Повышение устойчивости возобновляемых источников энергии и производства продуктов питания является фундаментальной задачей в сегодняшнем меняющемся мире, особенно в регионах, подверженных жаре и засухе. Агровольтаика, совместное размещение сельского хозяйства и солнечных фотоэлектрических панелей, предлагает возможное решение, поскольку новое исследование под руководством Университета Аризоны сообщает о положительном влиянии на производство продуктов питания, экономию воды и эффективность производства электроэнергии.
Agrivoltaics, также известная как совместное использование солнечной энергии, - это идея, которая набирает обороты в последние годы; однако лишь немногие исследования отслеживали все аспекты связанных с ними продовольственных, энергетических и водных систем, и ни одно из них не было сосредоточено на засушливых районах - регионах, которые испытывают проблемы с производством продовольствия и нехватку воды, но имеют избыток солнечной энергии.
Многие из нас хотят больше возобновляемой энергии, но где разместить все эти панели? По мере роста солнечных установок они, как правило, располагаются на окраинах городов, и исторически именно здесь мы уже росли наша еда», - сказал Грег Бэррон-Гаффорд, доцент Школы географии и развития и ведущий автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Sustainability.
Недавнее широкомасштабное исследование в журнале Nature показало, что нынешние пахотные земли представляют собой «земельные покровы с наибольшим потенциалом солнечной фотоэлектрической энергии», основанные на обширном анализе входящего солнечного света, температуры воздуха и относительной влажности.
"Так какое землепользование вы предпочитаете - производство продуктов питания или энергии? Эта задача касается пересечения связей между человеком и окружающей средой, и именно здесь проявляют себя географы!" сказал Бэррон-Гаффорд, который также является исследователем Biosphere 2. «Мы начали спрашивать: «Почему бы не производить и то, и другое в одном месте?» И с тех пор мы выращиваем такие культуры, как помидоры, перец, мангольд, капусту и травы в тени солнечных батарей."
Используя солнечные фотоэлектрические или фотоэлектрические панели и местные овощи, команда создала первую агроэлектрическую исследовательскую площадку в Биосфере 2. Профессора и студенты, как студенты, так и аспиранты, измеряли все, начиная с момента прорастания растений и заканчивая количеством углеродных растений. высасывали из атмосферы и выбрасывали воду, до их общего производства пищи в течение вегетационного периода.
Исследование было сосредоточено на растениях перца чилтепин, халапеньо и помидоров черри, которые были помещены под массив фотоэлектрических модулей. В течение среднего трехмесячного летнего вегетационного периода исследователи непрерывно контролировали уровень поступающего света, температуру воздуха и относительную влажность с помощью датчиков, установленных над поверхностью почвы, а также температуру и влажность поверхности почвы на глубине 5 сантиметров. Как традиционная посевная площадь, так и агроэлектрическая система получали одинаковую норму орошения и были протестированы с использованием двух сценариев орошения - ежедневного орошения и орошения через день.
Они обнаружили, что агроэлектрическая система значительно повлияла на три фактора, влияющих на рост и размножение растений: температуру воздуха, прямой солнечный свет и потребность атмосферы в воде. Тень, обеспечиваемая фотоэлектрическими панелями, приводила к более низким дневным температурам и более теплым ночным температурам, чем традиционная система посадки под открытым небом. В агроэлектрической системе также наблюдался более низкий дефицит давления пара, а это означало, что в воздухе было больше влаги.
«Мы обнаружили, что многие из наших продовольственных культур лучше растут в тени солнечных батарей, потому что они защищены от прямого солнца», - сказал Барон-Гаффорд. «На самом деле, общее производство плодов чильтепина было в три раза больше под фотоэлектрическими панелями в агроэлектрической системе, а производство помидоров было вдвое больше!»
Халапеньо произвел одинаковое количество фруктов как в агроэлектрической системе, так и на традиционном участке, но при этом потери транспирационной воды на 65% меньше.
В то же время мы обнаружили, что каждое орошение может поддерживать рост урожая в течение нескольких дней, а не только часов, как в современных методах ведения сельского хозяйства. Это открытие предполагает, что мы можем сократить потребление воды, но при этом сохранить уровень производства продуктов питания. », - добавил Бэррон-Гаффорд, отметив, что влажность почвы оставалась примерно на 15% выше в агроэлектрической системе, чем на контрольном участке, при поливе через день.
В дополнение к преимуществам для растений, исследователи также обнаружили, что агроэлектрическая система повышает эффективность производства энергии. Солнечные панели по своей природе чувствительны к температуре - по мере нагревания их эффективность падает. Выращивая сельскохозяйственные культуры под фотоэлектрическими панелями, исследователи смогли снизить температуру панелей.
«Эти перегревающиеся солнечные панели на самом деле охлаждаются тем фактом, что растения под ними выделяют воду в результате естественного процесса транспирации - точно так же, как господа во внутреннем дворике вашего любимого ресторана», - сказал Бэррон-Гаффорд.«В целом, это беспроигрышный вариант с точки зрения улучшения того, как мы выращиваем пищу, используем наши драгоценные водные ресурсы и производим возобновляемую энергию».
Исследования Бэррон-Гаффорд в области агровольтаики расширились и теперь включают несколько солнечных установок на территории Объединенного школьного округа Тусона, или TUSD, земли. Мозес Томпсон, который делит свое время между TUSD и Школой географии и развития UA, отмечает, что команда также использует солнечные установки TUSD для взаимодействия со студентами K-12.
«Что меня привлекает в этой работе, так это то, что происходит с учащимися K-12, когда их участие является последовательным и исследование живет в их сообществе», - сказал Томпсон. «Этот сдвиг в динамике создает у студентов чувство свободы в решении таких серьезных проблем, как изменение климата».
Авторы говорят, что необходимы дополнительные исследования с дополнительными видами растений. Они также отмечают неизученное в настоящее время влияние агровольтаики на физическое и социальное благополучие сельскохозяйственных рабочих. Предварительные данные показывают, что температура кожи может быть примерно на 18 градусов по Фаренгейту ниже при работе в области агроэнергетики, чем в традиционном сельском хозяйстве.
«Изменение климата уже подрывает производство продуктов питания и здоровье сельскохозяйственных рабочих в Аризоне», - сказал Гэри Набхан, агроэколог из Юго-Западного центра UA и соавтор статьи. «На юго-западе США среди наших сельскохозяйственных рабочих часто случаются тепловые удары и связанные с жарой смерти; это может иметь прямое влияние и на них».
Бэррон-Гаффорд и его команда в настоящее время работают с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, чтобы оценить, насколько хорошо агроэлектрический подход может работать в других регионах страны и как региональная политика может способствовать принятию новых подходов к решить эти распространенные проблемы.
«Это лучшая инновация UA - междисциплинарная группа исследователей работает над решением некоторых из наших самых сложных экологических дилемм», - сказала соавтор Андреа Герлак, профессор Школы географии и развития в Колледже. социальных и поведенческих наук.«Представьте, какое влияние мы можем оказать на наше сообщество - и на весь мир - более творчески подумав о сельском хозяйстве и производстве возобновляемой энергии вместе».