Агрофотоволтаици

Уязвимостта на нашите хранителни, енергийни и водни системи към климатичните промени налага изграждането на устойчивост в лицето на възобновяемата енергия и производството на храни. Този проблем се явява и като едно от основните предизвикателства за човечеството. Изследван е нов подход за решаване на този проблем чрез създаване на хибрид от цветно земеделие и соларна фотоволтаична инфраструктура. Агроволтаиците, известни още като агрофотоволтаици (APV), са система/ метод за съвместно обработване на една и съща площ земя както за слънчева фотоволтаична енергия, така и за селско стопанство.
Съвместното съществуване на слънчеви панели и култури предполага синергия между тези два вида производство. Усвояването на полезен ефект е резултат от концепцията за двойното използване на обработваемата земя едновременно за производство на слънчева енергия и отглеждане на растения. Тази синергия е оптимална с минималното си отрицателно въздействие върху производството на биомаса и електроенергия, докато в абсолютна стойност ефективността от използването на земята се повишава.

Навсякъде по света намаляването на валежите и повишаването на температурите на въздуха увеличават уязвимостта както в селскостопанския, така и в енергийния сектор. Притесненията за недостиг на вода налагат разговори и действия относно развитието на селскостопанския сектор. Същевременно екстремните метеорологични събития влияят на енергийните системи по целия свят, намалявайки надеждността на производството на енергия. От това следва, че устойчивостта на глобалната енергийна система има все по-голямо значение. Технологиите, устойчиви на засушаване като вятърни и слънчеви фотоволтаици, могат да задоволят проблемите именно с тази устойчивост. Продоволствената и енергийната сигурност не трябва да бъдат конкурентни цели. В действителност, приемането на цялостен интегриран подход при вземане на решението храна-енергия-вода може да увеличи устойчивостта както на хранителните, така и на енергийните системи.

Изследователи са анализирали възможността за съвместно разположение на селското стопанство и слънчевата фотоволтаична инфраструктура за максимално увеличаване на добивите на културите, минимизиране на използването на вода и производство на устойчива, възобновяема енергия. Агрофотоволтаиците (APV) обозначават подходите за използване на селскостопански площи едновременно за производство на храна и за генериране на фотоелектрическа енергия. По този начин агрофотоволтаичната система повишава ефективността за използване на земята и дава възможност за разширяване на капацитета на фотоволтаици. Същевременно се запазват плодородни обработваемите площи за селското стопанство. Агрофотоволтаичната технологията се развива много динамично през последните години и може да бъде открита в почти всички региони на света.

Използване
Чрез употребата на Агрофотоволтаици земеделците се грижат за ефективното използване на своята земята. Проучвания за агроволтаиците показва, че производството на електроенергия и растенията, устойчиви на сянка, не намаляват производителността, което позволява едновременно и ефективно производство, и на двете. Установено е, че агроволтаиците работят най-ефективно при отглеждане на растения, които са устойчиви на сянка, като някои потенциални функциониращи култури са люцерна, сладък картоф, маруля и други. Установено е, че потенциалът на производителност на земята се увеличава с 60-70%, от една страна. От друга страна, също така произведената слънчева електроенергия, съчетана с устойчивото на сянка растение, създава над 30% увеличение на икономическата стойност на фермите, които използват агроволтаични системи, вместо конвенционалното земеделие.

Тъй като една от целите на селскостопанските системи е опазването на земеделските земи, се счита, че селскостопанското производство в агроволтаични условия е високо ефективно. Целите на агроволтаичната система могат да бъдат няколко: оптимизиране на обема на селскостопанската продукция, повишаване качеството на селскостопанската продукция и същевременно производството на енергия.

Разходите за производство на електроенергия на агрофотоволтаичната система днес са конкурентни на малка фотоволтаична система на покрива. Изследователите предвиждат по-нататъшно намаляване на разходите поради икономия от мащаба и полезния ефект от дейността. Няколко култури могат да се възползват от тези системи, включително производство на плодове.

Ако електроенергията се съхранява и използва в земеделската общност, възникват допълнителни източници на доходи поради синергични ефекти. От една страна, използването на електрически превозни средства в селското стопанство е нарастващо. От техническа гледна точка фермерите могат да акумулират производство както на храна, така и на електроенергия в своето стопанство. Чрез двойното използване на обработваемата земя се изпълнява основната задача на производството на храни. Допълнителното производство на слънчева електроенергия допринася за разширяването на електрическата мобилност и служи за опазване на климата.

