वाणिज्यिक हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस के लिए पीवी कोशिकाओं का उपयोग: व्यवहार्यता अध्ययन

जल और भूमि की सीमाओं के कारण हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस की मांग बढ़ रही है। ये स्थान एक बंद वातावरण में फसल उगाने के लिए सौर ऊर्जा का उपयोग करते हैं, लेकिन इसके अलग-अलग पहलू भी हैं। आज चर्चा किए गए अध्ययन में अल्बोरज़ प्रांत में हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस के लिए फोटोवोल्टिक्स के उपयोग के पर्यावरणीय और ऊर्जा पहलुओं पर प्रकाश डाला जाएगा।

ग्रीनहाउस अपनी कार्यक्षमता और विभिन्न वातावरणों के अनुकूल ढलने की क्षमता के कारण विश्व भर में लोकप्रिय हैं। इसलिए, भौगोलिक परिस्थितियों और शुष्क एवं अर्ध-शुष्क जलवायु के कारण ईरान का कृषि क्षेत्र ग्रीनहाउस विकास पर ध्यान केंद्रित कर रहा है।

पानी और उर्वरक के उपयोग के मामले में, हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस पारंपरिक ग्रीनहाउस की तुलना में अधिक कुशल हैं। इसके अलावा, वे अधिक उपज देते हैं, लेकिन उनकी ऊर्जा खपत और लागत अपेक्षाकृत अधिक होती है। यह ठंड के मौसम में खेती की एक बड़ी समस्या है।

हाल के दशकों में, कई ग्रीनहाउस ने प्राकृतिक गैस और तेल जैसे गैर-नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग किया है , जिससे ग्रीनहाउस गैसों के साथ पर्यावरणीय प्रदूषण, ग्लोबल वार्मिंग और जलवायु परिवर्तन हुआ है।

हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस के लिए फोटोवोल्टिक्स का अध्ययन करें

शोधकर्ताओं ने 3000 m2 ग्रीनहाउस से डेटा एकत्र किया। इस ग्रीनहाउस में कुल ऊर्जा इनपुट लगभग 8652.20 GJ ha−1 था, जिसमें प्राकृतिक गैस और बिजली मुख्य स्रोत थे। गणना की गई ऊर्जा उत्पादकता 0.20 kg GJ−1 थी, और ऊर्जा अनुपात 0.03 था।

लाइफ साइकिल असेसमेंट (एलसीए) के परिणामों से पता चलता है कि सबसे अधिक प्रभाव प्राकृतिक गैस का था । सौर सेल ग्रीनहाउस में पर्यावरणीय संकेतकों और ऊर्जा को बढ़ाते हैं। शोध में चर्चा किए गए ग्रीनहाउस के लिए लगभग 120 वर्ग मीटर सौर सेल की आवश्यकता होती है जो छत के केवल 4% हिस्से को कवर करते हैं।

अध्ययन का उद्देश्य हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस के लिए फोटोवोल्टिक्स

यहां चर्चित इस शोध के निम्नलिखित उद्देश्य हैं:

• जांच – खेती की अवधि के दौरान ग्रीनहाउस में स्ट्रॉबेरी उत्पादन के पर्यावरणीय प्रभाव और ऊर्जा उपयोग पैटर्न।
• पी.वी. प्रणाली का अनुकरण – हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस को बिजली की आपूर्ति के लिए पैनलों द्वारा आवश्यक सतह की सटीक मात्रा की गणना करना। यह इसके लिए पैनलों के उपयुक्त ढलान पर भी विचार करता है।
• तुलनात्मक विश्लेषण - सौर प्रणाली के साथ और उसके बिना हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस में पर्यावरणीय भार का विश्लेषण करना।
• पानी उत्पादकता सूची अध्ययन में इसकी भी जांच की गई।
• झुकी हुई सतह पर कुल विकिरणपैनलों की झुकी हुई सतहों पर प्राप्त होने वाले मासिक औसत दैनिक विकिरण की गणना की गई। यह क्षैतिज सतह पर प्राप्त विकिरण पर विचार करके किया गया था।

अध्ययन किये गये क्षेत्र का विवरण

इस शोध के लिए 3000 वर्ग मीटर का व्यावसायिक हाइड्रोपोनिक स्ट्रॉबेरी ग्रीनहाउस अध्ययन स्थल था। यह ईरान के अल्बोरज़ प्रांत में है। वहाँ औसत वार्षिक वर्षा लगभग 2 मिमी होती है और औसत तापमान 252 डिग्री सेल्सियस प्रतिवर्ष दर्ज किया जाता है। इसके अलावा, यह स्थल समुद्र तल से 14.1 मीटर ऊपर स्थित है, जो अध्ययन के लिए ग्रीनहाउस के आंतरिक दृष्टिकोण को दर्शाने में मदद करता है।

ऊर्जा उपयोग मापदंडों पर विचार किया गया

प्रत्यक्ष यात्राओं और उपभोग किए गए इनपुट के माप के माध्यम से, वर्ष 2021-2022 उत्पादन अवधि के लिए डेटा एकत्र करना संभव हो गया। इनपुट ऊर्जा गुणांक का उपयोग करके, कुल ऊर्जा इनपुट की गणना की गई। अध्ययन स्थल से भौतिक इनपुट और उनके ऊर्जा समकक्ष निम्नलिखित हैं।

• मानव श्रमउनकी ऊर्जा इनपुट की गणना उत्पादन अवधि के दौरान उनके कार्य घंटों के आधार पर प्रासंगिक गुणांकों के साथ की गई थी।
• स्थिर उपकरण: उनके ऊर्जा मूल्य की गणना उपकरणों के वजन को ध्यान में रखकर की गई। शोधकर्ताओं ने प्रति किलोग्राम औसत मूल्य और स्थिर उपकरणों के लिए वर्ष (8-10 MJ kg−1 yr−1) का उपयोग किया।
• बिजली और प्राकृतिक गैसचरण मीटर और गैस मीटर ने उत्पादन अवधि के दौरान स्थिर उपकरणों, प्रकाश व्यवस्था और अन्य उद्देश्यों के लिए दोनों स्रोतों की कुल खपत को रिकॉर्ड करने में मदद की। फिर ऊर्जा गुणांक का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने ऊर्जा समतुल्य की गणना की।
• रासायनिक उर्वरक और जैवनाशीरोग नियंत्रण क्षमता के कारण इन पदार्थों की मांग में वृद्धि हुई है। उत्पादन अवधि के दौरान उपयोग किए गए कुल रासायनिक उर्वरकों (प्राथमिक और द्वितीयक पोषक तत्व) और जैवनाशियों (कवकनाशी और कीटनाशक) की ऊर्जा समतुल्यता की गणना की गई।
• नायलॉन: इसका उपयोग ग्रीनहाउस को बाहर से ढकने के लिए किया जाता है और इसका उपयोग अंदर भी किया जाता है। उत्पादन अवधि के लिए दर्ज की गई नायलॉन की मात्रा (वजन) की गणना करने के लिए इसके वजन और उपयोगी जीवन का उपयोग किया गया था। गणना के लिए इस्तेमाल किया गया ऊर्जा गुणांक 60 MJ kg-1 था।
• उत्पादन: यह उत्पादित स्ट्रॉबेरी की मात्रा थी जिसका वजन ऊर्जा गुणांक के साथ माना जाता था। इससे आउटपुट ऊर्जा की मात्रा की गणना करने में मदद मिली।
• जल उत्पादकता सूचकांक: 5 किलोग्राम हाइड्रोपोनिक स्ट्रॉबेरी उत्पादन के लिए प्रति घन मीटर उपयोग किए जाने वाले पानी की मात्रा।

मुख्य बिंदु: इराक में हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस में ऊर्जा उपयोग पैटर्न

• मानव श्रम: 19,200 घंटे हेक्टेयर−1
• प्राकृतिक गैस: 119,693 m3 हेक्टेयर−1
• नाइट्रोजन उर्वरक: 423 किग्रा प्रति हेक्टेयर−1
• कुल आवश्यक ऊर्जा (ग्रीनहाउस के अंदर विभिन्न प्रक्रियाओं के लिए): 8652 GJ ha−1 (संपूर्ण उत्पादन अवधि के लिए)
• औसत स्ट्रॉबेरी उपज: 120 टन प्रति हेक्टेयर−1
• कुल उत्पादन ऊर्जा: 228 गीगा जूल प्रति हेक्टेयर−1
• कुल खपत हुई बिजली: 159,300 मेगा जूल (44,250 किलोवाट घंटा)
• इनपुट ऊर्जा खपत (प्राकृतिक गैस): 5925 GJ ha−1 (कुल इनपुट ऊर्जा का 68%).
• बिजली: पैनलों द्वारा उत्पन्न प्रत्येक 10 इकाइयों के लिए 1 इकाई ऊर्जा की आवश्यकता होती है, 1 एमजे (पीवी) = 0.1 एमजे

नई परिस्थितियों में ऊर्जा सूचकांक (स्ट्रॉबेरी उत्पादन) नीचे दी गई तालिका के अंतिम कॉलम में दिखाए गए हैं। यह स्पष्ट है कि पीवी ग्रीनहाउस में सभी ऊर्जा सूचकांकों में सुधार करता है। नई स्थिति में ऊर्जा अनुपात 0.033 था जो सौर पैनलों के उपयोग से बढ़ता है।

ऊर्जा सूचकांक	इकाइयों	सौर प्रणाली के बिना	सौर मंडल के साथ
ER	-	0.026	0.033
NE	जीजे हा-1	-8424.2	-6717.6
EP	किलोग्राम जीजे-1	13.87	17.28
WP	किलो एम-3	5.13	5.13

ग्रीनहाउस में गैर-नवीकरणीय ऊर्जा के उपयोग के कारण

ईरान में ईंधन की कीमतें कम हैं, जिसके कारण विभिन्न उद्योगों में उनका अकुशल उपयोग होता है। यह प्राकृतिक गैस की उच्च खपत का मुख्य कारण है। जांचे गए ग्रीनहाउस में हीटिंग सिस्टम कम दक्षता वाले हैं। यह एक बुद्धिमान हीटिंग सिस्टम पर आधारित नहीं है और इस प्रकार बड़ी मात्रा में गैस बर्बाद होती है। आम तौर पर, ग्रीनहाउस हीटिंग में भारी ऊर्जा खपत होती है।

प्रस्तावित समाधान

• प्राकृतिक गैस की खपत कम करने के लिएउच्च दक्षता वाली हीटिंग प्रणालियों का उपयोग किया जाना चाहिए। वे प्रदूषण भी कम करेंगी।
• ऊर्जा खपत कम करने के लिएथर्मल स्क्रीन का उपयोग करने की सलाह दी जाती है। इन स्क्रीन का उपयोग करने से ग्रीनहाउस के अंदर पौधों के आस-पास की जगह कम हो जाएगी। इस प्रकार, रात में कम जगह को गर्म करने की आवश्यकता होगी। यह ईंधन के उपयोग को भी अनुकूलित करता है।
• गर्मी के नुकसान को रोकने और इन्सुलेशन में सुधार करने के लिएग्रीनहाउस की दीवारों और छतों के निर्माण में कम ऊष्मा स्थानांतरण वाली सामग्रियों का उपयोग किया जाना चाहिए।
• आवश्यक तापन प्रदान करने के लिए: सौर तापीय संग्राहकों को उनकी कम लागत वाली तकनीक के कारण अनुशंसित किया जाता है। इसके अलावा, ग्राउंड एयर कलेक्टर ग्रीनहाउस को गर्म करने का सबसे अच्छा और सबसे किफ़ायती तरीका है।
• गर्मी संग्रहित करने के लिएचरण परिवर्तन सामग्री के साथ रात के लिए गर्मी को संग्रहीत करना आसान है।

अध्ययन से पता चलता है कि जल नियंत्रण और ग्रीनहाउस गैसों में परिवर्तन का एक स्वच्छ मार्ग है

ग्रीनहाउस की छत पर सौर मंडल का अनुकरण

जैसा कि पहले बताया गया है, स्ट्रॉबेरी उत्पादन में इस्तेमाल होने वाली कुल बिजली को अक्षय संसाधनों से बदलना संभव है। बिजली की खपत (44,250 kWh) के मूल्य के अनुसार, आवश्यक पैनल सतह क्षेत्र की गणना की जा सकती है। यह ऊपर बताए गए समीकरणों के साथ क्षैतिज सतह पर बाह्य विकिरण (Ho) और कुल विकिरण (H) का उपयोग करके किया जाता है।

परिणाम:

• औसत दैनिक कुल विकिरण (क्षैतिज सतह): 10.9 MJ m−2
• जून में देखा गया विकिरण (H): लगभग 29 MJ m−2 (उच्चतम)
• दिसंबर में देखा गया विकिरण (H): लगभग 9 MJ m−2 (सबसे कम)
• वार्षिक औसत स्पष्टता सूचकांक: 63%
• सौर विकिरण की कमी: 27%

ढलान की आवश्यकता

अंतिम कॉलम अध्ययन किए गए ग्रीनहाउस में स्थापित सौर सेल के प्रति वर्ग मीटर पर आपतित मासिक औसत विकिरण को दर्शाता है। यह ग्रीनहाउस दक्षिण की ओर 35°48ˊ के ढलान पर स्थित था। इसके अनुसार, पैनल की सतह के प्रति वर्ग मीटर पर प्रति वर्ष 7736 मेगा जूल सौर ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है। इस ढलान के साथ, प्राप्त सौर विकिरण में 12% की वृद्धि की संभावना है।

विद्युत उत्पादन

अध्ययन के अनुसार, वार्षिक बिजली की खपत 159,300 मेगावाट जूल है । इतनी बिजली पैदा करने के लिए लगभग 120 वर्ग मीटर पैनल सतह की आवश्यकता होती है, जो छत के 4% हिस्से के बराबर है। यह ग्रीनहाउस के अंदर प्रकाश और ताप व्यवस्था को प्रभावित किए बिना है।

यदि आप सोलर पैनल लगाने की योजना बना रहे हैं, तो पता करें कि बादल वाले दिन 100 वाट के सोलर पैनल का आउटपुट कितना होगा ।

विभिन्न पिछले अध्ययन

शोधकर्ताओं ने पी.वी. सेल से सुसज्जित ग्रीनहाउस के ऊर्जा प्रदर्शन की जांच करने के लिए विभिन्न तरीकों और तरीकों को आजमाया है। उनके निष्कर्ष नीचे साझा किए गए हैं:

अध्ययन #1

जापान में शोधकर्ताओं ने सौर पैनलों की छाया का वेल्श प्याज की वृद्धि पर पड़ने वाले प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने दो प्रकार के सौर पैनल व्यवस्थाओं का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि चेकर बोर्ड शैली में व्यवस्थित पैनल व्यवस्था का फसल की वृद्धि पर कोई खास प्रभाव नहीं पड़ा। वहीं, सीधी रेखा वाली व्यवस्था का सकारात्मक प्रभाव पड़ा और इसने नवीकरणीय संसाधनों के माध्यम से ग्रीनहाउस की बिजली आवश्यकताओं को पूरा किया।

अध्ययन #2

यहां शोधकर्ताओं ने सौर पैनलों से सुसज्जित ग्रीनहाउस में फसल उत्पादन पर पड़ने वाले प्रभाव का अध्ययन करने का प्रयास किया । परिणाम सकारात्मक रहे, जिससे पता चला कि सौर पैनल न केवल आवश्यक मात्रा में बिजली की आपूर्ति करते हैं बल्कि फसलों के लिए सिंचाई की आवश्यकता को भी कम करते हैं।

अध्ययन #3

इस शोध में छत पर लगे पैनलों की पादप वृद्धि और ऊर्जा उत्पादन क्षमता का अध्ययन किया गया । दो प्रकार के इंस्टॉलेशन मोड का अध्ययन किया गया: स्थिर इंस्टॉलेशन और सूर्य-अनुसरण मोड। परिणामों से पता चला कि सूर्य-अनुसरण मोड ने स्थिर मोड की तुलना में अधिक बिजली उत्पन्न की। इस प्रकार, यह ग्रीनहाउस को पर्याप्त मात्रा में ऊर्जा प्रदान कर सकता है।

एनएमबीयू के शोधकर्ताओं का कहना है कि हाल ही में यह पता चला है कि नए बैक्टीरिया कृषि से निकलने वाली ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम कर सकते हैं।

अध्ययन #4

कनाडा के एक अन्य अध्ययन में ग्रीनहाउस की छतों पर लगाए गए अर्ध-पारदर्शी सौर पैनलों के प्रभाव का अध्ययन किया गया। परिणामों से पता चला कि सौर पैनलों के कारण ग्रीनहाउस के भीतर छाया तो हुई, लेकिन साथ ही उन्होंने प्रकाश व्यवस्था के लिए ग्रीनहाउस को आवश्यक बिजली का 43.7% हिस्सा भी प्रदान किया।

अध्ययन #5

एक शोध में, शोधकर्ताओं ने ग्रीनहाउस को गर्म करने के लिए फेज चेंज मटेरियल (पीसीएम) वाले सोलर एयर कलेक्टरों का उपयोग किया । उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि ग्रीनहाउस का आंतरिक तापमान, विशेष रूप से रात के समय, अधिक बना रहा। यह एक पारंपरिक सौर ताप प्रणाली से कहीं बेहतर था।

अध्ययन #6

ईरान के शिराज शहर में सौर पैनलों से सुसज्जित एक ग्रीनहाउस की ऊष्मीय-पर्यावरणीय स्थितियों का अध्ययन किया गया। लगभग 14 विभिन्न प्रकार के पैनल विन्यासों की जाँच की गई। निष्कर्ष यह निकला कि ग्रीनहाउस की रोशनी पर कोई खास असर नहीं पड़ा, यहाँ तक कि जब छत का 19.2% हिस्सा पैनलों से ढका हुआ था। वास्तव में, इससे प्राकृतिक गैस की खपत और कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में काफी कमी आई।

इसलिए, सौर प्रौद्योगिकियों का अध्ययन करने वाले विभिन्न शोधों ने एक पहलू पर ध्यान केंद्रित किया, कि वे कैसे काम करते हैं और ग्रीनहाउस पर उनका क्या प्रभाव पड़ता है। ज़्यादातर, इन अध्ययनों में इन प्रौद्योगिकियों के पर्यावरणीय प्रभावों पर ज़्यादा ध्यान नहीं दिया गया।

सौर पैनलों को पक्षियों से सुरक्षित रखने के ये 5 आसान तरीके आपके जीवन को आसान बना देंगे।

निष्कर्ष

इस शोध कार्य का उद्देश्य अध्ययन किए गए स्थल के पर्यावरण विश्लेषण के साथ-साथ ऊर्जा खपत पैटर्न का मूल्यांकन करना था। अल्बोरज़ प्रांत में हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस ने गैर-नवीकरणीय संसाधनों के बजाय बिजली पैदा करने के लिए पीवी कोशिकाओं का उपयोग करने की व्यवहार्यता दिखाई। इसलिए, वर्तमान अध्ययन से प्राप्त परिणामों के अनुसार, शोधकर्ताओं ने निम्नलिखित निष्कर्ष निकाले हैं।

अधिकांश इनपुट ऊर्जा प्राकृतिक गैस और बिजली से प्राप्त हुई।

• ऊर्जा सूचकांक दर्शाते हैं कि हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस में स्ट्रॉबेरी उत्पादन ऊर्जा गहन है।
• एलसीए के नतीजे बताते हैं कि पारिस्थितिकी तंत्र और मानव स्वास्थ्य को नुकसान स्थिर उपकरणों और बिजली के कारण होता है। इसके अलावा, संसाधन क्षति श्रेणी में प्राकृतिक गैस का सबसे बड़ा योगदान है।
• ग्रीनहाउस में सौर ऊर्जा के उपयोग की व्यवहार्यता के परिणामों से पता चला है कि लगभग 120 m2s सौर सेल आवश्यक मात्रा में बिजली की आपूर्ति कर सकते हैं। साथ ही, उन्हें छत पर स्थापित करने से ग्रीनहाउस के अंदर रोशनी में कोई बाधा नहीं आएगी।
• ग्रीनहाउस में पी.वी. प्रणालियों के उपयोग से ऊर्जा की खपत और प्रतिकूल पर्यावरणीय प्रभावों को पूरी तरह से कम किया जा सकता है।

इसलिए, पी.वी. प्रौद्योगिकियों और ऊर्जा अनुकूलन तकनीकों के साथ, हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस अधिक ऊर्जा कुशल बन सकते हैं। इस प्रकार, हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस के लिए फोटोवोल्टिक्स की प्रभावशीलता को प्रदर्शित करने के लिए यह शोध प्रभावशाली लगता है।

स्रोत : वाणिज्यिक हाइड्रोपोनिक ग्रीनहाउस के लिए फोटोवोल्टिक कोशिकाओं का उपयोग