Ograniczenia wody i ziemi prowadzą do zwiększonego popytu na szklarnie hydroponiczne. Miejsca te wykorzystują energię słoneczną do uprawy roślin w zamkniętym środowisku, ale ma to też inne aspekty. Omawiane dziś badanie podkreśli aspekty środowiskowe i energetyczne wykorzystania fotowoltaiki w szklarniach hydroponicznych w prowincji Alborz.
Szklarnie są popularne na całym świecie ze względu na ich wydajność i potencjał adaptacji do różnych środowisk. Tak więc, ze względu na warunki geograficzne oraz suchy i półpustynny klimat, sektor rolniczy w Iranie koncentruje się na rozwoju szklarni.
Pod względem zużycia wody i nawozów szklarnie hydroponiczne są bardziej wydajne niż tradycyjne. Ponadto dają większe plony, ale mają stosunkowo wyższe zużycie energii i koszty. Stanowi to poważny problem uprawowy w zimnych porach roku.
W ostatnich dekadach w wielu szklarniach zastosowano nieodnawialne źródła energii takie jak gaz ziemny i ropa naftowa, co powoduje zanieczyszczenie środowiska gazami cieplarnianymi, globalne ociepleniei zmiany klimatu.
Zbadaj fotowoltaikę dla szklarni hydroponicznych
Naukowcy zebrali dane z 3000 m2 szklarni. Całkowity wkład energetyczny w tej szklarni wynosił około 8652.20 GJ ha−1, przy czym głównymi źródłami były gaz ziemny i energia elektryczna. Obliczona produktywność energetyczna wynosiła 0.20 kg GJ−1, a współczynnik energetyczny 0.03.
Szacowanie cyklu życia Wyniki (LCA) pokazują, że największy wpływ miał gaz ziemny. Ogniwa słoneczne poprawiają wskaźniki środowiskowe i energię w szklarni. W przypadku szklarni omawianej w badaniu, około Potrzeba 120 m2 ogniw słonecznych, które pokryją tylko 4% powierzchni dachu.
Cele badania Fotowoltaika dla szklarni hydroponicznych
Niniejsze badania omawiane w niniejszym dokumencie mają następujące cele:
- śledztwo – Wpływ na środowisko i wzorce zużycia energii podczas produkcji truskawek w szklarni w okresie uprawy.
- Symulacja systemu PV – Aby obliczyć dokładną ilość powierzchni potrzebną panelom do dostarczania energii elektrycznej do szklarni hydroponicznej. Bierze również pod uwagę odpowiednie nachylenie paneli.
- Analiza porównawcza – Analiza obciążeń środowiskowych w szklarni hydroponicznej z instalacją solarną i bez niej.
- Woda System wskaźnik został również zbadany w badaniu.
- Całkowite promieniowanie na pochyłej powierzchni:Obliczono miesięczne średnie dzienne promieniowanie otrzymane na pochyłych powierzchniach paneli. Dokonano tego, biorąc pod uwagę promieniowanie otrzymane na powierzchni poziomej.
Szczegóły badanego regionu
Miejscem badań była komercyjna szklarnia hydroponiczna o powierzchni 3000 m2, w której uprawiano truskawki. Znajduje się ona w prowincji Alborz w Iranie. Średnie roczne opady wynoszą tam około 252 mm, a średnia temperatura wynosi 14.1° C rocznie. Ponadto miejsce to znajduje się na wysokości 1300 m n.p.m., co pomaga w przedstawieniu wewnętrznych perspektyw szklarni na potrzeby badania.
Parametry zużycia energii brane pod uwagę
Dzięki bezpośrednim wizytom i pomiarom zużytych nakładów możliwe stało się zebranie danych na okres produkcji 2021-2022. Korzystając ze współczynników energii wejściowej, obliczono całkowite nakłady energii. Poniżej przedstawiono nakłady fizyczne i ich ekwiwalenty energetyczne z miejsca badania.
