Lợi ích song hành của nông nghiệp và năng lượng mặt trời

Trên cùng bên trái: Ảnh một địa điểm được lắp đặt AV (Trang trại Agrivoltaic của MetSolar). Trên cùng bên phải: Hiệu suất quang hợp (trục tung) là một hàm của bước sóng (trục hoành) đối với bức xạ hoạt động quang hợp (PAR). Dưới cùng bên trái: Quang hợp (P_n) trên một đơn vị diện tích lá là một hàm của PAR đối với các loài chịu bóng râm (đường màu xanh dương) và không chịu bóng râm (đường màu đen nét đứt). Pn của các loài chịu bóng bão hòa ở mức PAR thấp so với các loài không chịu bóng. Vượt ra ngoài điểm gần bão hòa (mũi tên dọc), tăng PAR dẫn đến tăng nhẹ P_n. Do đó, ánh sáng dư thừa có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng bởi hệ thống PV. Dưới cùng bên phải: Các nghiệm của phương trình von Bertalanffy minh họa sự biến thiên thời gian (t) của sinh khối trên mặt đất B (t) (tính bằng gm) của một cây con riêng lẻ với 3 số mũ tỷ lệ sinh khối (n = 0,7; 0,8; 0,85). B_e,2 = α ^{1/(1− n )} là sinh khối trên mặt đất tối đa có thể đạt được (nối ngang). Mùa sinh trưởng (khoảng 100 ngày) dài hơn nhiều so với thời gian nghỉ dưỡng ở cả 3 trường hợp. Phần bình luận đưa ra các phỏng đoán về cách bổ sung PV ảnh hưởng đến B_e,2 từ một điều khiển không có PV. Nguồn: Tạp chí Earth's Future (2023). DOI: 10.1029/2023EF003512.

Nông điện (AV) là một khái niệm được phát triển vào những năm 1980 kết hợp nông nghiệp và sản xuất năng lượng mặt trời trên cùng một diện tích đất. Hoa màu được trồng dưới các tấm pin mặt trời và có thể kiểm soát lượng và bước sóng của ánh sáng đi qua quá trình quang hợp. Ánh sáng không cần thiết cho quá trình quang hợp có thể cung cấp năng lượng sạch. Đồng thời, khi thực vật quang hợp, chúng sẽ bị mất nước do thoát hơi nước. Việc mất độ ẩm làm mát không khí và tăng hiệu suất phát điện của các tấm pin. Đó là một tình huống đôi bên cùng có lợi - ít nhất là trên lý thuyết.

Tuy nhiên, những thách thức đáng kể mà AV phải đối mặt đã cản trở việc áp dụng nó rộng rãi. Một câu hỏi cấp bách là làm thế nào công nghệ AV có thể tối đa hóa năng suất cây trồng và tạo ra năng lượng trong khi giảm thiểu lượng nước thất thoát và nhu cầu tưới tiêu của cây trồng. Yêu cầu như vậy là quá nhiều trên một mảnh đất.

Trong một nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học lập luận rằng việc cài đặt AV thành công có thể phân chia ánh sáng thành các bước sóng hiệu quả cho quá trình sản xuất năng lượng hoặc quang hợp, chẳng hạn như màu đỏ cho cây trồng và màu xanh lam cho các tấm pin mặt trời. Dựa trên công trình này, Gabriel Katul đã phát triển một khung toán học để định lượng cách thức từng loài thực vật sử dụng các bước sóng ánh sáng khác nhau trong quá trình quang hợp. Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Earth's Future đã tìm hiểu xem việc kết hợp các hệ thống quang điện với nông nghiệp sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sinh khối trên mặt đất, mà các nhà nghiên cứu sử dụng để ước tính năng suất cây trồng.

Mô hình đã xem xét từng loại cây riêng lẻ và đưa ra các biến số, chẳng hạn như khả năng chịu bóng của cây, có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của nó khi lắp đặt quang điện. Khung giả định rằng các nguồn tài nguyên như ánh sáng có được dựa trên diện tích lá, nhưng cường độ hô hấp tỷ lệ thuận với kích thước của cây. Nghiên cứu cũng xem xét cách các tấm pin mặt trời thay đổi vi khí hậu và ánh sáng sẵn có bên dưới các tế bào của chúng.

Các bài báo đánh giá nhấn mạnh rằng các loại cây trồng ứng cử viên cho AV có khả năng chịu bóng râm và có diện tích lá trên mặt đất lớn. Nhiệt độ không khí giảm và độ ẩm của đất cao hơn dưới hệ thống quang điện cho phép thực vật phân bổ nhiều carbon hơn cho sinh khối trên mặt đất, dẫn đến diện tích lá lớn hơn. Đặc điểm này phổ biến ở các loại cây chịu bóng râm, cho thấy rằng các loại cây có lá lớn hơn như rau arugula, cải xoăn và cà chua có nhiều khả năng thành công hơn trong cài đặt AV.

Tác giả cho biết, bước tiếp theo là mở rộng những phát hiện vượt ra ngoài phạm vi các loại cây trồng đơn lẻ và hướng đến các yếu tố như mật độ cây trồng.

Huỳnh Thị Đan Anh theo Phys.org