Nông điện – Tính linh hoạt của Hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ mang lại lợi ích cho nền Nông nghiệp
Cả năng lượng mặt trời và ngành nông nghiệp đang bắt đầu nhận thấy tiềm năng trong việc sử dụng kết hợp đất đai để sản xuất lương thực và sản xuất năng lượng. Và khi các nhà nghiên cứu bắt đầu thử nghiệm các hình thức khác nhau, rõ ràng là trong hầu hết các trường hợp, năng lượng mặt trời sẽ phải phù hợp với nhu cầu của nông nghiệp, chứ không phải ngược lại, để đảm bảo một kết quả tích cực.
Sự kết hợp giữa Năng lượng mặt trời và nông nghiệp (Nông điện) có thể mang lại lợi ích cho cả hai ngành, đồng thời cắt giảm việc sử dụng đất. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để đảm bảo rằng các dự án và hệ thống được thiết kế theo những cách mang lại kết quả tích cực cho cả hai lĩnh vực. Hình ảnh: Fraunhofer ISE
Hệ thống năng lượng mặt trời yêu cầu phải tiêu tốn quỹ đất khá lớn để xây dựng (trung bình tiêu tốn 6000 m2 / 1 Mwp). Điều đó có nghĩa là khi các công trình năng lượng mặt trời tiếp tục phát triển, ngành công nghiệp này sẽ ngày càng đi vào xung đột với các mối quan tâm quan trọng khác, đặc biệt là nông nghiệp. Cùng với những cảnh báo rằng cần phải có một cách tiếp cận toàn diện đối với mối quan hệ toàn cầu về thực phẩm – năng lượng – nước để ngăn chặn tình trạng thiếu hụt bất kỳ thứ nào trong ba yếu tố trên, việc tìm ra cách để thân thiện với nông dân đang là mối quan tâm ngày càng tăng của nhiều người trong ngành năng lượng mặt trời.
Và mối quan tâm hiện đang được thừa nhận ở cấp độ cao nhất, được nhấn mạnh vào tháng trước bằng việc ký kết một biên bản ghi nhớ giữa Tổ chức Nông lương Liên hợp quốc (FAO) và Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế, hứa hẹn sẽ có sự hợp tác và trao đổi kiến thức rộng rãi hơn giữa hai ngành này.
“Năng lượng tái tạo là yếu tố cần thiết cho việc chuyển đổi hệ thống nông sản thực phẩm, khả năng chống chịu với khí hậu và các chiến lược không có mạng lưới” – Qu Dongyu, Tổng giám đốc FAO đã phát biểu về sự hợp tác này vào tháng 1/2021. “Thông qua sự hợp tác của mình, chúng tôi mong muốn tạo ra và chia sẻ kiến thức, các sản phẩm và công nghệ sáng tạo, cũng như dữ liệu và thông tin. Thỏa thuận này sẽ cho phép chúng tôi tăng cường vai trò của năng lượng tái tạo trong các sáng kiến của FAO ”.
Nông điện – Agrivoltaics (AV), nơi sản xuất năng lượng mặt trời được tích hợp ở vùng đất đã được sử dụng cho nông nghiệp, không chỉ hứa hẹn giải quyết những lo lắng xung quanh sự khan hiếm đất, mà còn đang bắt đầu chứng minh sự cộng tác hữu ích và những lợi ích tiềm năng đối với cả sản xuất lương thực và năng lượng. Đối với một số lượng không nhỏ các dự án, chỉ cần cho phép cừu ăn cỏ bên dưới hệ thống Năng lượng mặt trời đã chứng tỏ sự hợp tác hiệu quả, với cấu trúc của tấp quang điện sẽ mang lại bóng râm cho động vật và cừu có vai trò quản lý thảm thực vật bên dưới hệ thống năng lượng mặt trời mà không mất thêm chi phí nào.
Tuy nhiên, kết hợp giữa năng lượng mặt trời với canh tác cây trồng là một việc hoàn toàn phức tạp hơn. Mặc dù các dự án thành công đã và đang được tiến hành – chẳng hạn như khái niệm “vườn cây ăn quả” của Doral Energy cho việc trồng bơ và năng lượng mặt trời ở Israel, được đăng trên tạp chí năng lượng mặt trời tháng 1 năm 2021 – vẫn còn rất nhiều việc phải làm để hiểu đầy đủ về các khả năng, lợi ích và hạn chế ở đây.