- Praca ludzka:Ich zużycie energii obliczono na podstawie godzin pracy w okresie produkcji, wraz z odpowiednimi współczynnikami.
- Sprzęt stacjonarny: Wartość energetyczna została obliczona na podstawie masy sprzętu. Naukowcy wykorzystali średnią wartość na kilogram i rok dla sprzętu stacjonarnego (8–10 MJ kg−1 rok−1).
- Energia elektryczna i gaz ziemny:Licznik fazowy i licznik gazu pomogły w rejestrowaniu całkowitego zużycia obu źródeł dla urządzeń stacjonarnych, oświetlenia i innych celów w okresie produkcji. Następnie, używając współczynników energetycznych, naukowcy obliczyli ekwiwalent energetyczny.
- Nawozy sztuczne i biocydy:Ze względu na ich zdolność do zwalczania chorób, popyt na te materiały wzrósł. Obliczono całkowitą ilość nawozów chemicznych (składników odżywczych podstawowych i wtórnych) i biocydów (fungicydów i insektycydów) zużytych w okresie produkcji, wraz z ich ekwiwalentem energetycznym.
- Nylon: Służy do pokrycia szklarni z zewnątrz, a także jest używany wewnątrz. Jego waga i użyteczna żywotność zostały wykorzystane do obliczenia ilości nylonu zarejestrowanego (waga) dla okresu produkcji. 60 MJ kg-1 to współczynnik energetyczny użyty do obliczeń.
- Wydajność:To była ilość wyprodukowanych truskawek, których waga była brana pod uwagę wraz ze współczynnikiem energetycznym. Pomogło to w obliczeniu ilości energii wyjściowej.
- Wskaźnik produktywności wody:Ilość wody zużytej na metr sześcienny do wyprodukowania 5 kg truskawek hydroponicznych.
Najważniejsze informacje: Wzór wykorzystania energii w szklarniach hydroponicznych w Iraku
- Praca ludzka: 19,200 1 godzin ha−XNUMX
- Natural Gas: 119,693 3 m1 ha−XNUMX
- Nawozy azotowe: 423 kg ha−1
- Całkowita wymagana energia (dla różnych procesów wewnątrz szklarni): 8652 GJ ha−1 (dla całego okresu produkcji)
- Średni plon truskawek: 120 ton ha−1
- Całkowita energia wyjściowa: 228 GJ ha−1
- Całkowite zużycie energii elektrycznej: 159,300 44,250 MJ (XNUMX XNUMX kWh)
- Zużycie energii wejściowej (Gaz ziemny): 5925 GJ ha−1 (68% całkowitej energii wejściowej).
- Elektryczność:Każde 10 jednostek wygenerowanych przez panele wymaga 1 jednostki energii, 1 MJ (PV) = 0.1 MJ
Indeksy energetyczne (produkcja truskawek) w nowych warunkach są pokazane w ostatniej kolumnie poniższej tabeli. Oczywiste jest, że PV poprawia wszystkie indeksy energetyczne w szklarni. Współczynnik energetyczny w nowej sytuacji wynosił 0.033, co zwiększa się wraz z wykorzystaniem paneli słonecznych.
| Indeksy energetyczne | Jednostki | Bez układu słonecznego | Z układem słonecznym |
| ER | - | 0.026 | 0.033 |
| NE | GJ ha-1 | -8424.2 | -6717.6 |
| EP | kg GJ-1 | 13.87 | 17.28 |
| WP | kgm-3 | 5.13 | 5.13 |
Przyczyny stosowania energii nieodnawialnej w szklarniach
W Iranie ceny paliw są niskie, co prowadzi do ich nieefektywnego wykorzystania w różnych gałęziach przemysłu. Jest to główna przyczyna dużego zużycia gazu ziemnego. Systemy grzewcze w badanej szklarni mają niską wydajność. Nie opierają się na inteligentnym systemie grzewczym, a zatem marnują duże ilości gazu. Generalnie ogrzewanie szklarni odpowiada za ogromne zużycie energii.
Proponowane rozwiązania
- Aby zmniejszyć zużycie gazu ziemnego:Należy stosować systemy grzewcze o wysokiej wydajności. Będą one również wytwarzać mniej zanieczyszczeń.
- Aby zmniejszyć zużycie energii:Zaleca się stosowanie ekranu termicznego. Dzięki zastosowaniu tych ekranów przestrzeń wokół roślin wewnątrz szklarni zostanie zmniejszona. W ten sposób mniej miejsca trzeba ogrzać w nocy. Optymalizuje to również zużycie paliwa.
- Aby zapobiec utracie ciepła i poprawić izolację:Do budowy ścian i dachów szklarni należy stosować materiały charakteryzujące się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła.
- Aby zapewnić niezbędne ogrzewanie: Kolektory słoneczne są zalecane ze względu na ich niedrogą technologię. Ponadto kolektor gruntowo-powietrzny jest najlepszym i najbardziej opłacalnym sposobem na ogrzanie szklarni.
- Do magazynowania ciepła:Materiały zmieniające fazę ułatwiają magazynowanie ciepła na noc.
Symulacja układu słonecznego na dachu szklarni
Jak wspomniano wcześniej, możliwe jest zastąpienie całkowitej energii elektrycznej wykorzystywanej w produkcji truskawek odnawialnymi źródłami. Na podstawie wartości zużycia energii elektrycznej (44,250 XNUMX kWh) można obliczyć potrzebną powierzchnię panelu. Robi się to, wykorzystując promieniowanie pozaziemskie (Ho) i całkowite promieniowanie (H) na powierzchni poziomej, wraz z wymienionymi równaniami.
Wyniki:
- Średnie dzienne całkowite promieniowanie (powierzchnia pozioma): 10.9 MJ m−2
- Promieniowanie (H) obserwowane w czerwcu: około 29 MJ m−2 (najwyższa)
- Promieniowanie (H) obserwowane w grudniu: około 9 MJ m−2 (najniższe)
- Średnioroczny wskaźnik przejrzystości:% 63
- Wyczerpanie promieniowania słonecznego:% 27
Potrzebne nachylenie
Ostatnia kolumna pokazuje miesięczne średnie promieniowanie padające na m2 zainstalowanej ogniwa słonecznego w badanej szklarni. Znajdowało się ono na nachyleniu 35°48ˊ na południe. Zgodnie z tym. Rocznie można otrzymać 7736 MJ energii słonecznej na metr kwadratowy powierzchni panelu. Przy takim nachyleniu istnieje szansa zwiększając ilość otrzymanego promieniowania słonecznego o 12%.
Generowanie elektryczności
Jak stwierdzono w badaniu, roczne zużycie energii elektrycznej wynosi 159,300 XNUMX MJAby wyprodukować taką ilość, potrzeba ok. 120 m2 powierzchni paneli, co stanowi 4% powierzchni dachu. Nie wpływa to negatywnie na oświetlenie i ogrzewanie wewnątrz szklarni.
Jeśli planujesz instalację paneli słonecznych, dowiedz się więcej Moc wyjściowa panelu słonecznego 100 W w pochmurny dzień.
Różne wcześniejsze badania
Naukowcy próbowali różnych metod i sposobów, aby zbadać wydajność energetyczną szklarni wyposażonych w ogniwa PV. Ich wnioski przedstawiono poniżej:
Badanie nr 1
W Japonii, badacze obserwowali jak zacienienie przez panele fotowoltaiczne wpływa na wzrost cebuli walijskiej. Przetestowano 2 rodzaje układów paneli słonecznych. Odkryto, że układ szachownicy nie miał znaczącego wpływu na wzrost uprawy. Natomiast układ w linii prostej miał pozytywny wpływ i zaspokajał zapotrzebowanie szklarni na energię dzięki odnawialnym źródłom energii.
