水と土地の制限により、水耕栽培温室の需要が高まっています。これらの場所では、閉鎖された環境で作物を育てるために太陽光発電が使用されていますが、これにはさまざまな側面もあります。今日議論される調査では、アルボルズ州の水耕栽培温室で太陽光発電を使用することの環境的およびエネルギー的側面に焦点を当てます。
温室は、その優れた性能と多様な環境への適応性から、世界中で人気を集めている。そのため、イランの農業部門は、地理的条件や乾燥・半乾燥気候といった特性から、温室開発に注力している。
水と肥料の使用という点では、水耕栽培温室は従来のものよりも効率的です。また、収穫量も高くなりますが、エネルギー消費量とコストが比較的高くなります。これは、寒い季節の栽培に大きな問題を引き起こします。
近年の数十年間、多くの温室では天然ガスや石油といった再生不可能なエネルギー源が使用されており、温室効果ガスによる環境汚染、地球温暖化、気候変動を引き起こしている。
水耕栽培温室用太陽光発電の研究
研究者らは3000平方メートルの温室からデータを収集した。この温室の総エネルギー投入量は約2 GJ ha−8652.20で、天然ガスと電気が主なエネルギー源であった。計算されたエネルギー生産性は1 kg GJ−0.20、エネルギー比は1であった。
ライフサイクルアセスメント（LCA）の結果によると、最も大きな影響を与えたのは天然ガスでした。太陽電池は、温室内の環境指標とエネルギー効率を向上させます。本研究で取り上げた温室では、屋根面積のわずか4%を占める約120平方メートルの太陽電池が必要となります。
研究の目的 水耕栽培温室用太陽光発電
ここで議論されている研究の目的は次のとおりです。
- 調査 – 栽培期間中の温室でのイチゴ生産による環境影響とエネルギー使用パターン。
- 太陽光発電システムのシミュレーション – 水耕栽培温室に電力を供給するためにパネルに必要な正確な面積を計算します。また、パネルの適切な傾斜も考慮します。
- 比較解析 – 太陽光発電システムの有無にかかわらず、水耕栽培温室における環境負荷を分析します。
- 水 生産性 目次 もこの研究で調査されました。
- 傾斜面上の全放射: パネルの傾斜面で受ける日射量の月平均を計算しました。水平面で受ける日射量を考慮して計算しました。
調査地域の詳細
この研究の調査地は、3000 m2 の商業用水耕イチゴ温室でした。この温室はイランのアルボルズ州にあります。この温室の年間平均降水量は約 252 mm で、年間平均気温は 14.1° C です。さらに、この場所は海抜 1300 m に位置しているため、研究のために温室の内部を描写するのに役立っています。
考慮されるエネルギー使用パラメータ
直接訪問して消費された入力を測定することで、2021～2022年の生産期間のデータ収集が可能になりました。入力エネルギー係数を使用して、総エネルギー入力を計算しました。以下は、調査サイトからの物理的入力とそのエネルギー相当量です。
- 人間の労働: エネルギー入力は、生産期間中の労働時間と関連する係数によって計算されました。
- 固定機器: エネルギー値は機器の重量を考慮して計算されました。研究者らは、固定機器については8キログラムあたりおよび10年あたりの平均値（1～1 MJ kg−XNUMX yr−XNUMX）を使用しました。
- 電気と天然ガス: 位相計とガス計は、生産期間中の固定設備、照明、その他の目的の両方のエネルギー源の総消費量を記録するのに役立ちました。その後、研究者はエネルギー係数を使用してエネルギー当量を計算しました。
- 化学肥料と殺生物剤: 病害抑制力があるため、これらの資材の需要が増加しています。生産期間中に使用された化学肥料（一次栄養素と二次栄養素）と殺生物剤（殺菌剤と殺虫剤）の総量とそのエネルギー換算値が計算されました。
- ナイロン: 温室の外側を覆うだけでなく、内部でも使用されます。重量と耐用年数を使用して、生産期間中に記録されたナイロンの量（重量）を計算しました。計算に使用されたエネルギー係数は 60 MJ kg-1 でした。
