“Hàng rào pin mặt trời” giúp nông dân Colorado vừa canh tác vừa sản xuất điện mặt trời

Các dãy pin mặt trời hai mặt dạng hàng rào lắp đặt theo phương thẳng đứng tại Trung tâm Nghiên cứu, Phát triển và Giáo dục Nông nghiệp (ARDEC) là một phần trong chương trình hợp tác giữa Đại học Bang Colorado (CSU) và Sandbox Solar nhằm thúc đẩy đổi mới trong lĩnh vực điện mặt trời kết hợp nông nghiệp (agrivoltaics). Hệ thống này tích hợp sản xuất điện mặt trời với hoạt động canh tác trên đất nông nghiệp, đồng thời vẫn cho phép các thiết bị nông nghiệp truyền thống hoạt động bình thường.

Việc sản xuất điện mặt trời trên đất nông nghiệp được xem là một giải pháp đầy triển vọng và bền vững nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng tại Hoa Kỳ. Bằng cách lắp đặt các tấm pin mặt trời trên đất canh tác, nông dân có thể đồng thời sản xuất nông sản và điện năng, qua đó đa dạng hóa nguồn thu nhập.

Phần lớn các hệ thống điện mặt trời kết hợp nông nghiệp hiện nay phù hợp nhất với đồng cỏ chăn thả gia súc hoặc các loại cây trồng có kích thước nhỏ, chiều cao thấp, ưa bóng nhẹ và được thu hoạch thủ công. Các tấm pin mặt trời lắp đặt theo phương ngang, cao khoảng 1,8 - 2,4 m so với mặt đất, xoay theo hướng di chuyển biểu kiến của Mặt Trời từ Đông sang Tây trong suốt thời gian chiếu sáng trong ngày. Chúng giúp cây trồng hạn chế nhận quá nhiều bức xạ mặt trời, đồng thời góp phần giữ ẩm cho đất. Tuy nhiên, những hệ thống này chưa thật sự phù hợp với các cây trồng quy mô lớn, ưa ánh sáng mạnh và được thu hoạch bằng cơ giới.

Các nhà nghiên cứu thuộc Trường Khoa học Nông nghiệp, Đại học Bang Colorado, phối hợp với Sandbox Solar, đang thử nghiệm các tấm pin mặt trời lắp đặt theo phương thẳng đứng nhằm mở rộng khả năng ứng dụng mô hình điện mặt trời kết hợp nông nghiệp cho nhiều đối tượng nông dân hơn. Những “hàng rào pin mặt trời” này chiếm rất ít diện tích, thu nhận ánh sáng ở cả hai mặt và tạo bóng râm rất ít, nên đặc biệt thích hợp với các cây trồng cao, ưa nắng như ngô. Đồng thời, thiết kế thẳng đứng cho phép máy móc nông nghiệp dễ dàng di chuyển trên đồng ruộng.

Ông Mark Uchanski, trưởng nhóm nghiên cứu và là phó giáo sư chuyên ngành Hệ thống canh tác rau màu thuộc Khoa Làm vườn và Kiến trúc Cảnh quan, cho biết: “Chúng tôi muốn chứng minh rằng mô hình điện mặt trời kết hợp nông nghiệp hoàn toàn phù hợp với các thiết bị cơ giới nông nghiệp quy mô lớn”.

Kết quả ban đầu rất khả quan. Vào mùa hè năm 2024, nhóm nghiên cứu của Uchanski đã trồng ngô lấy hạt xung quanh ba hàng rào pin mặt trời được xây dựng tại ARDEC. Khi thu hoạch, năng suất của những cây ngô trồng gần các tấm pin không hề giảm so với các cây ở vị trí khác.

Đến năm 2025, nhóm tiếp tục lặp lại thí nghiệm với ngô ngọt và thu được kết quả tích cực tương tự. Hai hàng cây gần các hàng rào pin mặt trời nhất, vốn bị che bóng trong một phần thời gian trong ngày, phát triển chậm hơn khoảng 10 ngày so với phần còn lại của ruộng, nơi nhận được đầy đủ ánh sáng mặt trời. Mặc dù thời điểm thu hoạch ở khu vực thí nghiệm diễn ra muộn hơn đôi chút, năng suất vẫn gần tương đương với lô đối chứng không lắp đặt pin mặt trời. Hơn nữa, chất lượng bắp ngô – bao gồm độ ngọt, kích thước bắp và số hàng hạt - không có sự khác biệt giữa các vị trí trong ruộng, bất kể khoảng cách đến các tấm pin mặt trời.

Uchanski cho biết: “Chúng tôi muốn kiểm tra trường hợp bất lợi nhất trong hệ thống pin mặt trời thẳng đứng: một loại cây thân cao, ưa nhiệt và ưa sáng như ngô được trồng ngay sát các tấm pin, khi đó dự kiến sẽ xảy ra hiện tượng che bóng đối với cả cây trồng và các tấm pin”.

Trong năm nay, nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm trên cây đại mạch, một loại cây thấp hơn nhưng cũng ưa ánh sáng và kỳ vọng sẽ đạt kết quả còn khả quan hơn nữa.

Đúng như dự đoán, các hàng rào pin mặt trời tạo ra lượng điện thấp hơn so với hệ thống pin mặt trời truyền thống lắp đặt theo phương ngang. Tuy nhiên, ông Jack Donovan, cộng sự của dự án và cựu sinh viên CSU, cho rằng điều quan trọng hơn là hiệu quả tổng thể của toàn bộ hệ thống.

Donovan, tốt nghiệp ngành Làm vườn vào tháng 12 năm 2024 và hiện làm việc tại công ty năng lượng Sandbox Solar có trụ sở tại thành phố Fort Collins, chia sẻ: “Điều thực sự thú vị ở ý tưởng hàng rào pin mặt trời là hệ thống điện mặt trời được thiết kế để thích ứng với hoạt động nông nghiệp, chứ không phải nông nghiệp phải thích ứng với hệ thống điện mặt trời”. Ông cũng nhấn mạnh rằng việc thiết kế các hệ thống điện mặt trời kết hợp nông nghiệp có thể tích hợp liền mạch vào hoạt động sản xuất hiện có của nông dân sẽ là yếu tố then chốt để mô hình này được áp dụng rộng rãi hơn.

Các hàng rào pin mặt trời được bố trí theo hướng Bắc - Nam, mỗi hàng gồm 10 tấm pin với các tế bào quang điện ở cả hai mặt. Hệ thống được thiết kế để máy kéo sử dụng hệ thống định vị GPS có thể đi qua mà người nông dân không cần thay đổi cách bố trí hiện có trên đồng ruộng, đồng thời cho phép hệ thống tưới tuyến tính dễ dàng di chuyển qua khu vực lắp đặt.

Dự án đã lọt vào vòng chung kết Giải thưởng Agrivoltaics Bắc Mỹ năm 2025, qua đó tiếp tục khẳng định vị thế của bang Colorado là một trong những địa phương dẫn đầu Hoa Kỳ trong lĩnh vực điện mặt trời kết hợp nông nghiệp đang phát triển mạnh mẽ.

Huỳnh Thị Đan Anh theo Đại học Bang Colorado.