Trồng năng lượng mặt trời: Tối ưu hóa hệ thống nông điện cho cây trồng và năng lượng sạch
Nông điện tích hợp sản xuất điện mặt trời với nông nghiệp. Các nhà nghiên cứu tại Viện Fraunhofer về Hệ thống Năng lượng Mặt trời (ISE) đang khám phá các kịch bản khác nhau để tối ưu hóa cả vị trí lắp đặt tấm pin quang điện và các loại cây trồng bên dưới. Một dự án thí điểm ở Nussbach sẽ góp phần hiểu sâu hơn về tác động của hệ thống nông điện đối với các vườn táo và môi trường xung quanh. Nguồn: Tạp chí Photonics for Energy (2025). DOI: 10.1117/1.JPE.15.032703
Hệ thống nông điện kết hợp sản xuất điện mặt trời với các hoạt động nông nghiệp, mang đến giải pháp đầy hứa hẹn cho nhu cầu ngày càng tăng về cả năng lượng tái tạo và sản xuất lương thực. Bằng cách tích hợp tấm pin mặt trời với cây trồng, các hệ thống này không chỉ giải quyết xung đột sử dụng đất giữa nông nghiệp và sản xuất năng lượng mà còn mang lại những lợi ích quan trọng như giảm căng thẳng về nước cho cây trồng và bảo vệ cây khỏi các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt.
Ngoài ra, nông điện có thể đóng góp vào đa dạng sinh học bằng cách cung cấp môi trường sống cho loài thụ phấn và sản xuất thức ăn chăn nuôi. Đối với các hệ sinh thái ở những vùng khan hiếm nước, các hệ thống này đã được chứng minh là làm tăng sản lượng hoa và trì hoãn thời gian nở hoa, hỗ trợ cho các loài thụ phấn vào cuối mùa. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các tấm pin mặt trời có thể hoạt động tốt hơn trong các hệ thống nông điện, nhờ vào vi khí hậu được tạo ra bên dưới chúng.
Khi các hệ thống nông điện trở thành một phần ngày càng quan trọng của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu, nhu cầu về các chiến lược theo dõi phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất của chúng đang ngày càng tăng. Các hệ thống theo dõi trục đơn ngang (HSAT), điều chỉnh góc của các tấm pin mặt trời trong suốt cả ngày để theo dõi mặt trời, mang lại tiềm năng đáng kể về mặt này.
Kiểm soát hiệu quả vị trí đặt tấm pin giúp cân bằng hai mục tiêu là tối đa hóa sản xuất năng lượng và bảo toàn năng suất nông nghiệp. Việc tối ưu hóa như vậy đặc biệt có liên quan vì các hệ thống nông điện cần đáp ứng ngưỡng mất năng suất để đủ điều kiện nhận trợ cấp, do đó cải thiện khả năng kinh tế của chúng.
Một nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Photonics for Energy cung cấp những hiểu biết có giá trị về cách tối ưu hóa vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời để đạt được sự cân bằng này. Nghiên cứu tập trung vào một nghiên cứu điển hình về các vườn táo ở Tây Nam nước Đức, nhưng những phát hiện này có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều bối cảnh nông nghiệp khác nhau.
Nghiên cứu đề xuất một phương pháp mới để tối ưu hóa vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời một cách năng động dựa trên nhu cầu ánh sáng của cây trồng. Không giống như các chiến lược che nắng truyền thống, dựa trên các hướng dẫn chung hoặc cấu trúc như lưới chắn mưa đá, phương pháp mới này sử dụng các mục tiêu chiếu xạ cụ thể để đáp ứng chính xác các yêu cầu về ánh sáng của các giống cây trồng khác nhau. Nhóm nghiên cứu đã chạy mô phỏng bằng một công cụ tùy chỉnh có tên là APyV để đánh giá cách thay đổi vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời sẽ tác động đến khả năng cung cấp ánh sáng cho cây trồng như thế nào.
APyV sử dụng các kỹ thuật dò tia tiên tiến để đánh giá sự phân bố bức xạ mặt trời và tác động của nó lên cả tấm pin quang điện và các loại cây trồng bên dưới. Công cụ này tự động hóa quá trình tối ưu hóa thiết kế của các hệ thống nông điện dựa trên các chỉ số hiệu suất chính, giao diện với các mô hình cây trồng khác nhau và mô phỏng tích hợp các loại cây trồng đặc sản. Nó cho phép tính toán trực tiếp lượng ánh sáng mà cây trồng nhận được và mô phỏng chính xác hơn tác động của nó lên toàn bộ hệ thống nông điện.
Kết quả của nghiên cứu điển hình cho thấy rằng với việc kiểm soát tấm pin mặt trời được điều chỉnh, 91% lượng ánh sáng cần thiết cho cây táo đã được cung cấp trong suốt cả năm, với mức giảm vừa phải là 20% trong sản xuất năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng xác định các giai đoạn mà nhu cầu về ánh sáng của cây táo không được đáp ứng đầy đủ, cho thấy những thách thức trong việc đạt được hiệu suất năng lượng và cây trồng tối ưu cùng lúc. Bất chấp những hạn chế này, nghiên cứu đặt nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu trong tương lai, hiện đang được tiến hành.
Theo tác giả liên hệ Maddelena Bruno, người đang dẫn đầu nghiên cứu với tư cách là ứng viên tiến sĩ tại Fraunhofer ISE, "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và nông nghiệp có thể được cải thiện bằng các thiết bị theo dõi PV thông minh điều chỉnh vị trí của các tấm pin mặt trời dựa trên điều kiện thời tiết, loại cây trồng và giai đoạn sinh trưởng của chúng. Phương pháp này đảm bảo sự cân bằng tối ưu giữa ánh sáng có sẵn cho quá trình quang hợp và ánh sáng có sẵn cho quá trình sản xuất điện."
Bruno lưu ý rằng các mục tiêu chiếu xạ được đề xuất và chiến lược theo dõi sẽ được thử nghiệm thực địa trong mùa vụ hiện tại ở Nussbach, tạo cơ hội để xác nhận hoặc thách thức các kết quả được báo cáo. Các thử nghiệm thực địa này sẽ đóng góp đáng kể vào việc hiểu sâu hơn về tác động của hệ thống nông điện lên vườn táo và môi trường xung quanh.
Cuối cùng, nghiên cứu này sẽ cung cấp những hiểu biết quan trọng có thể hướng dẫn việc tối ưu hóa các hệ thống nông điện, giúp chúng hiệu quả hơn trong việc cân bằng năng suất nông nghiệp và sản xuất năng lượng tái tạo trong khi hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng đang diễn ra.