Hiện tại, trọng tâm của nghiên cứu là các mối quan tâm đến từ phía nông nghiệp. Hiểu rõ được việc lắp đặt các tấm quang điện sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển của cây trồng, việc tưới nước và các phương thức làm việc khác, và cuối cùng là năng suất cây trồng vẫn là điều dáng được quan tâm nhất. Điều này sẽ rất khác nhau đối với từng loại cây trồng và từng vùng khí hậu; và sẽ cần phải được thử nghiệm với nhiều cách bố trí hệ thống năng lượng mặt trời khác nhau. Việc thu thập thêm dữ liệu để nghiên cứu về sự phối hợp này là một nhiệm vụ không nhỏ.
Sự phù hợp của cây trồng
Quyết định loại cây trồng nào để tích hợp với hệ thống năng lượng mặt trời là một trong những mối quan tâm đầu tiên cần giải quyết. Phần lớn các nghiên cứu và cách lắp đặt cho đến nay đều tập trung vào các loài thực vật được biết là có khả năng chịu bóng tốt. Max Trommsdorff, người đứng đầu nhóm nông điện tại Viện nghiên cứu Fraunhofer ISE của Đức, trích dẫn quả việt quất và các loại cây lâu năm khác là một ví dụ điển hình về các loại cây trồng tương đối phù hợp khi trồng trên đất được kết hợp với việc lắp đặt điện mặt trời.
Tuy nhiên, đối với nhiều loại cây trồng khác, mô hình hóa tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng như: cách nhiệt, nhiệt độ, gió, hàm lượng đất, nguồn cung cấp nước và nhiều yếu tố khác. Sau đó cần xét thêm ảnh hưởng của việc lắp đặt năng lượng mặt trời vào mô hình này. Và đối với nhiều loại thực vật, những mô hình tăng trưởng như vậy không phù hợp, thậm chí còn tạo ra nhiều công việc hơn nữa cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực nông điện. Trommsdorff cho biết: “Đối với các loại cây trồng được sử dụng rất rộng rãi, chẳng hạn như lúa mì hoặc hạt cải dầu, có một số mô hình phát triển thực vật khá thích hợp. Nhưng các loại cây trồng đặc sản như cà phê, hoa bia hoặc măng tây, thường là những loại ứng dụng mà chúng tôi quan tâm, đóng một vai trò nhỏ hơn trong khoa học nông nghiệp lại chưa tìm thấy nhiều mô hình tăng trưởng phù hợp.”
Các phương pháp trồng và thu hoạch đối với các loại cây trồng cũng rất quan trọng cần xem xét: Việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời thường đi theo hàng, điều này dẫn tới việc các loại cây trồng cũng được trồng theo hàng. Và nếu máy móc lớn được sử dụng, điều này có nghĩa là quỹ đất để xây dựng một hệ thống năng lượng mặt trời sao cho phần kết cấu lắp đặt không ngăn chặn việc tiếp cận máy móc sẽ ít hơn. Tuy nhiên, Trommsdorff lưu ý rằng trong một số trường hợp, điều này có thể được đưa vào thiết kế dự án, với các mảng xanh ở giữa các hàng đóng vai trò là ‘dải đa dạng sinh học.’
Nhà phát triển Pháp Sun’R đang làm việc trên 91,2 MW dự án điện nông đã giành được trong hai vòng đấu thầu đặc biệt của Pháp cho các công nghệ năng lượng mặt trời sáng tạo và năm nay đang bắt đầu nghiên cứu và lắp đặt thử nghiệm kết hợp với lê, mơ và đào. Họ đã tìm thấy những kết quả rất khác nhau cho từng loại cây trồng. Các nhà nghiên cứu của công ty vận hành ba đơn vị Nông điện thử nghiệm có diện tích vài trăm mét vuông mỗi đơn vị. Tại các đơn vị này, các cảm biến thu thập dữ liệu chi tiết về tiến trình của cây trồng, theo dõi các thông số như đường kính cành và nhiệt độ lá, so sánh dữ liệu từ các ô có và không có năng lượng mặt trời. Hiện họ đang làm việc để tinh chỉnh cách tiếp cận của mình và tìm hiểu những thông số quan trọng nhất cần theo dõi.
Làm việc tại miền nam nước Pháp, trọng tâm của Sun’R cho đến nay là vào cây nho. Ở đây, họ đã tìm thấy một số lợi thế tiềm năng cho người trồng, sử dụng lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời để kiểm soát một số mức độ đối với lượng ánh sáng chiếu vào cây.