Видове агроволтаични системи
Съществуват три основни типа агрофотоволтаици, които се изследват активно: слънчеви масиви с пространство между посевите, слоест слънчев масив над културите и оранжерийна слънчева решетка. И трите системи имат няколко променливи, използвани за максимизиране на слънчевата енергия, абсорбирана както в панелите, така и в културите. Основната променлива, взета под внимание при агроволтаичните системи, е ъгълът на слънчевите панели, наречен ъгъл на наклона. Други променливи, взети под внимание при избора на местоположението на агроволтаичната система, са избраните култури, височината на панелите, слънчевото облъчване и климата на района. Съществуват различни конфигурации на агроволтаичните устройства. Тези условия служат като ориентир при дефиницията на агроволтаичните системи. Експерименталните съоръжения често имат контролна земеделска площ. Контролната зона се експлоатира при същите условия като агроволтаичното устройство, за да се проучи влиянието на устройството върху развитието на културите.

Най-простият подход са инсталираните неподвижни слънчеви панели върху оранжерии за селско стопанство, над или между култури с открити полета. Този тип се наименува фиксиран слънчев панел. В по-сложни конфигурации агроволтаичната система използва система за проследяване. Слънчевите панели могат да бъдат контролирани, за да се оптимизира тяхното позициониране за подобряване на селскостопанската продукция или производството на електроенергия. В този случай се използва динамичен агроволтаик.

Връзката храна-вода-енергия
Соларните панели на агроволтаиците влияят както върху културите, така и върху земята, която те покриват по много по-ефективен начин от осигуряването само на сянка. Засенчването от фотоволтаичните панели създава ползи и синергични предимства, включително намален стрес от засушаване на растенията, по-голямо производство на храна и намален топлинен стрес на фотоволтаичните панели.

Също така отражение дава и върху водния поток и топлината. Например във ферми при отглеждане на някои видове култури, с правилно позициониране на агрофотоволтаиците на подходящо разстояние, се забелязва значително увеличение в продуктивността. Агроволтаиците могат да се използват при отглеждане на култури или земеделски площи, където ефективността на водата е наложителна, тъй като осигуряват икономия на водните ресурси.

Проведено е проучване върху топлинното въздействие на земята, въздуха и културите под слънчевите панели за вегетационен период. Установено е, че докато въздухът под панелите остава постоянен, земята и растенията поддържат по-ниски температури. Това е от изключителна важност за някои земеделски култури. Също така слънчевите панели могат да работят по-добре поради охлаждането, осигурено от растенията.

Устойчивите на сянка култури обикновено не се отглеждат в индустриални селскостопански системи. Например пшеничните култури не се справят добре в среда с ниска осветеност, което означава, че няма да работят с агрофотоволтаици. Агроволтаиците все още не работят с оранжерии. Оранжериите, които са наполовина покрити с панели, произвеждат продукция с намаление от 64%, а производителността на панелите намалява с 84%.

Ползи
На база изследвания за ефекта от използване на подобен тип система върху почвата и продукцията, резултати показват висока ефективност на използването на земята от 160%, потвърдена от специалисти в областта. Производителността на агрофотоволтаичната система през период с горещ климат значително надхвърля и тази стойност. Частичното засенчване под фотоволтаичните модули подобрява селскостопанския добив, а богатото на слънце лято увеличава производството на слънчева електроенергия.

Освен развитието на портфолиото, добивите и качеството на културите, са направени изследвания и относно климатичните условия под агроволтаичната системата, а също и от съседното референтно поле. Слънчевото облъчване под агрофотоволтаичната системата, по данни, е с около 30% по-малко от референтното поле. В допълнение към количеството слънчево облъчване, агрофотоволтаиците влияят и върху разпределението на валежите и температурата на почвата. През пролетта и лятото температурата на почвата под агроволтаичната система отбелязва по-ниски стойности, в сравнение с референтното поле. През горещо, сухо лято влажността на почвата в житната култура отбелязва по-висока стойност от референтното поле. От това следва, че сянката под полупрозрачните слънчеви модули е дала възможност на растенията да издържат по-добре горещите и сухи условия. Този резултат показва потенциала на агрофотоволтаиците в сухите региони.

