Солнечные панели и помидоры: новая модель показала, как агровольтаика спасает урожай от жары
Ученые создали симуляцию, которая учитывает взаимодействие панелей, растений, почвы и воздуха. Оказалось, что под солнечными батареями листья томатов остывают на 7,5°C в пиковую жару, а работники ферм меньше страдают от перегрева.
Фотоэлектрические технологии, чаще всего представленные громоздкими солнечными панелями на солнечных фермах, к 2050 году, как ожидается, станут доминирующим источником энергии. Но эти панели часто устанавливают на землях, которые в ином случае можно было бы использовать для выращивания продовольствия для растущего населения.
Агровольтаика призвана решить эту проблему за счет посадки культур вокруг или под рядами солнечных панелей, что позволяет использовать землю более эффективно. В предыдущих исследованиях было показано, что солнечные панели помогают затенять и защищать некоторые культуры, а также повышают влажность почвы. Это говорит о том, что тщательно спроектированные системы могут поддерживать и сельское хозяйство, и производство чистой энергии.
Однако существующие исследования агровольтаики, как правило, сосредоточены на одном аспекте процесса за раз — например, на доступности света или росте культур, — а не на тонких взаимодействиях между микроклиматом, типом культур, светом и типом панелей. Хоссейни и его коллеги представляют новую модель, способную симулировать микроклиматы под солнечными панелями и даже учитывать тепловой стресс, с которым работники могут сталкиваться в реальных условиях.
Новая модель имитирует взаимодействия между солнечными панелями, культурами, почвой, движением воздуха и воды, а также поглощением углекислого газа, отслеживая, как энергия, импульс и масса перемещаются через агровольтаическую систему. Исследователи использовали данные с агровольтаических площадок, включая измерения температуры листьев в Дэвисе, Калифорния, и температуры почвы в Чикаго-Сити, Миннесота, чтобы оценить, насколько модель соответствует реальным условиям.
Затем они применили модель к гипотетической агровольтаической томатной ферме, используя погодные данные жаркого влажного дня в Принстоне, штат Нью-Джерси, — показательном месте для густонаселенного Среднеатлантического региона, где высок спрос и на продовольствие, и на энергию.
По сравнению с помидорами, выращенными в открытом поле, у томатов под солнечными панелями температура листьев в течение дня была в среднем на 1,84°C ниже, а в пиковую послеполуденную жару — до 7,56°C ниже, что сократило потери воды через эвапотранспирацию на 22,4%. Хотя смоделированные культуры получали на 47% меньше солнечного света, их поглощение углерода снизилось лишь на 31%. Это указывает на то, что более умеренные условия снизили тепловой стресс и частично компенсировали эффект усиленного затенения.
Сами солнечные панели днем также были на 5,6°C прохладнее, чем панели над голой почвой, что позволило им восстановить около 15% эффективности, теряемой при более высоких температурах. Средняя воспринимаемая температура для человека в рабочие часы снизилась на 4,46°C, что означает важные преимущества для охраны труда и здоровья работников ферм. Исследователи предполагают, что модель можно использовать для изучения преимуществ агровольтаических ферм, а также других климатических и культурных сочетаний.
Двойной урожай: почему агровольтаика выгодна и фермерам, и энергетикам
Агровольтаика долгое время рассматривалась как нишевое решение, но новое исследование показывает: ее потенциал гораздо шире, чем просто экономия земли. В условиях учащающихся волн жары затенение от панелей может стать не побочным эффектом, а главным преимуществом для сельского хозяйства.
Особенно важно, что модель учитывает не только растения, но и людей. Снижение воспринимаемой температуры почти на 4,5°C в рабочие часы — это не просто комфорт, а вопрос безопасности. Тепловой стресс у сельскохозяйственных рабочих — серьезная проблема, которая в жарких регионах приводит к тепловым ударам, снижению производительности и долгосрочным последствиям для здоровья. Агровольтаические фермы могут предложить более безопасные условия труда без дополнительных затрат на кондиционирование или сокращение рабочего дня.
Экономическая логика тоже складывается. Фермер, установивший солнечные панели над своими полями, получает два источника дохода: продажу урожая и продажу электроэнергии. При этом панели, охлаждаемые растениями, работают эффективнее, а значит, приносят больше энергии с той же площади. Это особенно актуально для жарких регионов, где перегрев снижает КПД фотоэлементов.
Остаются и нерешенные вопросы. Не все культуры одинаково хорошо переносят затенение, а высота и конструкция панелей должны учитывать потребности сельскохозяйственной техники. Однако по мере совершенствования моделей, подобных той, что представили Хоссейни и его коллеги, проектировщики получают все более точные инструменты для подбора оптимальных сочетаний культур, климата и типов панелей.
Если прогнозы о доминировании солнечной энергетики к 2050 году сбудутся, вопрос конкуренции за землю между энергией и продовольствием станет одним из центральных. Агровольтаика предлагает ответ, при котором выигрывают обе стороны.
Источники: Hosseini et al., исследование агровольтаической модели; данные измерений в Дэвисе (Калифорния) и Чикаго-Сити (Миннесота); материалы Live Science.
