Оранжерии и соларни системи
Агроволтаичните системи постепенно се утвърждават като един от най-значимите и иновативни сектори в рамките на фотоволтаичната индустрия. Земеделските стопани все по-често осъзнават потенциала на частичното засенчване на оранжериите, което те отдавна прилагат в практиката си. Те разбират, че този подход може не само да подобри условията за растеж на техните култури, но и да се реализира по начин, който да им носи допълнителна печалба или поне значително да намалява оперативните им разходи. Поради това, интересът им към фотоволтаичните системи нараства значително.
Текст: списание АгроБио Техника
Нарастващото население на света изисква производството на все повече храна. За справянето с подобна потребност се използват и технологии като оранжериите. Оранжерийното отглеждане е един от източниците на зеленчуци и плодове, на които светът разчита повече, отколкото си дава сметка. Оранжерията по дефиниция е затворена структура, която осигурява контролирана среда за отглеждане на култури и ефективен начин за управление на ресурсите, включително енергията. Оранжерията може да повиши добивите до 10 пъти в сравнение със земеделието на открито. Освен това оранжериите предлагат предимства като целогодишно производство на храна, независимо от външните климатични условия, физическо блокиране на нападенията от насекоми и намаляване на консумацията на вода и торове.
За създаването на благоприятен климат и защита на растенията от стихиите в оранжериите се използват различни системи за контрол на вътрешната среда. Така е, защото растежът на насажденията зависи до голяма степен от околната температураи всяко растение има оптимална температура за отглеждане. Например, според скорошни проучвания, оптималната температура за отглеждане на маруля, домат и краставица е съответно 14°C, 20°C и 26°C. Що се отнася до светлината, растенията я използват, за да растат, като произвеждат органична материя чрез фотосинтеза. Прекалено висок или нисък интензитет на светлината може да наруши фотосинтезата на растението, като повлияе на добива, качеството и цвета на културата. Точно както при температурата, растенията се нуждаят от различни интензитети на светлина и изложение за оптимален растеж.
Влажността също влияе върху растежа. Растението губи вода чрез изпарението в суха среда. При висока влажност пък може да развие гъбични инфекции. Наред с всичко това температурата и влажността имат отношение към концентрацията на CO₂, който пък е ключова храна за растенията. Всичко това обяснява защо и колко е важно засенчването в оранжерията. То е метод за контрол на климата и постигане на оптимални условия за отопление, охлаждане, осветление, влажност, обезвлажняване и концентрация на CO₂ в зависимост от потребностите на отглежданата култура. Не можем да не прибавим към изброените фактори и зачестяващите климатични екстреми. За земеделците резките застудявания, летният зной и засушаванията са време на същинска битка: насажденията имат нужда от защита и подкрепа.
Засенчване чрез фотоволтаици
Частичното засенчване намалява топлинния стрес за растенията. От години това се постига по няколко начина - чрез завеси, които могат да се спускат и прибират, чрез засенчващи мрежи, чрез боядисване. И в трите случая са налице финансови разходи за стопаните, разход на време, но най-вече е налице грижа и тревога. Дори сега, когато пръскането с боя може да се прави по-бързо и лесно посредством дронове, грижата за земеделеца остава. „Разкъсаната“ сянка, която агроволтаиците хвърлят, може да намали затоплянето на оранжериите. Намаляването на топлинния стрес в крайна сметка подобрява добивите. Това прави все по-желани фотоволтаиците върху оранжерии, особено в тези географски региони, където лятното слънце е „изпепе ляващо“.
При това положение е обяснимо, че все повече стопани се обръщат към фотоволтаиците - така разходът по мерки за засенчване се явява и източник на приход от електричеството, което ще се генерира. Без съмнение частичната сянка, която рехаво разположени фотоволтаици могат да хвърлят върху насажденията, е добре дошла за традиционни оранжерийни видове като домат, краставица, салата. Има и видове, които предпочитат по-тъмна среда - растения, които не понасят интензивната пряка слънчева светлина. Така е например при някои цветя и декоративни растения. Още повече засенчване е необходимо за отглеждането на гъби - там сянката е толкова желана, че фотоволтаиците могат да са гъсто разположени едни до други.Но не само засенчването носи полза от инсталирането на фотоволтаици върху оранжерията.
Те могат да осигурят електроенергия за ключовите системи за контрол на климата в оранжерията. Това са системи за вентилация, отопление и овлажняване. Оборудването се нуждае от определено количество енергия, за да работи. Ако тази енергия може да идва от слънцето, а не от мрежата, е по добре за стопанството - още повече системите за вентилация и овлажняване обичайно работят по същото време, когато грее слънцето най-ярко. Електричеството от фотоволтаиците може да се използва и за захранване на други земеделски апаратури, необходими за ежедневната работа, например напоителните помпи. Намалявайки вноса на електроенергия от външни източници и използвайки слънцето, инсталирането на слънчеви панели може да бъде ефективно решение за осигуряване на енергията, необходима за контрол на климата в оранжериите.