“Đối với cây nho, điều rất quan trọng là phải biết lượng đường, độ cồn và hàm lượng axit. Những yếu tố này sẽ thay đổi chất lượng và hương vị của rượu”. Jean Garcin – một kỹ sư mô hình của Sun’R giải thích. “Chúng tôi đã chỉ ra rằng bóng râm từ các tấm quang điện giúp nâng cao chất lượng của cây nho, đặc biệt là ở các vùng xa hơn về phía nam của Pháp và những nơi khác ở Nam Âu, nơi cây nho thường có nồng độ cồn khá mạnh.”
Trong khi đó, khi thí điểm với táo, Sun’R đã phát hiện ra rằng trong năm có một số thời kỳ mà một số táo bị rụng khỏi cây, nhưng nếu có quá nhiều bóng râm sẽ dẫn đến quá nhiều táo bị rụng và giảm năng suất cây trồng. Và với anh đào, mưa lớn có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho cây trồng, vì vậy cần có các tấm quang điện lớn hơn và độ che phủ dày hơn. Garcin nói: “Có rất nhiều đặc điểm cụ thể mà nó phù hợp cho một loại cây trồng này chứ không phải cho một loại cây trồng khác. Đây là lý do tại sao chúng tôi phải điều chỉnh việc lắp đặt năng lượng mặt trời cho từng loại mô hình riêng lẻ.”
Nhà phát triển Pháp Sun’R đang làm việc trên 91,2 MW dự án điện nông đã giành được trong hai vòng đấu thầu đặc biệt của Pháp cho các công nghệ năng lượng mặt trời sáng tạo và năm nay đang bắt đầu nghiên cứu và lắp đặt thử nghiệm kết hợp với lê, mơ và đào. Họ đã tìm thấy những kết quả rất khác nhau cho từng loại cây trồng. Các nhà nghiên cứu của công ty vận hành ba đơn vị Nông điện thử nghiệm có diện tích vài trăm mét vuông mỗi đơn vị. Tại các đơn vị này, các cảm biến thu thập dữ liệu chi tiết về tiến trình của cây trồng, theo dõi các thông số như đường kính cành và nhiệt độ lá, so sánh dữ liệu từ các ô có và không có năng lượng mặt trời. Hiện họ đang làm việc để tinh chỉnh cách tiếp cận của mình và tìm hiểu những thông số quan trọng nhất cần theo dõi.
Làm việc tại miền nam nước Pháp, trọng tâm của Sun’R cho đến nay là vào cây nho. Ở đây, họ đã tìm thấy một số lợi thế tiềm năng cho người trồng, sử dụng lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời để kiểm soát một số mức độ đối với lượng ánh sáng chiếu vào cây.
“Đối với cây nho, điều rất quan trọng là phải biết lượng đường, độ cồn và hàm lượng axit. Những yếu tố này sẽ thay đổi chất lượng và hương vị của rượu”. Jean Garcin – một kỹ sư mô hình của Sun’R giải thích. “Chúng tôi đã chỉ ra rằng bóng râm từ các tấm quang điện giúp nâng cao chất lượng của cây nho, đặc biệt là ở các vùng xa hơn về phía nam của Pháp và những nơi khác ở Nam Âu, nơi cây nho thường có nồng độ cồn khá mạnh.”
Trong khi đó, khi thí điểm với táo, Sun’R đã phát hiện ra rằng trong năm có một số thời kỳ mà một số táo bị rụng khỏi cây, nhưng nếu có quá nhiều bóng râm sẽ dẫn đến quá nhiều táo bị rụng và giảm năng suất cây trồng. Và với anh đào, mưa lớn có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho cây trồng, vì vậy cần có các tấm quang điện lớn hơn và độ che phủ dày hơn. Garcin nói: “Có rất nhiều đặc điểm cụ thể mà nó phù hợp cho một loại cây trồng này chứ không phải cho một loại cây trồng khác. Đây là lý do tại sao chúng tôi phải điều chỉnh việc lắp đặt năng lượng mặt trời cho từng loại mô hình riêng lẻ.”