Резултати демонстрират огромния потенциал на технологията за сухи климатични зони. Културите и добитъка могат да се възползват от сянката, дадена от фотоволтаичните модули. Пилотно проучване показва, че ефектът на засенчване и по-малкото изпаряване водят до 40% по-високи добиви на домати и памучни култури. В определени случаи е изчислена и почти удвоената ефективност от използването на земята за региона. По проведени тестове на експерти влиянието на агрофотоволтаичните системите върху водния баланс е положително, тъй като се отбелязват по-малко изпарения и по-ниски температури. Събирането на дъждовната вода с фотоволтаични модули също играе роля.

Пример от практиката
За да тестват концепцията си, изследователи са засадили три обикновени растения - пипер, люти чушки и чери домати. Това са представители на три различни сухоземни среди, засадени под фотоволтаичните панели. По време на тримесечния вегетационен период те наблюдават нивата на светлина, температурата на въздуха и относителната влажност, като използват сензори, монтирани над почвената повърхност. Те също осъществяват измерване на почвената температура и влагата на дълбочина 5см. Контролите и агроволтаичните системи получиха едно и също напояване в два етапа на тестване, а именно ежедневно и напояване на всеки два дни. Въпреки че въздействията варираха според вида на растенията, изследователите откриват, че агроволтаичните системи имат обещаващи стойности за производството на продукцията, спестяването на вода и производството на възобновяема енергия. Намаляването на прякото излагане на слънчева светлина под фотоволтаичните панели води до по-хладни температури на въздуха през деня и по-топли температури през нощта, което позволи на растенията под слънчевите масиви да задържат повече влага, отколкото контролните култури, които растат под открито небе.

Системи с висока технологичност
Създадена е и разработка на агрофотоволтаици със система за проследяване. Панелите могат да бъдат насочвани и ориентирани за подобряване на производството на енергия или засенчване на културите, ако е необходимо. Първият прототип е построен през 2007г. Разработени са също така и няколко инсталации, оборудвани с двойна ос за следене като еквивалентна система, използвана за селскостопански оранжерии.

При първите динамични агроволтаични устройства, панелите се регулират ръчно. Земеделските производители могат да променят положението на слънчевите панели според сезона или етапа на развитие на културите, за да увеличат или намалят засенчването и генерирането на енергия. Няколко компании разработват също и по-сложни системи. Например културите растат по системи, съставени от таблици с 25 слънчеви панела, фиксирани двуосно с проследяващи устройства. Съществува и компания, която създава фотоволтаична оранжерия, чиито слънчеви панели са инсталирани на подвижни капаци. Панелите могат да следват хода на Слънцето по оста изток-запад.

Представена пред агрономи е и нова концепция за агроволтаична система, която представлява извити стъклени панели. Тези панели са покрити с дихроичен полимерен филм и са от голяма необходимост за фотосинтезата на растенията. Всички останали дължини на вълните се отразяват и се фокусират върху концентричните слънчеви клетки за генериране на енергия. Ефектите на сянка са напълно елиминирани, тъй като културите получават винаги синята и червената дължина на вълната, необходима за фотосинтезата. Този нов тип агрофотоволтаик е удостоен и с награди в областта.

Ефективността на наземните фотоволтаични системи непрекъснато нараства. Това увеличаване на конкурентните предимства води до нови бизнес модели за използване на културния пейзаж. В резултат на това, натискът върху селските райони се увеличава с нарастващото търсене на земя. Ограничената наличност на обработваеми почви и нарастващото търсене на пространство ще доведе до нови измерения в конкуренцията за използване на земята и икономическите, екологичните, и социалните конфликти. Следователно иновативната фотоволтаична технология е решение, с което земеделската земя може да продължи да се използва за отглеждането на култури едновременно с производството на електроенергия.

Съвместното разположение на фотоволтаиците в селското стопанство може да предложи печеливши резултати в много сектори, като увеличаване на производството на култури, намаляване на загубата на вода и подобряване на ефективността на фотоволтаичните масиви. Възприемането на такива синергични пътеки напред може да помогне за изграждането на устойчиви системи за производство на храни и производство на енергия. Обещаващите резултати от тази работа имат широко значение за това как слънчевото развитие и земеделието по целия свят могат да бъдат интегрирани, за да осигурят взаимна полза. Представените резултати дават основа за бъдещи проучвания относно устойчивостта на хранителните и енергийните системи. Това е продиктувано от извършени бъдещи прогнози относно увеличаване на екологичния стрес, включващ топлина и суша.