Beperkingen van water en land leiden tot een toegenomen vraag naar hydroponische kassen. Deze plaatsen gebruiken zonne-energie om gewassen te ontwikkelen in een afgesloten omgeving, maar er zijn ook andere aspecten aan verbonden. De studie die vandaag wordt besproken, zal de milieu- en energieaspecten van het gebruik van fotovoltaïsche cellen voor hydroponische kassen in de provincie Alborz benadrukken.
Kassen zijn wereldwijd populair vanwege hun prestaties en het vermogen om zich aan te passen aan verschillende omgevingen. Gezien de geografische omstandigheden en het droge en halfdroge klimaat, richt de landbouwsector in Iran zich dan ook op de ontwikkeling van kassen.
Wat betreft water- en meststofgebruik zijn hydroponische kassen efficiënter dan traditionele. Ook leveren ze hogere opbrengsten op, maar ze hebben een relatief hoger energieverbruik en kosten. Dit vormt een groot teeltprobleem tijdens de koude seizoenen.
In de afgelopen decennia hebben verschillende kassen gebruikgemaakt van niet-hernieuwbare energiebronnen zoals aardgas en olie, wat heeft geleid tot milieuvervuiling met broeikasgassen, opwarming van de aarde en klimaatverandering.
Onderzoek naar fotovoltaïsche systemen voor hydrocultuurkassen
Onderzoekers verzamelden gegevens van een kas van 3000 m2. De totale energie-input in deze kas was ongeveer 8652.20 GJ ha−1, waarbij aardgas en elektriciteit de belangrijkste bronnen waren. De berekende energieproductiviteit was 0.20 kg GJ−1 en de energieverhouding was 0.03.
De resultaten van de levenscyclusanalyse (LCA) tonen aan dat aardgas de grootste impact had . Zonnecellen verbeteren de milieu-indicatoren en het energieverbruik in de kas. Voor de in het onderzoek beschreven kas is ongeveer 120 m² aan zonnecellen nodig, wat slechts 4% van het dak beslaat.
Doelstellingen van de studie Fotovoltaïsche systemen voor hydrocultuurkassen
Het hier besproken onderzoek heeft de volgende doelstellingen:
- Onderzoeken – Milieueffecten en energieverbruikspatronen van de aardbeienteelt in de kas tijdens de teeltperiode.
- Simulatie van PV-systeem – Om de nauwkeurige hoeveelheid oppervlakte te berekenen die panelen nodig hebben om elektriciteit te leveren aan de hydroponische kas. Het houdt ook rekening met de juiste helling van de panelen voor hetzelfde.
- Vergelijkende analyse – Om de milieubelasting in een hydrocultuurkas met en zonder zonnesysteem te analyseren.
- Het water Productiviteit Index werd ook onderzocht in de studie.
- Totale straling op hellend oppervlak: De maandelijkse gemiddelde dagelijkse straling ontvangen op de hellende oppervlakken van panelen werd berekend. Dit werd gedaan door rekening te houden met straling ontvangen op een horizontaal oppervlak.
Details van de onderzochte regio
Een commerciële hydroponische aardbeienkas van 3000 m2 was de onderzoekslocatie voor dit onderzoek. Deze bevindt zich in de provincie Alborz in Iran. Daar is de gemiddelde jaarlijkse regenval ongeveer 252 mm en de gemiddelde geregistreerde temperatuur is 14.1° C per jaar. Bovendien bevindt deze locatie zich op 1300 m boven zeeniveau, wat helpt bij het weergeven van de interne perspectieven van de kas voor de studie.
Energieverbruiksparameters in aanmerking genomen
Door directe bezoeken en metingen van verbruikte inputs werd het mogelijk om gegevens te verzamelen voor de productieperiode 2021-2022. Met behulp van inputenergiecoëfficiënten werden de totale energie-inputs berekend. Hieronder staan de fysieke inputs en hun energie-equivalenten van de onderzoekslocatie.
- Menselijke arbeid: Hun energie-input werd berekend op basis van hun werkuren tijdens de productieperiode, samen met de relevante coëfficiënten.
- Stationaire apparatuur: Hun energiewaarde werd berekend door rekening te houden met het gewicht van de apparatuur. De onderzoekers gebruikten de gemiddelde waarde per kilogram en het jaar voor stationaire apparatuur (8–10 MJ kg−1 jr−1).
- Elektriciteit en aardgas: De fasemeter en gasmeter hielpen bij het registreren van het totale verbruik van beide bronnen voor stationaire apparatuur, verlichting en andere doeleinden tijdens de productieperiode. Vervolgens berekenden onderzoekers met behulp van energiecoëfficiënten het energie-equivalent.
- Chemische meststoffen en biociden: Vanwege hun ziektebestrijdingsvermogen is de vraag naar deze materialen toegenomen. De totale hoeveelheid chemische meststoffen (primaire en secundaire voedingsstoffen) en biociden (fungiciden en insecticiden) die tijdens de productieperiode zijn gebruikt, met hun energie-equivalent, werd berekend.
- Nylon: Het wordt gebruikt om de kas van buitenaf te bedekken en het wordt ook binnen gebruikt. Het gewicht en de bruikbare levensduur werden gebruikt om de hoeveelheid nylon te berekenen die werd geregistreerd (gewicht) voor de productieperiode. 60 MJ kg-1 was de energiecoëfficiënt die werd gebruikt voor de berekening.
- uitgang: Het was de hoeveelheid geproduceerde aardbei waarvan het gewicht werd beschouwd samen met de energiecoëfficiënt. Dit hielp bij het berekenen van de hoeveelheid outputenergie.
- Waterproductiviteitsindex: Hoeveelheid water per kubieke meter voor de productie van 5 kg hydrocultuuraardbeien.
Hoogtepunten: Energiegebruikpatroon in hydrocultuurkassen in Irak
- Menselijke arbeid: 19,200 uur ha−1
- Natuurlijk gas: 119,693 m3 ha−1
- Stikstofmeststoffen: 423 kg ha−1
- Totale benodigde energie (voor verschillende processen in de kas): 8652 GJ ha−1 (voor de gehele productieperiode)
- Gemiddelde aardbeienopbrengst: 120 ton ha−1
- Totale outputenergie: 228 GJ·ha−1
- Totaal verbruikte elektriciteit: 159,300 MJ (44,250 kWh)
- Ingangsenergieverbruik (Aardgas): 5925 GJ ha−1 (68% van de totale inputenergie).
- Elektriciteit: Elke 10 eenheden die door panelen worden gegenereerd, vereisen 1 eenheid energie, 1 MJ (PV) = 0.1 MJ
Energie-indices (aardbeienproductie) onder nieuwe omstandigheden worden weergegeven in de laatste kolom van de onderstaande tabel. Het is duidelijk dat PV alle energie-indices in de kas verbetert. De energieverhouding in de nieuwe situatie was 0.033, wat toeneemt door het gebruik van zonnepanelen.
| Energie-indexen | Eenheden | Zonder zonnestelsel | Met zonnestelsel |
| ER | - | 0.026 | 0.033 |
| NE | GJ heeft-1 | -8424.2 | -6717.6 |
| EP | kg GJ-1 | 13.87 | 17.28 |
| WP | kg m-3 | 5.13 | 5.13 |
Redenen voor het gebruik van niet-hernieuwbare energie in kassen
In Iran zijn de brandstofprijzen laag, wat leidt tot inefficiënt gebruik in verschillende industrieën. Dit is de belangrijkste oorzaak van het hoge verbruik van aardgas. De verwarmingssystemen in de onderzochte kas zijn van lage efficiëntie. Het is niet gebaseerd op een intelligent verwarmingssysteem en verspilt dus grote hoeveelheden gas. Over het algemeen is kasverwarming verantwoordelijk voor een enorm energieverbruik.
Voorgestelde oplossingen
- Om het aardgasverbruik te verminderen: Er moeten verwarmingssystemen met een hoog rendement worden gebruikt. Ze zullen ook minder vervuiling produceren.
- Om het energieverbruik te verminderen: Het is aan te raden om een thermisch scherm te gebruiken. Door deze schermen te gebruiken, wordt de ruimte rond de planten in de kas verkleind. Hierdoor hoeft er 's nachts minder ruimte te worden verwarmd. Het optimaliseert ook het brandstofverbruik.
- Om warmteverlies te voorkomen en de isolatie te verbeteren: Bij de bouw van kassenwanden en -daken moeten materialen met een lage warmteoverdracht worden gebruikt.
- Om de nodige verwarming te bieden: Zonnecollectoren worden aanbevolen vanwege hun goedkope technologie. Ook is een grondluchtcollector de beste en meest kosteneffectieve manier om de kas te verwarmen.
- Om warmte op te slaan:Met faseovergangsmaterialen is het eenvoudig om warmte op te slaan voor de nacht.
Een schonere weg om water te beheersen en broeikasgassen om te zetten, suggereert onderzoek
Simulatie van het zonnestelsel op het dak van een kas
Zoals eerder vermeld, is het mogelijk om de totale elektriciteit die wordt gebruikt bij de productie van aardbeien te vervangen door hernieuwbare bronnen. Afhankelijk van de waarde van het elektriciteitsverbruik (44,250 kWh) kan het benodigde paneeloppervlak worden berekend. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van buitenaardse straling (Ho) en totale straling (H) op een horizontaal oppervlak, samen met de genoemde vergelijkingen.
De resultaten:
- Gemiddelde dagelijkse totale straling (horizontaal oppervlak): 10.9 MJ m−2
- Straling (H) waargenomen in juni: ongeveer 29 MJ m−2 (hoogste)
- Straling (H) waargenomen in december: ongeveer 9 MJ m−2 (laagste)
- Jaarlijkse gemiddelde helderheidsindex: 63%
- Uitputting van de zonnestraling: 27%
Helling nodig
De laatste kolom toont de maandelijkse gemiddelde instraling per m² van de geïnstalleerde zonnecellen in de onderzochte kas. Deze kas had een hellingshoek van 35°48ˊ naar het zuiden. Op basis hiervan kan jaarlijks 7736 MJ zonne-energie per vierkante meter paneeloppervlak worden ontvangen. Met deze hellingshoek is er een kans dat de ontvangen zonne-instraling met 12% toeneemt.
Elektriciteit Generatie
Zoals uit het onderzoek blijkt, bedraagt het jaarlijkse elektriciteitsverbruik 159,300 MJ . Om deze hoeveelheid op te wekken is circa 120 m² aan zonnepanelen nodig, wat neerkomt op 4% van het dakoppervlak. Dit alles zonder de verlichting en verwarming in de kas in gevaar te brengen.
Als u van plan bent zonnepanelen te installeren, zoek dan uit wat het vermogen van een 100-watt zonnepaneel is op een bewolkte dag.
Diverse eerdere onderzoeken
Onderzoekers hebben verschillende methoden en manieren geprobeerd om de energieprestaties van met PV-cellen uitgeruste kassen te onderzoeken. Hun conclusies worden hieronder gedeeld:
Onderzoek # 1
In Japan hebben onderzoekers bestudeerd hoe schaduw van zonnepanelen de groei van lente-uitjes beïnvloedt. Twee verschillende opstellingen van zonnepanelen werden getest. Ze ontdekten dat de opstelling in een schaakbordpatroon geen significant effect had op de groei van het gewas. De opstelling in een rechte lijn had daarentegen een positief effect en voorzag in de energiebehoefte van de kas met behulp van hernieuwbare energiebronnen.
Onderzoek # 2
De onderzoekers probeerden hier de impact van in kassen geïntegreerde zonnepanelen op de gewasproductie te achterhalen . De resultaten waren positief en toonden aan dat PV-panelen niet alleen de benodigde hoeveelheid elektriciteit leveren, maar ook de irrigatiebehoefte van de gewassen verminderen.
Onderzoek # 3
Dit onderzoek richtte zich op de plantengroei en de energieproductie-efficiëntie van zonnepanelen op daken. Twee installatiemethoden werden onderzocht: vaste installatie en zonvolgende installatie. De resultaten toonden aan dat de zonvolgende installatie meer elektriciteit opwekte dan de vaste installatie. Daardoor kan de zonvolgende installatie een aanzienlijke hoeveelheid energie leveren aan de kas.
Onlangs werd ontdekt dat nieuwe bacteriën de uitstoot van broeikasgassen in de landbouw kunnen verminderen, aldus onderzoekers van NMBU.
Onderzoek # 4
Een andere studie uit Canada onderzocht het effect van semi-transparante zonnepanelen op kassendaken. De resultaten toonden aan dat de zonnepanelen weliswaar interne schaduw veroorzaakten, maar ook 43.7% van de elektriciteit leverden die de kas nodig had voor de verlichting.
Onderzoek # 5
In een onderzoek gebruikten onderzoekers zonnecollectoren met faseveranderingsmateriaal (PCM) om een kas te verwarmen. Ze concludeerden dat de binnentemperatuur in de kassen hoger bleef, vooral 's nachts, dan bij een conventioneel zonneverwarmingssysteem.
Onderzoek # 6
In Shiraz, Iran, werden de thermo-milieuomstandigheden van een kas met zonnepanelen onderzocht. Ongeveer 14 verschillende configuraties werden geanalyseerd. De conclusie was dat er geen significant effect was op de verlichting van de kas, zelfs niet wanneer 19.2% van het dak met panelen bedekt was. Sterker nog, het leidde tot een aanzienlijke vermindering van het aardgasverbruik en de CO2-uitstoot.
Dus, verschillende onderzoeken die zonnetechnologieën bestudeerden, richtten zich op één aspect: hoe ze presteren en wat hun impact is op kassen. Meestal werd er in deze studies niet veel aandacht besteed aan de milieueffecten van deze technologieën.
Deze 5 eenvoudige manieren om zonnepanelen vogelvrij te maken, maken uw leven een stuk gemakkelijker.
Conclusie
Het doel van dit onderzoekswerk was om het energieverbruikspatroon te evalueren, samen met een milieuanalyse van de bestudeerde locatie. De hydrocultuurkas in de provincie Alborz toonde de haalbaarheid van het gebruik van PV-cellen voor het opwekken van elektriciteit, in plaats van niet-hernieuwbare bronnen. Dus, op basis van de resultaten die zijn afgeleid van de huidige studie, hebben onderzoekers de volgende conclusies getrokken.
Het grootste deel van de energie werd opgewekt uit aardgas en elektriciteit.
- Uit de energie-indexen blijkt dat de teelt van aardbeien in hydrocultuurkassen veel energie kost.
- LCA-resultaten tonen aan dat schade aan het ecosysteem en de menselijke gezondheid te wijten is aan stationaire apparatuur en elektriciteit. Ook aardgas is de grootste bijdrager in de categorie schade aan hulpbronnen.
- De haalbaarheidsresultaten van het gebruik van zonne-energie in de kas lieten zien dat ongeveer 120 m2 aan zonnecellen de benodigde hoeveelheid elektriciteit kan leveren. Ook zal het installeren ervan op het dak de verlichting in de kas niet belemmeren.
- Met PV-systemen in kassen kunnen het energieverbruik en de negatieve effecten op het milieu aanzienlijk worden verminderd.
Dus met PV-technologieën en energie-optimalisatietechnieken kunnen hydroponische kassen energiezuiniger worden. Dit onderzoek om de effectiviteit van fotovoltaïsche cellen voor hydroponische kassen aan te tonen, lijkt dus impactvol.
Bron : Het gebruik van fotovoltaïsche cellen voor een commerciële hydrocultuurkas
