Nông nghiệp và năng lượng là hai trong số những ngành công nghiệp thiết yếu nhất trong thế giới hiện đại. Thực phẩm chúng ta ăn và điện chúng ta tiêu thụ rất quan trọng để duy trì sự sống và giúp chúng ta di chuyển.
Khi quỹ đất sẵn có và biến đổi khí hậu ngày càng trở thành những vấn đề quan trọng, không có gì ngạc nhiên khi việc sử dụng không gian hiệu quả đã trở thành chủ đề được tranh luận sôi nổi hơn.
Các nguồn năng lượng tái tạo đang là những cách ngày càng khả thi để giải quyết các nhu cầu trong tương lai của chúng ta khi chúng ta chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch. Theo nghiên cứu 'Tương lai năng lượng mặt trời' của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, “giờ đây có thể hình dung — và vạch ra con đường hướng tới — một tương lai nơi năng lượng mặt trời cung cấp 40% điện năng của quốc gia vào năm 2035”.
Nhưng với giá đất cao, chúng ta sẽ lắp những trang trại năng lượng mặt trời đó ở đâu?
Nhập nông điện. Một cách tiếp cận kết hợp các mảng quang điện với các hoạt động nông nghiệp một cách hài hòa. Nó cho phép nông dân bổ sung thu nhập từ nông nghiệp bằng sản xuất năng lượng, đồng thời tăng nguồn cung cấp năng lượng sạch, tái tạo.
Chúng ta sẽ khám phá nhiều cách mà nông điện có thể cùng tồn tại hòa bình với các hoạt động nông nghiệp khác - và những cách mà các tấm pin mặt trời thậm chí có thể cải thiện và tăng cường thu hoạch.
Nông điện là gì?
Agrivoltaics, còn được gọi là agrovoltaics, nông nghiệp nông nghiệp, agrisolar hoặc chia sẻ năng lượng mặt trời, được Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ định nghĩa là “việc sử dụng đất cho cả nông nghiệp và sản xuất năng lượng quang điện mặt trời”. Bằng cách tích hợp các tấm quang điện mặt trời (PV) với sản xuất nông nghiệp, nó có thể chứng minh một cách hiệu quả để tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên và tăng năng suất trang trại.
Trong một hệ thống nông điện điển hình, các tấm pin mặt trời được sử dụng để cung cấp bóng mát cho cây trồng hoặc vật nuôi bên dưới chúng: Trong khi các tấm pin thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng, bóng râm góp phần tạo ra vi khí hậu thuận lợi hơn. Các mảng này cũng làm giảm nhiệt độ quá cao và sự bốc hơi nước, đồng thời bảo vệ thực vật khỏi các điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Có một số loại hệ thống nông điện, mỗi loại được thiết kế cho các điều kiện lắp đặt và hiện trường khác nhau.
1) Tấm PV gắn trên mặt đất
Mảng năng lượng mặt trời gắn trên mặt đất là ứng dụng nông điện phổ biến nhất. Đó là cách tiếp cận đơn giản nhất, với các tấm được kết nối thành mảng dài gắn trên khung thép. Khoảng sáng gầm điển hình dao động từ 20 cm (ở phía thấp) đến 3 m (ở phía cao) khi các tấm nghiêng để đón nhiều ánh sáng mặt trời nhất.
Giả sử có đủ khoảng cách giữa các mảng để hỗ trợ sự phát triển của thực vật, quang điện lắp trên mặt đất tương thích với một số mục đích sử dụng trên hiện trường, bao gồm chăn thả gia súc (điều này còn được gọi là 'chăn thả bằng năng lượng mặt trời'), làm vườn, nuôi ong và tái tạo đa dạng sinh học.
Tấm PV gắn trên mặt đất
2) Tấm PV trên cao
Các mảng năng lượng mặt trời trên cao hoạt động theo cách tương tự như thiết lập gắn trên mặt đất, ngoại trừ chiều cao bổ sung được tạo ra giữa các tấm pin và mặt đất.
Kiểu thiết lập này được sử dụng phổ biến hơn ở những khu vực có ít đất trống và nó tạo đủ chỗ cho những cây cao hơn phát triển bên dưới các tấm, chẳng hạn như cây nho, cây ăn quả và ngũ cốc. Đương nhiên, chi phí lắp đặt cao hơn, nhưng các tấm nâng cao đang ngày càng trở nên phổ biến khi nông dân tìm cách tối đa hóa năng suất của họ.
3) Lắp đặt trên mái nhà
Loại mảng năng lượng mặt trời này thường thấy trên các mái nhà dân cư và thương mại trên khắp thế giới.
Trong bối cảnh trang trại, PV trên mái nhà có thể được lắp đặt trên đỉnh các nhà kính hoặc các tòa nhà trang trại khác, cho phép trồng trọt, trồng hoa và nuôi trồng thủy sản bên dưới. Đó là một cách tiếp cận đặc biệt hữu ích khi được lắp đặt để bù đắp – hoặc đáp ứng – nhu cầu năng lượng của nhà kính, đồng thời cũng giúp bảo vệ tòa nhà khỏi thiệt hại do thời tiết và côn trùng.
Tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mái nhà kính
4) Tấm PV nổi
Là loại ít phổ biến nhất trong danh sách do tính phức tạp cao hơn, hệ thống nông điện thậm chí có thể được lắp đặt trên mặt nước trong một dãy pin mặt trời nổi . Điều này cho phép nuôi trồng thủy sản tiếp tục bên dưới và xung quanh các tấm pin, hoặc như một cách tối đa hóa nguồn nước chưa được sử dụng. Ngoài ra, kiểu sắp xếp này có thể làm giảm sự bốc hơi nước, làm chậm sự phát triển của tảo và giảm xói mòn bờ kè.
Nhiều ứng dụng của nông điện
Như chúng ta đã thấy, quang điện có thể được tích hợp với nhiều loại hoạt động nông nghiệp khác nhau. Miễn là có sự cân nhắc thích hợp về loại cây trồng, nhu cầu ánh sáng mặt trời và độ ẩm cũng như chu kỳ bảo trì, canh tác nông nghiệp có thể được kết hợp vào:
Cánh đồng trồng cây hoặc thu hoạch cây
Cánh đồng hỗ trợ chăn nuôi
Thủy sản và các vùng nước dùng để nuôi trồng thủy sản
Nhà kính sản xuất trái cây, rau hoặc hoa
Lợi ích của nông nghiệp là gì?
Agrivoltaics được thiết kế với mục tiêu mang lại kết quả tích cực và tạo ra nhiều lợi ích cho người nông dân:
● Một nguồn thu nhập bổ sung
Điện được tạo ra từ nông nghiệp có thể được sử dụng tại địa phương hoặc bán vào lưới điện quốc gia. Dù bằng cách nào, điều đó mang lại sự tiết kiệm chi phí hoặc thậm chí là lợi nhuận cho người nông dân, đa dạng hóa hoạt động trang trại và cung cấp thêm sự bảo vệ khỏi mất mùa hoặc biến đổi theo mùa.
● Tăng hiệu quả sử dụng đất
Theo truyền thống, sản xuất năng lượng mặt trời và nông nghiệp có thể được coi là đối thủ cạnh tranh về đất đai: thay vào đó, nông nghiệp coi chúng là sự bổ sung.
Trên thực tế, nông điện có thể tăng hiệu quả sử dụng đất của bạn.
Hãy khám phá một ví dụ. Nếu một người nông dân sử dụng một cánh đồng để trồng lúa mì và một cánh đồng khác để lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, họ sẽ có thể vận hành cả hai với hiệu suất 100%. Mặt khác, nếu cả hai cánh đồng được sử dụng cho hệ thống nông nghiệp kết hợp lúa mì và năng lượng mặt trời, với hiệu suất riêng lẻ là 80%, thì tổng sản lượng sẽ ở mức 160% sản lượng ban đầu.
Như bạn có thể thấy, kiểu sử dụng đất kép này loại bỏ sự cạnh tranh giữa các dự án năng lượng tái tạo và sản xuất lương thực, đồng thời mang lại năng suất tổng thể tối đa.
● Bảo vệ thời tiết khắc nghiệt
Các hiện tượng thời tiết cực đoan đang trở nên phổ biến hơn, khiến các biện pháp bảo vệ trở nên quan trọng. Điều hữu ích là các mảng quang điện có thể bảo vệ cây trồng bên dưới khỏi mưa đá hoặc bão, đồng thời cung cấp bóng mát cho động vật chăn thả. Những tác động này làm tăng năng suất tổng thể và giảm nhu cầu mua thêm thiết bị bảo vệ thời tiết.