- 出力: エネルギー係数とともに考慮されたのは、生産されたイチゴの重量でした。これは、出力エネルギー量の計算に役立ちました。
- 水生産性指数: 水耕栽培イチゴ 5 kg を生産するのに XNUMX 立方メートルあたりに使用される水の量。
ハイライト：イラクの水耕栽培温室におけるエネルギー使用パターン
- 人間の労働: 19,200時間/ha
- 天然ガス: 119,693 m3 ha−1
- 窒素肥料: 423 kg ha−1
- 必要な総エネルギー （温室内のさまざまなプロセスについて）：8652 GJ ha−1（生産期間全体）
- イチゴの平均収穫量: 120トン/ha
- 総出力エネルギー: 228 GJ ha−1
- 総消費電力: 159,300MJ（44,250kWh）
- 投入エネルギー消費量 （天然ガス）：5925 GJ ha−1（総入力エネルギーの68％）。
- 電気: パネルで発電される10ユニットごとに1ユニットのエネルギーが必要となり、1MJ (PV) = 0.1MJとなります。
新しい条件下でのエネルギー指標 (イチゴ生産) は、以下の表の最後の列に示されています。PV によって温室内のすべてのエネルギー指標が改善されていることは明らかです。新しい状況でのエネルギー比率は 0.033 で、ソーラー パネルの使用によって増加します。
| エネルギー指数 | 我が軍の部隊数 | 太陽系なし | 太陽系とともに |
| ER | – | 0.026 | 0.033 |
| NE | GJは-1 | -8424.2 | -6717.6 |
| EP | kg ギガジュール-1 | 13.87 | 17.28 |
| WP | キログラム-3 | 5.13 | 5.13 |
温室で再生不可能なエネルギーを使用する理由
イランでは燃料価格が低いため、さまざまな産業で燃料が効率的に使用されていません。これが天然ガスの消費量が多い主な原因です。調査対象の温室の暖房システムは効率が低く、インテリジェントな暖房システムに基づいていないため、大量のガスが無駄になっています。一般的に、温室の暖房は膨大なエネルギー消費量を占めています。
提案されたソリューション
- 天然ガス消費量を削減するため高効率の暖房システムを使用すべきです。これにより汚染も少なくなります。
- エネルギー消費量を削減するには: 断熱スクリーンの使用をお勧めします。このスクリーンを使用すると、温室内の植物の周囲のスペースが削減されます。そのため、夜間に加熱する必要があるスペースが少なくなります。また、燃料の使用も最適化されます。
- 熱損失を防ぎ断熱性を高める温室の壁や屋根を建設する際には、熱伝導率の低い材料を使用する必要があります。
- 必要な暖房を提供する: 太陽熱集熱器は低コストの技術であるため推奨されます。また、地中空気集熱器は温室を暖める最良かつ最も費用対効果の高い方法です。
- 熱を蓄える: 相変化材料を使用すると、夜間に熱を蓄えることが容易になります。
研究は、水を制御し温室効果ガスを変換するためのよりクリーンな方法を示唆している
温室の屋根での太陽系のシミュレーション
前述のように、イチゴの生産に使用される全電力を再生可能資源で置き換えることが可能です。電力消費量（44,250 kWh）に応じて、必要なパネル表面積を計算できます。これは、前述の式とともに、地球外放射線（Ho）と水平面上の全放射線（H）を使用して行われます。
結果：
- 平均日総放射線量 （水平面）：10.9 MJ m−2
- 6月に観測された放射線（H）: 約29 MJ m−2（最高）
- 12月に観測された放射線（H）: 約9 MJ m−2（最低）
- 年間平均透明度指数：63％
- 太陽放射の減少：27％
必要な傾斜
最後の列は、調査対象の温室に設置された太陽電池の1平方メートルあたりの月平均日射量を示しています。太陽電池は南向きに35°48ˊの傾斜で設置されていました。これによると、パネル表面1平方メートルあたり年間7736 MJの太陽エネルギーを受け取ることができます。この傾斜により、受け取る日射量を12%増加させる可能性があります。
発電