Няма ли да пречи на растенията?
Целта на парника е контролирана среда. Ако фотоволтаичната сянка помага за контрола, това е добре дошло. В оранжериите, предназначени за покълване на гъби, покриването на покрива чрез слънчеви панели е идеално, тъй като те осигуряват затъмняването на структурата, което е от решаващо значение за този тип производство. Тъмните листни зеленчуци, такива като спанак, къдраво зеле и кейл, изискват среда за отглеждане с относително слаба пряка слънчева светлина. Оранжериите за отглежда не на цветя като орхидеи, хортензии или циклами също изискват засенчване от около 75 до 90%. За тези култури инсталирането на фотоволтаични панели на покрива на конструкцията е чудесен начин за засенчване на средата отдолу и получаване на чиста енергия за захранване на различните климатични системи в оранжерията.
Плътни, полупрозрачни и прозрачни панели
Традиционните фотоволтаични панели са силициеви и обичайно се произвеждат под формата на твърди правоъгълни панели. При добро планиране конструкциите на оранжерии позволяват монтажа на тези големи тъмни правоъгълници с южно изложение. Северните скатове могат да останат покрити с чисто стъкло. Така светлината пак е изобилна, но прякото нагряване се спестява. В друг сценарий за оранжерии фотоволтаиците могат да имат разпределена конфигурация, например шахматно разположение. Така се получава покритие с равномерно разпределени тъмни модули, осигуряващи частична сянка, местеща се в течение на деня. Фактът, че соларните клетки не са плътно разположени една до друга, позволява на значителна част от светлината да преминава навътре към растенията. В зависимост от целта, оранжерийният покрив с фотоволтаици може да се изгради така, че да преминават 40%, 60% или друг процент от светлината.
Сред проектите за оранжерийни соларни системи все по-често се среща и подход, при който PV клетките са по-гъсто разположени на покривната част от оранжерията, а порехаво - на страничните панели. В процес на разработване са и полупрозрачни соларни клетки. Те са тъмни, но леко прозиращи, пропускайки частично светлината. Някои изследователски проекти пък залагат на цветни полупрозрачни клетки.В този случай фотоволтаичният модул улавя предимно една или няколко конкретни честоти от светлинния спектър, а изцяло пропуска други честоти, които са най-потребни за конкретния вид култури, отглеждани в оранжерията. Отскоро се експериментира и с изцяло прозрачни PV клетки за оранжерии. Те станаха известни в света на фотоволтаиката с перспективата за създаване на прозорци, които не блокират светлината, но генерират електричество.Конструкциите се изграждат от панели, които са до голяма степен прозрачни и пропускат повечето слънчева светлина. Счита се, че над 70% прозрачност е достатъчна за повечето видове, които се отглеждат оранжерийно.
Сгъваеми фотоволтаични сенници
Всички изброени дотук системи са твърдотелни и имат този недостатък, че не осигуряват необходимата на земеделците гъвкавост: веднъж монтирани, те остават трайно по местата си. Това е неудобство: понякога фермерът не желае сянката на фотоволтаиците, например в по-сумрачни дни. Поради тази причина съвременните изследвания се фокусират върху разработването на по-динамични фотоволтаични системи за оранжерии. Някои проекти позволяват регулиране на наклона на панелите. Те могат да се навеждат според нуждите на оранжерийните растения, пропускайки повече или по-малко светлина. Този сценарий е приложим, когато соларните панели не са интегрирана част от покрива на оранжерията, а биват разположени под него, върху тракери.
Технологията бе доказана в началото на 2023 година от проекта Regace, дело на международен, интердисциплинарен консорциум, воден от израелската Al-Zahrawi Society. Той дори използва двулицеви и същевременно полупрозрачни фотоволтаични панели, при което постигна с 20% поголеми добиви на електроенергия в сравнение с фиксирани подпокривни панели. По-нова и също обещаваща разработка е монтирането на сгъваеми подпокривни сенници от соларни панели, които могат да се разтягат и прибират според моментните нужди от слънчева светлина. Свързани на принципа на хармоника, правоъгълните соларни панели формират гъвкав вътрешен надвес, който се разтяга или свива при нужда.
