Trương, K.M. Tiềm năng cho nông nghiệp để tăng cường làm mát trang trại năng lượng mặt trời. Phụ lục Năng lượng 2023, 332, 120478. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
12.Marrou, H.; Guilioni, L.; Dufour, L.; Dupraz, C.; Wéry, J. Vi khí hậu trong các hệ thống nông nghiệp: Tốc độ tăng trưởng của cây trồng có bị ảnh hưởng trong bóng râm một phần của các tấm pin mặt trời không? Nông nghiệp. Đối với. Thiên thạch. 2013, 177, 117–132. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
13.Barron-Gafford, G.; Pavao-Zuckerman, M.; Vị thành niên, R.; Sutter, L.; Barnett-Moreno, I.; Blackett, D.; Thompson, M.; Dimond, Y.; Gerlak, A.; Nabhan, G.; et al. Nông nghiệp cung cấp lợi ích chung trên mối quan hệ thực phẩm - năng lượng - nước ở vùng đất khô. Nat. Duy trì. 2019, 2, 848–855. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
14.Dupraz, C.; Marrou, H.; Talbot, G.; Dufour, L.; Nogier, A.; Ferard, Y. Kết hợp các tấm quang điện mặt trời và cây lương thực để tối ưu hóa việc sử dụng đất: Hướng tới các chương trình nông nghiệp mới. Renew. Năng lượng 2011, 36, 2725. [Học giả Google] [Tham chiếu chéo]
15.Marrou, H.; Dufour, L.; Guglioni, L.; Salles, J.-M.; Loisel, P.; Nogier, A.; Wery, J. Thiết kế hệ thống canh tác kết hợp sản xuất lương thực và điện. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề quốc tế lần thứ 4 về thiết kế hệ thống nông nghiệp, Lan Châu, Trung Quốc, 19–22 tháng 8 năm 2013. [Học giả Google]
16.Gorjian, S.; Bousi, E.; Özdemir, Ö.E.; Trommsdorff, M.; Ria mép, A.; Anand, A.; Kant, K.; Chopra, SS Tiến độ và thách thức của sản xuất cây trồng và sản xuất