研究によると、年間電力消費量は159,300 MJである。この量を発電するには、約120平方メートルのパネル面積が必要であり、これは屋根面積の4%に相当する。しかも、これは温室内の照明や暖房に支障をきたすことなく実現できる量である。
太陽光パネルの設置を計画している場合は、曇りの日の100ワット太陽光パネルの出力を調べてください。
さまざまな過去の研究
研究者たちは、PV セルを備えた温室のエネルギー性能を調査するためにさまざまな方法を試しました。その結論は以下の通りです。
研究#1
日本では、太陽光発電パネルによる日陰がネギの生育にどのような影響を与えるかを研究者たちが観察した。2種類の太陽光パネル配置を試験した結果、市松模様の配置では作物の生育に大きな影響は見られなかった。一方、直線状の配置では生育に良い影響があり、再生可能エネルギーによって温室の電力需要を満たすことができた。
研究#2
本研究では、太陽光発電パネルを組み込んだ温室が作物生産に及ぼす影響を明らかにしようと試みた。その結果は良好で、太陽光発電パネルは必要な電力を供給するだけでなく、作物の灌漑に必要な水量も削減できることが示された。
研究#3
本研究は、屋上パネルの植物成長とエネルギー生産効率に焦点を当てた。設置方式は固定式と太陽追尾式の2種類を調査した。その結果、太陽追尾式の方が固定式よりも多くの電力を発電することが分かった。したがって、太陽追尾式は温室に十分なエネルギーを供給できると考えられる。
最近、新たな細菌が農業由来の温室効果ガス排出量を削減できることが発見されたと、NMBUの研究者らは述べている。
研究#4
カナダで行われた別の研究では、温室の屋根に設置された半透明の太陽光発電パネルの効果が調査された。その結果、太陽光パネルは温室内に日陰を作る一方で、照明に必要な電力の43.7%を供給していることが示された。
研究#5
ある研究では、研究者たちは相変化材料（PCM）を用いた太陽熱空気集熱器を温室の暖房に利用しました。その結果、温室内の温度は特に夜間において、従来の太陽熱暖房システムよりも高い状態を維持できたと結論付けました。
研究#6
イランのシーラーズにおいて、ソーラーパネルを設置した温室の熱環境条件が調査された。約14種類の異なるパネル配置が検討された結果、屋根の19.2%をパネルで覆った場合でも、温室の照明に大きな影響はなかったことが判明した。実際、天然ガスの消費量と二酸化炭素排出量は大幅に削減された。
そのため、太陽光発電技術を研究するさまざまな研究は、その性能と温室への影響という 1 つの側面に焦点を合わせてきました。ほとんどの場合、これらの研究では、これらの技術の環境への影響はあまり考慮されていませんでした。
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結論
この研究の目的は、研究対象地域の環境分析とともにエネルギー消費パターンを評価することでした。アルボルズ州の水耕栽培温室では、再生不可能な資源の代わりに太陽光発電セルを使用して発電できる可能性が示されました。したがって、現在の研究から得られた結果に基づいて、研究者は以下の結論を導き出しました。
入力エネルギーの大部分は天然ガスと電気から得られました。
- エネルギー指標は、水耕栽培温室でのイチゴ生産がエネルギー集約的であることを示しています。
- LCA の結果によると、生態系と人間の健康への被害は、固定設備と電気によるものです。また、天然ガスは資源被害のカテゴリで大きな原因となっています。
- 温室で太陽エネルギーを利用する実現可能性の結果、約 120 m2 の太陽電池で必要な量の電力を供給できることが示されました。また、屋根に設置しても温室内の照明が妨げられることはありません。
- 温室に太陽光発電システムを導入すれば、エネルギー消費と環境への悪影響をすべて削減できます。
したがって、PV 技術とエネルギー最適化技術により、水耕栽培温室のエネルギー効率を高めることができます。したがって、水耕栽培温室における太陽光発電の有効性を実証するこの研究は、影響力があると思われます。