Гъвкави органични клетки за полиетиленови покрития
Гъвкавите фотоволтаични клетки също намират място в оранжерията. Обичайно са органични и се нанасят върху гъвкаво фолио, така че могат да се извиват, за да паснат на овални форми. Този вид клетки са подходящи за оранжериите от тунелен тип, които обичайно са покрити с полиетиленово фолио. Това не изключва монтирането им върху плоските стъклени повърхности на стъклените покриви. Органичните фотоволтаични клетки са леки, гъвкави и полиетиленовият материал за капсулирането им е доста подобен на полиетиленовия покривен материал на оранжериите. Удачни са и за прибавяне към вече изградени стъклени оранжерийни конструкции, когато прибавянето на твърдотелните силициеви модули би било трудно, сложно и скъпоструващо. Подобен проект бе демонстриран в началото на 2023 г. от екип на Калифорнийския университет в Лос Анджелис (UCLA), постигайки ефективност в диапазона 11,6% -13,5%.
Гъвкавите органични PV могат да бъдат полупрозрачни, да се предлагат в различни цветове с различни свойства на спектрална пропускливост и да предават колкото се може повече от светлинния спектър, необходим за растежа на растенията, докато използват останалите части от светлината за производство на електроенергия. По този начин и те могат да произвеждат електричество, без да засягат растежа на културите. Някои от най-новите разработки позволяват пропускливостта да се модулира в зависимост от различните отглеждани култури. Един от наскоро демонстрираните проекти показа синьо-зелени, червени и сиви полупрозрачни клетки, нанесени върху PET суб страт, подходящи за оранжерийно отглеждане на зеленолистни зеленчуци. Разработката на Държавния университет на Северна Каролина (NCSU) в САЩ показа още, че контролът на светлината чрез органичните полупрозрачни клетки може да се използва за модифициране на външните характеристики на растенията.
Обичайно гъвкавите клетки имат по-ниска ефективност в сравнение с плоските, твърди силициеви събратя. Технологията обаче се развива много бързо. Установено е също, че органичните панели имат по-ниски работни температури в сравнение със своите силициеви „колеги“, което води до по-бавни скорости на разграждане. От друга страна органичните модули могат да страдат от ускорено разграждане поради механичното напрежение, причинено от движенията на тунелната обвивка заради вятъра. Доколкото изобщо съществуват разходни анализи и сравнения, тази техника се отличава с по-ниски потенциални разходи в сравнение със силициевите технологии.
Фотоволтаици и термопомпи
Фотоволтаиката върху оранжерията добива още по-голям смисъл, ако се разглежда в светлината на възможността за комбиниране на PV с останалата техника във фермата, съответно да се използва за захранване на съоръжения в стопанството. Така например енергията от соларните модули може да захранва напоителните съоръжения. Безспорно най-разумният подход е електричеството да се впрегне в работа в самия парник. На първо място това може да е системата за регулиране на вентилацията. При прекомерно затопляне е необходимо да се задейства вентилационна система и тя може да бъде захранена именно с енергия от соларните клетки на самата оранжерия. Изключително полезна комбинация е електричеството да задвижва термопомпена система за климатизация. Наскоро учени от Турция експериментираха с тази концепция и потвърдиха, че тя не просто е жизнеспособна, а и носи значителни ползи. Разчита се на фотоволтаична енергия като източник на електричество за LED осветление и термопомпа, използвана за отопление и охлаждане.
Методът бе приложен в оранжерия с размери 5x30 метра, използвайки 66 южно ориентирани слънчеви панела с мощност от 200W, покриващи 50% от покрива на конструкцията. Те бяха свързани с термопомпа с наземен източник, която служи както за отопление, така и за охлаждане. Избраното място е с висока слънчевата радиация от 1367W/m 2.
Изследователският екип оцени цялостното представяне на предложения проект, като взе предвид отглеждането на домати, краставици и маруля, с техните различни изисквания за температура. Тъй като охлаждащите натоварвания на системите са изключително високи, култивирането се спира през юли и август. Оранжерията се отоплява или охлажда 24 часа на ден чрез термопомпата. През летните работни месеци - май, юни и септември, фотоволтаичната система е в състояние да покрие до 67,2% от търсенето на електроенергия за работата на термопомпената система.
През зимните работни месеци, когато в оранжерията е необходимо отопление, степента на покритие е още повисока. В междинните периоди, когато фотоволтаичната система произвежда повече енергия, отколкото е необходима на оранжерията, излишъкът се инжектира в мрежата. По същия начин, когато през лятото генерираната мощност не е достатъчна, допълнителното електричество се черпи от мрежата. Икономическият анализ на събраните данни показа, че времето за изплащане на подобна инсталация при отглеждането на домати е 7,2 години, а при краставици и марули - съответно 7,4 и 7 години. Учени от Южна Корея пък потвърдиха, че подобна система може да бъде още по-ефективна, ако се използват комбинирани фотоволтаично-термални панели в съчетание с термопомпа с наземен източник (сондаж). При това положение разходите за отопление и охлаждане на оранжерията се намаляват с до 78%.