Hướng Đông-Tây là một cách để giảm thiểu vấn đề đổ bóng này và việc sử thiết bị theo dõi hướng nắng và cơ cấu xoay cung cấp thêm khả năng thay đổi góc của các tấm, theo cả yêu cầu dài hạn và ngắn hạn của cây trồng. Sun’R đang phát triển một thuật toán phần mềm, AV Studio, có thể mô phỏng cả sản xuất điện và vi khí hậu bên dưới các tấm pin, đồng thời tương tác với các mô hình phát triển của cây trồng để tính toán góc nghiêng lý tưởng cho cây trồng. Công ty đã phát triển ba chiến lược cơ bản để chỉ đạo bảng điều khiển, có thể áp dụng cho nhu cầu của một loại cây trồng nhất định. Phương pháp thứ nhất, mà nó gọi là “kiểm soát chiến lược”, được đo lường trong một năm và dựa trên các yêu cầu của cây trồng ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của nó. Thứ hai là “kiểm soát chiến thuật”, một kịch bản kéo dài một ngày được dẫn dắt bởi đường đi của mặt trời và dữ liệu dự báo thời tiết. Và cuối cùng, “điều khiển hoạt động” cho phép hệ thống phản ứng với các hiện tượng thời tiết như sương giá hoặc mưa lớn.
Tuổi thọ dự kiến của một hệ thống năng lượng mặt trời cũng có thể đặt ra những thách thức đối với điện nông. Chu kỳ luân canh cây trồng rất quan trọng trong nông nghiệp để duy trì đất khỏe mạnh và các chiến lược cho việc này cũng khác nhau rất nhiều ở các vùng khác nhau. Tuy nhiên, nếu một hệ thống năng lượng mặt trời được thiết kế để tồn tại từ 20 năm trở lên được xây dựng theo yêu cầu của một loại cây trồng cụ thể, thì người nông dân có thể bị hạn chế về những gì họ có thể trồng bên dưới nó. Sun’R’s AV Studio cung cấp một giải pháp cho phép các kỹ sư chỉ cần lập trình lại các trình theo dõi để phù hợp với các yêu cầu khác nhau. Trommsdorff cũng đề cập đến khả năng của các hệ thống năng lượng mặt trời di động, có thể được tháo rời và di chuyển để theo dõi vụ mùa hàng năm, như một giải pháp cũng có thể đơn giản hóa quy trình cấp phép.
Vùng khí hậu
Những lợi ích lớn nhất của Nông điện được tìm thấy ở những vùng khí hậu khô và ấm. Công trình của Sun’R ở miền nam nước Pháp là một điển hình về điều này, Ý và các khu vực khác ở miền nam châu Âu cũng đã chứng kiến những dự án thành công. Nói chung, nhiều nắng hơn có nghĩa là sản lượng điện mặt trời nhiều hơn và nhiều khả năng cây sẽ được hưởng lợi từ bóng râm vào những thời điểm nóng nhất trong ngày. Ở những vùng như vậy, việc lắp đặt thiết bị quang điện cũng có thể giúp ngăn chặn sự bay hơi và giảm yêu cầu về nước.
Nông nghiệp ở các vùng lạnh hơn, ẩm ướt hơn cũng có thể được hưởng lợi từ việc tích hợp với năng lượng mặt trời. Fraunhofer ISE đang thử nghiệm điện năng kết hợp thêm với việc thu hoạch nước mưa và các tấm pin cũng có thể giúp ngăn ngừa sương giá, có khả năng kéo dài mùa trồng trọt ở nhiều vùng. Tuy nhiên, Trommsdorff cảnh báo rằng có hai cơ chế khác nhau khiến băng giá hình thành và cách tiếp cận sai lầm trong việc sử dụng điện mặt trời có thể khiến mọi thứ trở nên tồi tệ hơn. Ông giải thích: “Có hai loại sương giá khác nhau – một loại là do những vùng không khí lạnh gần mặt đất, và một loại là do nhiệt làm hơi nước bay lên khỏi mặt đất. “Trong trường hợp thứ hai, các tấm quang năng sẽ giúp giữ ấm và ngăn ngừa sương giá. Trong trường hợp đầu tiên, chúng có thể làm giảm lưu thông không khí và thực sự gây ra thiệt hại do sương giá nhiều hơn”.
Trong khi một số gigawatt điện nông đã được triển khai trên khắp thế giới, những người làm việc trong lĩnh vực này rất muốn chỉ ra rằng khái niệm này vẫn còn lâu mới phát huy hết tiềm năng của nó. Vẫn còn quá sớm để thu hút đầu tư của các doanh nghiệp tư nhân. Và các chính sách hỗ trợ phát triển, chẳng hạn như Pháp bắt buộc đấu thầu đối với sự sáng tạo trong công nghệ năng lượng mặt trời, là rất cần thiết để tiếp tục phát triển sự hiểu biết của chúng ta về cách nông nghiệp và điện mặt trời ảnh hưởng đến nhau khi chia sẻ cùng một mảnh đất và các công nghệ mới sẽ đi kèm .
Tác giả: MARK HUTCHINS
Nguồn: https://www.pv-magazine.com/
Bài Viết Liên Quan
