Строительство огромных солнечных электростанций вызывает двойственные чувства. С одной стороны, нас может радовать сам факт перехода на возобновляемые источники, но с другой, становится тревожно от того, что развитие «зеленой» энергетики требует таких жертв в виде использования открытых солнцу пространств. Надо ли говорить, что в условиях сокращения сельхозугодий и дефицита свободной земли бескрайние поля из солнечных панелей способны вызвать нарекания со стороны экологов. И они уже раздаются. Даже официальные лица озабочены тем, что солнечная энергетика при своем бурном развитии вступит в антагонистические отношения с традиционными видами землепользования, в первую очередь – с сельским хозяйством.
Проблема на самом деле имеет место, однако ученые активно ищут пути ее решения. Судя по всему, такой путь найден: в ходе специальных исследований, проведенных учеными из университета штата Орегон (США), была подтверждена возможность симбиотического существования солнечных электростанций и сельхозугодий. В августе прошлого года журнал Nature опубликовал статью, где была представлена модель комбинированного использования в пределах одной площадки солнечных панелей и плантаций сельскохозяйственных культур. Идея, в принципе, простая. Обычно солнечные панели монтируют прямо на земле, устилая ими голые поля. А что, если их поднять вверх, а внизу выращивать растения? У нас может возникнуть недоумение, ведь такая «крыша» не даст растениям возможности получать свет. Однако в данном случае не все так однозначно.
Во-первых, на эффективность работы самих панелей, указывают исследователи, влияет сразу несколько факторов, включая температуру и влажность. Эти вещи необходимо учитывать в первую очередь. Во-вторых, панели можно размещать так, что они не будут полностью загораживать растения, создавая лишь ЧАСТИЧНОЕ затенение. Кстати, отметим, что солнечная радиация не является стопроцентно полезной для выращиваемых культур. Интенсивное излучение способно вызывать ожоги и даже снижать активность фотосинтеза. Почему бы тогда с помощью солнечных панелей не «отрегулировать» качество инсоляции? Это оказалось вполне возможным. В итоге создаются хорошие условия как для растений, так и для выработки электроэнергии. Здесь влияние взаимное. И при грамотном подходе оно будет благоприятным для обеих сторон.
Таким образом, американские исследователи доказали возможность устойчивого развития солнечной энергетики в рамках так называемой «агровольтаики», когда, с одной стороны, микроклимат некоторых сельхозугодий положительно сказывается на производстве «зеленого» электричества, и, с другой стороны, солнечные панели содействуют… повышению урожайности! Последнему обстоятельству удивляться не приходится: ученые выяснили, что отбрасываемая фотоэлектрическими установками рассеянная тень в ряде случаев оказывает положительное влияние на урожай. В число таких культур входят, например, салатная зелень, томаты и «техническая» кукуруза (используемая для производства биотоплива). Особенно отзывчивы на рассеянную тень определенные сорта салата. Таким образом, агровольтаика открывает новые возможности для повышения урожайности некоторых культур.
Впрочем, принципиально в данном случае именно комбинированное использование земельных участков, когда вы одновременно получаете и сельскохозяйственную продукцию, и «зеленую» электроэнергию. По мнению американских специалистов, для удовлетворения глобального спроса на электроэнергию достаточно задействовать под агровольтаику всего лишь один процент сельскохозяйственных земель! Отметим, что аналогичные исследования проводят и немецкие ученые. Поэтому мы вправе говорить здесь о мировом тренде.
Есть и другие варианты интеграции фотоэлектрических систем в технологии производства продуктов питания. В ближайшем будущем новейшие достижения в области фотовольтаики могут расширить возможности тепличных хозяйств. Как мы знаем, во многих странах уделяют большое внимание выращиванию растений в закрытом грунте. Такая агротехника имеет свои преимущества. В закрытом грунте можно добиться более высокой урожайности, сократив при этом потребление воды. Однако у теплиц есть один существенный изъян – дополнительные энергозатраты. Речь идет не только об отоплении. Даже в странах с теплым климатом энергопотребление имеет место, поскольку в теплицах необходимо использовать систему кондиционирования. Чем, в данном случае, компенсировать расходы? И здесь на помощь опять приходит фотовольтаика.
Недавно в журнале «Джоуль» была опубликована статья ученых из университета штата Северная Каролина, в которой доказывалась возможность интеграции полупрозрачных органических солнечных модулей в конструкцию теплицы, благодаря чему удается выйти на нулевой уровень энергопотребления. Напомню, что органические солнечные элементы являются альтернативой традиционной кремниевой фотовольтаике. Они не получили широкого распространения в силу более низкого КПД. В то же время их производство обходится дешевле, а их способность пропускать лучи определенного солнечного спектра открывает возможность использования в тепличном хозяйстве.
Как мы понимаем, фотоэлементы должны покрывать поверхности, через которые внутрь теплицы проникает солнечный свет. В принципе, здесь возникает та же дилемма, что и в первом случае, когда солнечные панели совмещали с открытым грунтом. Растения нуждаются в свете - но, тогда как на их рост повлияют солнечные элементы, если они задерживают часть лучей?
Ученые в связи с этим напоминают, что для фотосинтеза растения используют только определенную часть солнечного спектра. Поэтому можно создать такие фотоэлементы, которые будут пропускать внутрь теплицы именно тот свет, который нужен для жизни растений. Полупрозрачные солнечные модули, отмечается в статье, как раз тем и привлекательны, что их вполне можно «настроить» на определенную световую волну.
Куда важнее, указывают исследователи, вычислить тепловой баланс, ведь солнечный свет используется еще и для нагрева теплицы. Иными словами, необходимо выбрать такие фотоэлементы, которые в состоянии произвести энергии больше, чем ее задерживается «на входе». Исследования показали, что такое вполне возможно. Во всяком случае, в климатических условиях штата Аризона теплицы вполне можно сделать энергетически нейтральными. Как следует из графика, здесь теряется только 10% активной солнечной радиации. В Висконсине – ввиду более суровых климатических условий - на нулевой уровень выйти не удалось, тем не менее, энергопотребление было снижено на 46% в сравнении с обычными теплицами.
Исследователи выражают уверенность, что предложенная система позволит свести к минимуму потерю тепла и света, и получить избыток энергии даже для умеренного климата. Кроме того, органические фотоэлементы могут содействовать охлаждению теплицы в летнее время, и снизить потери тепла зимой за счет снижения инфракрасного излучения. Кроме того, рассеянный свет благоприятно сказывается на фотосинтезе.
Разумеется, такая система требует очень тонкой «настройки». Не удивительно, что реализация данного проекта была результатом совместной работы физиков и биологов. В принципе, нет никаких сомнений в том, что прорывные технологии и впредь будут создаваться только на стыке нескольких наук. По большому счету, интеграция фотовольтаики в область сельского хозяйства стала ярким примером интеграции не просто различных отраслей производства, но и различных областей знаний.
Андрей Колосов
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии