Le limitazioni di acqua e terra stanno portando a una domanda crescente di serre idroponiche. Questi luoghi utilizzano l'energia solare per sviluppare colture in un ambiente chiuso, ma ci sono anche diversi aspetti. Lo studio discusso oggi metterà in evidenza gli aspetti ambientali ed energetici dell'uso del fotovoltaico per le serre idroponiche nella provincia di Alborz.
Le serre sono diffuse in tutto il mondo grazie alle loro prestazioni e alla capacità di adattarsi a diversi ambienti. Pertanto, a causa delle condizioni geografiche e del clima arido e semi-arido, il settore agricolo in Iran si sta concentrando sullo sviluppo delle serre.
In termini di utilizzo di acqua e fertilizzanti, le serre idroponiche sono più efficienti di quelle tradizionali. Inoltre, producono rese maggiori, ma hanno un consumo energetico e costi relativamente più elevati. Ciò pone un problema di coltivazione importante durante le stagioni fredde.
Negli ultimi decenni, diverse serre hanno utilizzato fonti di energia non rinnovabili come gas naturale e petrolio, causando inquinamento ambientale con emissioni di gas serra, riscaldamento globale e cambiamenti climatici.
Studia il fotovoltaico per le serre idroponiche
I ricercatori hanno raccolto dati da una serra di 3000 m2. L'apporto energetico totale in questa serra era di circa 8652.20 GJ ha−1, con gas naturale ed elettricità come fonti principali. La produttività energetica calcolata era di 0.20 kg GJ−1 e il rapporto energetico era di 0.03.
I risultati della Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) mostrano che l' impatto maggiore è stato causato dal gas naturale . Le celle solari migliorano gli indicatori ambientali e l'energia nella serra. Per la serra oggetto della ricerca, sono necessari circa 120 m2 di celle solari che coprono solo il 4% del tetto.
Obiettivi dello studio Fotovoltaico per serre idroponiche
La ricerca qui discussa ha i seguenti obiettivi:
- indagare – Effetti ambientali e modelli di consumo energetico della produzione di fragole in serra durante il periodo di coltivazione.
- Simulazione di un impianto fotovoltaico – Per calcolare la quantità precisa di superficie richiesta dai pannelli per fornire elettricità alla serra idroponica. Considera anche la pendenza appropriata dei pannelli per la stessa.
- Analisi comparativa – Analizzare i carichi ambientali in una serra idroponica con e senza impianto solare.
- L'acqua della produttività Indice è stato anche indagato nello studio.
- Radiazione totale su superficie inclinata: È stata calcolata la radiazione media giornaliera mensile ricevuta sulle superfici inclinate dei pannelli. È stato fatto considerando la radiazione ricevuta su una superficie orizzontale.
Dettagli della regione studiata
Una serra commerciale idroponica per fragole di 3000 m2 è stata il sito di studio per questa ricerca. Si trova nella provincia di Alborz in Iran. Lì la piovosità media annua è di circa 252 mm e la temperatura media registrata è di 14.1 °C, annui. Inoltre, questo sito si trova a 1300 m sopra il livello del mare, il che aiuta a descrivere le prospettive interne della serra per lo studio.
Parametri di utilizzo dell'energia considerati
Attraverso visite dirette e misurazioni degli input consumati, è stato possibile raccogliere dati per il periodo di produzione dell'anno 2021-2022. Utilizzando i coefficienti di energia in ingresso, sono stati calcolati gli input energetici totali. Di seguito sono riportati gli input fisici e i loro equivalenti energetici dal sito di studio.
- Lavoro umano: Il loro apporto energetico è stato calcolato in base alle ore di lavoro durante il periodo di produzione insieme ai coefficienti rilevanti.
- Attrezzatura fissa: Il loro valore energetico è stato calcolato considerando il peso dell'attrezzatura. I ricercatori hanno utilizzato il valore medio per chilogrammo e l'anno per le attrezzature fisse (8–10 MJ kg−1 yr−1).
- Elettricità e Gas Naturale: Il misuratore di fase e il misuratore del gas hanno aiutato a registrare il consumo totale di entrambe le fonti per apparecchiature fisse, illuminazione e altri scopi durante il periodo di produzione. Quindi, utilizzando coefficienti energetici, i ricercatori hanno calcolato l'equivalente energetico.
- Fertilizzanti chimici e biocidi: Grazie al loro potere di controllo delle malattie, la domanda di questi materiali è aumentata. Sono stati calcolati i fertilizzanti chimici totali (nutrienti primari e secondari) e i biocidi (fungicidi e insetticidi) utilizzati durante il periodo di produzione con il loro equivalente energetico.
- Nylon: Viene utilizzato per coprire la serra dall'esterno e anche all'interno. Il suo peso e la sua vita utile sono stati utilizzati per calcolare la quantità di nylon registrata (peso) per il periodo di produzione. 60 MJ kg-1 è stato il coefficiente energetico utilizzato per il calcolo.
- Uscita: Era la quantità di fragole prodotte il cui peso veniva considerato insieme al coefficiente energetico. Ciò aiutava a calcolare la quantità di energia in uscita.
- Indice di produttività idrica: Quantità di acqua utilizzata per metro cubo per produrre 5 kg di fragole idroponiche.
In evidenza: Modello di utilizzo dell'energia nelle serre idroponiche in Iraq
- Lavoro umano: 19,200 ore ha−1
- Gas Naturale: 119,693 m3 ha−1
- Fertilizzanti azotati: 423 kg ha−1
- Energia totale richiesta (per diversi processi all'interno della serra): 8652 GJ ha−1 (per l'intero periodo di produzione)
- Resa media delle fragole: 120 tonnellate ha−1
- Energia totale in uscita: 228 GJ ha−1
- Totale elettricità consumata: 159,300 MJ (44,250 kWh)
- Consumo energetico in ingresso (Gas naturale): 5925 GJ ha−1 (68% dell'energia totale immessa).
- Impianti elettrici: Ogni 10 unità generate dai pannelli richiedono 1 unità di energia, 1 MJ (FV) = 0.1 MJ
Gli indici energetici (produzione di fragole) in nuove condizioni sono mostrati nell'ultima colonna della tabella sottostante. È evidente che il fotovoltaico migliora tutti gli indici energetici nella serra. Il rapporto energetico nella nuova situazione era 0.033, che aumenta con l'uso di pannelli solari.
| Indici energetici | Unità | Senza sistema solare | Con il sistema solare |
| ER | - | 0.026 | 0.033 |
| NE | GJ ha-1 | -8424.2 | -6717.6 |
| EP | kgGJ-1 | 13.87 | 17.28 |
| WP | kgm-3 | 5.13 | 5.13 |
Cause dell'utilizzo di energia non rinnovabile nelle serre
In Iran, i prezzi del carburante sono bassi, il che ne determina un uso inefficiente in diverse industrie. Questa è la causa principale dell'elevato consumo di gas naturale. I sistemi di riscaldamento nella serra esaminata sono di bassa efficienza. Non si basano su un sistema di riscaldamento intelligente e quindi sprecano grandi quantità di gas. In genere, il riscaldamento della serra rappresenta un enorme consumo di energia.
Soluzioni proposte
- Per ridurre il consumo di gas naturale: Si dovrebbero usare sistemi di riscaldamento ad alta efficienza. Produrranno anche meno inquinamento.
- Per ridurre il consumo energetico: Si consiglia di utilizzare uno schermo termico. Utilizzando questi schermi, lo spazio attorno alle piante all'interno della serra sarà ridotto. Quindi, di notte sarà necessario riscaldare meno spazio. Inoltre, si ottimizza l'uso del carburante.
- Per prevenire la perdita di calore e migliorare l'isolamento: Per la costruzione delle pareti e dei tetti delle serre si dovrebbero utilizzare materiali con bassa trasmissione del calore.
- Per fornire il riscaldamento necessario: I collettori solari termici sono consigliati per la loro tecnologia a basso costo. Inoltre, un collettore geotermico è il modo migliore e più conveniente per riscaldare la serra.
- Per immagazzinare calore:Con i materiali a cambiamento di fase è facile immagazzinare calore per la notte.
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Simulazione del sistema solare sul tetto della serra
Come accennato in precedenza, è possibile sostituire l'elettricità totale utilizzata nella produzione di fragole con risorse rinnovabili. In base al valore del consumo di elettricità (44,250 kWh), è possibile calcolare la superficie del pannello necessaria. Ciò avviene utilizzando la radiazione extraterrestre (Ho) e la radiazione totale (H) su una superficie orizzontale, insieme alle equazioni menzionate.
I risultati:
- Radiazione totale media giornaliera (superficie orizzontale): 10.9 MJ m−2
- Radiazione (H) osservata a giugno: circa 29 MJ m−2 (il più alto)
- Radiazione (H) osservata a dicembre: circa 9 MJ m−2 (il più basso)
- Indice di limpidezza media annua: 63%
- Diminuzione della radiazione solare: 27%
Pendenza necessaria
L'ultima colonna mostra la radiazione media mensile incidente per m2 della cella solare installata nella serra studiata. L'esposizione era a 35°48ˊ verso sud. In base a ciò, è possibile ricevere annualmente 7736 MJ di energia solare per metro quadrato di superficie del pannello. Con questa inclinazione, vi è la possibilità di aumentare la radiazione solare ricevuta del 12%.
Generazione di elettricità
Come riportato nello studio, il consumo annuo di elettricità è di 159,300 MJ . Per produrre questa quantità, sono necessari circa 120 m2 di superficie di pannelli, pari al 4% della superficie del tetto. Questo senza compromettere l'illuminazione e il riscaldamento all'interno della serra.
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Vari studi precedenti
I ricercatori hanno provato diversi metodi e modi per indagare le prestazioni energetiche delle serre dotate di celle fotovoltaiche. Le loro conclusioni sono condivise di seguito:
Studio n. 1
In Giappone, i ricercatori hanno osservato come l'ombreggiamento causato dai pannelli fotovoltaici influisca sulla crescita delle cipolle gallesi. Sono state testate due tipologie di disposizione dei pannelli solari. Hanno scoperto che la disposizione a scacchiera non ha avuto un impatto significativo sulla crescita delle colture, mentre la disposizione in linea retta ha avuto un impatto positivo e ha soddisfatto il fabbisogno energetico della serra grazie a fonti rinnovabili.
Studio n. 2
In questo studio, i ricercatori hanno cercato di valutare l'impatto dei pannelli solari integrati nelle serre sulla produzione agricola. I risultati sono stati positivi, dimostrando che i pannelli fotovoltaici non solo forniscono la quantità di elettricità necessaria, ma riducono anche il fabbisogno idrico per l'irrigazione delle colture.
Studio n. 3
Questa ricerca si è concentrata sulla crescita delle piante e sull'efficienza di produzione energetica dei pannelli solari installati sui tetti. Sono state studiate due modalità di installazione: fissa e con inseguimento solare. I risultati hanno mostrato che la modalità con inseguimento solare genera più elettricità rispetto alla modalità fissa. Pertanto, può fornire una buona quantità di energia alla serra.
Recentemente è stato scoperto che nuovi batteri potrebbero ridurre le emissioni di gas serra in agricoltura, affermano i ricercatori della NMBU.
Studio n. 4
Un altro studio condotto in Canada ha analizzato l'effetto dei pannelli fotovoltaici semitrasparenti installati sui tetti delle serre. I risultati hanno mostrato che i pannelli solari causavano ombreggiamento interno, ma fornivano anche il 43.7% dell'energia elettrica necessaria alla serra per l'illuminazione.
Studio n. 5
In una ricerca, i ricercatori hanno utilizzato collettori solari ad aria con materiale a cambiamento di fase (PCM) per riscaldare la serra. Hanno concluso che la temperatura interna delle serre rimaneva più elevata, soprattutto durante la notte, rispetto a un sistema di riscaldamento solare convenzionale.
Studio n. 6
A Shiraz, in Iran, sono state studiate le condizioni termo-ambientali di una serra dotata di pannelli solari. Sono state esaminate circa 14 diverse configurazioni di pannelli. Si è concluso che non vi è stato alcun effetto significativo sull'illuminazione della serra anche quando il 19.2% del tetto era coperto da pannelli. Anzi, si è registrata una notevole riduzione del consumo di gas naturale e delle emissioni di CO2.
Quindi, vari pezzi di ricerca che studiano le tecnologie solari si sono concentrati su un aspetto, come funzionano e il loro impatto sulle serre. Per lo più, gli impatti ambientali di queste tecnologie non sono stati presi in grande considerazione in questi studi.
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Conclusione
L'obiettivo di questo lavoro di ricerca era valutare il modello di consumo energetico insieme a un'analisi ambientale del sito studiato. La serra idroponica nella provincia di Alborz ha mostrato la fattibilità dell'utilizzo di celle fotovoltaiche per generare elettricità, al posto di risorse non rinnovabili. Quindi, in base ai risultati derivati dall'attuale studio, i ricercatori hanno tratto le seguenti conclusioni.
La maggior parte dell'energia immessa proveniva da gas naturale ed elettricità.
- Gli indici energetici mostrano che la produzione di fragole in serra idroponica richiede molta energia.
- I risultati dell'LCA mostrano che i danni all'ecosistema e alla salute umana sono dovuti alle apparecchiature fisse e all'elettricità. Inoltre, il gas naturale è il principale fattore che contribuisce alla categoria dei danni alle risorse.
- I risultati di fattibilità dell'uso dell'energia solare nella serra hanno mostrato che circa 120 m2 di celle solari possono fornire la quantità di elettricità richiesta. Inoltre, installandole sul tetto non ostacolerà l'illuminazione all'interno della serra.
- Grazie agli impianti fotovoltaici nelle serre, è possibile ridurre notevolmente il consumo energetico e gli effetti negativi sull'ambiente.
Quindi, con le tecnologie fotovoltaiche e le tecniche di ottimizzazione energetica, le serre idroponiche possono diventare più efficienti dal punto di vista energetico. Quindi, questa ricerca per dimostrare l'efficacia del fotovoltaico per le serre idroponiche sembra avere un impatto.
Fonte : Utilizzo di celle fotovoltaiche per una serra idroponica commerciale
