Быстрый рост производства фотоэлектрической энергии в последние десятилетия отражает настоятельную потребность в устойчивом развитии и достижениях в области солнечных технологий.
К 2030 году глобальная мощность фотоэлектрических электростанций достигнет 760 ГВт, при этом Китай, Европа и Соединенные Штаты будут лидировать. Однако это расширение вызвало споры по поводу использования земли, поскольку почти все фотоэлектрические электростанции установлены на земле.
Эти установки часто занимают сельскохозяйственные угодья, что вызывает обеспокоенность по поводу ущерба окружающей среде, угроз биоразнообразию и социально-экономических рисков, таких как сокращение сельскохозяйственного производства и сокращение численности населения в сельской местности.
Агровольтаика, практика сочетания производства солнечной энергии с сельским хозяйством на одной и той же земле, стала потенциальным решением. Концепция была разработана в 1982 году, когда исследователи разработали фотоэлектрические системы, позволяющие солнечному свету проникать под сельскохозяйственные культуры.
К 2021 году исследования показали, что агровольтаика может повысить продуктивность земель на 35-73%. С тех пор многочисленные эксперименты подтвердили ее преимущества для производства энергии, продовольственной безопасности и экономики сельских районов.
Этот подход двойного назначения ослабляет конкуренцию между возобновляемыми источниками энергии и сельским хозяйством, решая проблемы как с обеспечением продовольствием, так и с изменением климата. Исследования показывают, что агроэлектрические системы могут сокращать выбросы парниковых газов, поддерживать жизнедеятельность в сельской местности и повышать урожайность сельскохозяйственных культур.
Например, при таких системах хорошо растут теневыносливые культуры, такие как салат-латук и пшеница. Кроме того, затенение снижает температуру почвы и потребность в воде, особенно в засушливых регионах. Понижая температуру панелей за счет испарения, эти системы также повышают эффективность фотоэлектрических систем.
Гибкость конструкций агровольтаики позволяет им адаптироваться к разнообразным ландшафтам. Некоторые системы специально разработаны, их панели приподняты и расположены на определенном расстоянии друг от друга, что обеспечивает максимальную эффективность использования солнечной энергии и сельского хозяйства. Другие модернизируют существующие фотоэлектрические фермы, внедряя совместимые культуры.
Экспериментальные установки продемонстрировали многообещающие результаты. В Индии выращивание на солнечных батареях повышает экономическую ценность виноградников в 15 раз по сравнению с традиционными виноградниками. Аналогичным образом, исследования, проведенные в Европе, показали, что урожай, выращенный под солнечными батареями, часто сопоставим или даже превосходит урожай, выращенный на открытых полях.
Системы живой изгороди из оливковых деревьев являются ярким примером агровольтаики в действии. Исследователи из Испании, из Университета Кордовы, разработали имитационную модель для интеграции фотоэлектрических панелей с оливковыми плантациями.
Их результаты показали взаимную выгоду: затенение улучшает урожайность оливок, защищая их от ветра, в то время как испарение охлаждает панели, повышая выработку энергии. Эти модели позволяют точно оптимизировать высоту, расстояние между панелями и плотность их расположения, чтобы сбалансировать производство сельскохозяйственной продукции и энергии.
Несмотря на многообещающие возможности агровольтаики, проблемы остаются. Разработка систем, обеспечивающих сбалансированное освещение сельскохозяйственных культур и панелей, требует тщательного планирования. Слишком плотное расположение панелей может затруднить сельскохозяйственные работы, в то время как недостаточное затенение может снизить урожайность.
Схема расположения экспериментальной агровольтаической установки (синий: фотоэлектрическая установка; желтый: фруктовый сад).
Передовые инструменты моделирования и полевые исследования имеют решающее значение для совершенствования этих проектов. Коэффициент земельного эквивалента (LER), показатель, сравнивающий совокупную продуктивность с отдельными видами использования земли, неизменно показывает, что агровольтаика более эффективна, и его значения варьируются от 1,29 до 1,73.
Потенциал агровольтаики простирается не только на однолетние культуры. В то время как большинство исследований посвящено растениям с коротким сроком жизни, использование многолетних культур, таких как оливки, открывает уникальные возможности. Живые изгороди из олив, которые уже сейчас эффективны благодаря механизации и высокому качеству урожая, идеально подходят для агровольтаических систем.
Испанские исследователи разработали модели для прогнозирования производства оливкового масла и выработки солнечной энергии, доказав жизнеспособность этих систем. Их работа подчеркивает важность баланса между эффективностью и практичностью, гарантируя, что сельскохозяйственная техника по-прежнему будет эффективно работать.
Масштабируемость агровольтаики очевидна. В период с 2012 по 2020 год мировое производство электроэнергии на основе агровольтаики выросло с 5 МВт до 2,8 ГВт. Этот рост подчеркивает растущий интерес к системам двойного назначения как устойчивому решению конфликтов в области землепользования. По мере развития технологии дальнейшие исследования позволят усовершенствовать конструкцию и расширить область ее применения.
Исследователи Рафаэль Лопес Луке, Марта Варо Мартинес, Луис Мануэль Фернандес де Ахумада и Альваро Лопес Берналь в кампусе Рабаналес (Университет Кордовы).
Интегрируя фотоэлектрические панели с сельским хозяйством, агровольтаика удовлетворяет две насущные глобальные потребности: чистую энергетику и продовольственную безопасность. Этот подход открывает путь вперед, сочетая производство энергии с устойчивым управлением земельными ресурсами и развитием сельских районов.
Благодаря постоянным инновациям и сотрудничеству агровольтаика может изменить то, как человечество удовлетворяет свои потребности в энергии и сельском хозяйстве, способствуя более устойчивому будущему.