● Giảm sự bốc hơi nước và tiết kiệm nước tưới
Bóng mát được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời làm giảm sự bốc hơi nước từ đất một cách tự nhiên, giúp giảm nhu cầu tưới tiêu của bạn. Tùy thuộc vào mức độ bóng râm, bạn có thể mong đợi tiết kiệm được 14-29% độ ẩm của đất.
● Tăng năng suất cây trồng
Đối với một số loại cây trồng, hiệu ứng che nắng của các tấm pin mặt trời có thể cải thiện chất lượng và năng suất bằng cách giảm căng thẳng do ánh nắng quá mức gây ra.
Trong một loạt nghiên cứu , một loại hạt tiêu cụ thể có năng suất tăng 150% và cà chua bi ghi nhận năng suất tăng 90%. Tất nhiên, mặc dù tác động đến năng suất thực tế sẽ thay đổi tùy theo nhiệt độ không khí, độ ẩm, vị trí và các yếu tố khác.
● Tận dụng đất kém hiệu quả
Sản xuất năng lượng mặt trời có khả năng thích ứng cao hơn nhiều so với cây trồng và không bị ảnh hưởng bởi loại đất, độ ẩm hoặc tình trạng hóa học. Điều đó có nghĩa là bạn có thể lắp đặt các mảng PV để tận dụng tối đa diện tích đất không hiệu quả.
● Nâng cao tính linh hoạt của trang trại
Bằng cách sử dụng năng lượng được tạo ra tại địa phương từ một mảng PV, có thể đặt nhà kính ở vị trí trang trại thuận tiện nhất – thay vì bị hạn chế bởi việc bố trí các đường dây điện hiện có.
● Giảm lượng khí thải carbon
Một số hoạt động nông nghiệp đòi hỏi lượng năng lượng đáng kể: để cung cấp năng lượng cho máy móc, sưởi ấm, làm mát hoặc các thiết bị kiểm soát khí hậu. Nông điện có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng tái tạo, thay thế các nguồn năng lượng gây ô nhiễm và giảm lượng khí thải carbon của bạn.
● Bảo vệ đa dạng sinh học
Đặc biệt ở những vùng có khí hậu khô cằn, các khu vực đặt dưới các tấm pin mặt trời đã được phát hiện là trồng nhiều cỏ hơn, khiến khối lượng thực vật vào cuối mùa tăng 90%. Điều này góp phần mang lại sự đa dạng sinh học lành mạnh hơn, đặc biệt khi các mảng quang điện được thiết kế để thu hút bướm và ong.
Tương lai của nông điện
Rõ ràng, việc sử dụng năng lượng nông nghiệp có thể sẽ tăng lên do đất đai sẵn có ngày càng hiếm và nhu cầu năng lượng tăng lên. Điều đó báo trước một loạt khả năng phát triển của công nghệ.
● Điều khiển máy tính
Các dãy PV mới nhất có thể được điều khiển từ xa và nghiêng để tối đa hóa sản lượng quanh năm. Các hệ thống điều khiển hiện đại cũng giúp xác định các vấn đề bảo trì dễ dàng hơn và giữ cho các thiết lập năng lượng mặt trời hoạt động tốt nhất.
● Lưới điện siêu nhỏ thông minh
Lưới điện siêu nhỏ về cơ bản là một lưới điện cục bộ, độc lập, có thể hoạt động tách biệt với mạng chính.
Lưới điện siêu nhỏ thông minh đưa mọi thứ lên một tầm cao mới, kết hợp quản lý tài nguyên điện thông minh để tối ưu hóa tài nguyên, duy trì việc lưu trữ năng lượng cần thiết và theo dõi quá trình sản xuất điện trong thời gian thực.
Nông điện: Mới nổi hay đã nổi lên?
Nông điện có thể mang lại nhiều lợi ích cho nông dân, cộng đồng địa phương và hành tinh của chúng ta.
Việc thực hiện hiệu quả đòi hỏi phải lập kế hoạch cẩn thận, chẳng hạn như tuân theo năm chữ C. Nhưng nếu làm đúng, cách tiếp cận hài hòa giữa năng lượng mặt trời và nông nghiệp có thể tăng sản lượng nông nghiệp, đa dạng hóa thu nhập và cung cấp nguồn năng lượng xanh mới.
Khi các dự án nghiên cứu tiếp tục giúp chúng tôi cải tiến các phương pháp tiếp cận và phát triển các phương pháp thực hành tốt nhất, nông điện có vẻ sẽ trở thành tương lai của ngành nông nghiệp.