Badanie nr 2
Tutaj badacze próbowali znaleźć wpływ paneli słonecznych zintegrowanych ze szklarniami na produkcję upraw. Wyniki były pozytywne, pokazując, że panele PV nie tylko dostarczają wymaganą ilość energii elektrycznej, ale także zmniejszają zapotrzebowanie upraw na nawadnianie.
Badanie nr 3
Ten badania skupione na wzroście roślin i efektywności produkcji energii paneli dachowych. Zbadano dwa rodzaje trybów instalacji: instalację stałą i śledzenie słońca. Wyniki wykazały, że tryb śledzenia słońca generował więcej energii elektrycznej niż tryb stały. W związku z tym może on dostarczać dużą ilość energii do szklarni.
Niedawno odkryto, że Nowe bakterie mogą zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych w rolnictwie, twierdzą naukowcy NMBU
Badanie nr 4
Inne nauka z Kanady zbadano wpływ półprzezroczystych ogniw fotowoltaicznych zainstalowanych na dachach szklarni. Wyniki wykazały, że panele słoneczne powodowały wewnętrzne zacienienie, ale także dostarczały 43.7% energii elektrycznej potrzebnej szklarni do oświetlenia.
Badanie nr 5
W jednym z badań, naukowcy wykorzystali kolektory słoneczne do powietrza z materiałem o zmiennej fazie (PCM) do ogrzewania szklarni. Stwierdzili, że temperatura wewnątrz szklarni pozostawała wyższa, zwłaszcza w nocy. Było to więcej niż w przypadku konwencjonalnego systemu ogrzewania słonecznego.
Badanie nr 6
W Szyrazie w Iranie, warunki termo-środowiskowe szklarni wyposażonej w panele słoneczne. Przebadano około 14 różnych konfiguracji układów. Stwierdzono, że nie było znaczącego wpływu na oświetlenie szklarni, nawet gdy 19.2% dachu było pokryte panelami. W rzeczywistości zmniejszyło to zużycie gazu ziemnego i emisję CO2 w dużym stopniu.
Tak więc różne prace badawcze dotyczące technologii solarnych skupiały się na jednym aspekcie, ich działaniu i wpływie na szklarnie. W większości przypadków wpływowi tych technologii na środowisko nie poświęcono w tych badaniach zbyt wiele uwagi.
Te 5 prostych sposobów na zabezpieczenie paneli słonecznych przed ptakami ułatwi Ci życie.
Wniosek
Celem tej pracy badawczej była ocena wzorca zużycia energii wraz z analizą środowiskową badanego miejsca. Hydroponiczna szklarnia w prowincji Alborz wykazała wykonalność wykorzystania ogniw fotowoltaicznych do wytwarzania energii elektrycznej zamiast nieodnawialnych zasobów. Tak więc, zgodnie z wynikami uzyskanymi z bieżącego badania, naukowcy wyciągnęli następujące wnioski.
Większość energii wejściowej pochodziła z gazu ziemnego i energii elektrycznej.
- Wskaźniki energetyczne pokazują, że produkcja truskawek w szklarniach hydroponicznych jest energochłonna.
- Wyniki LCA pokazują, że szkody dla ekosystemu i zdrowia ludzi są spowodowane przez urządzenia stacjonarne i elektryczność. Ponadto gaz ziemny jest głównym czynnikiem w kategorii szkód w zasobach.
- Wyniki wykonalności wykorzystania energii słonecznej w szklarni wykazały, że około 120 m2 ogniw słonecznych może dostarczyć wymaganą ilość energii elektrycznej. Ponadto ich instalacja na dachu nie będzie utrudniać oświetlenia wewnątrz szklarni.
- Dzięki systemom fotowoltaicznym w szklarniach można znacznie ograniczyć zużycie energii i negatywny wpływ na środowisko.
Dzięki technologiom PV i technikom optymalizacji energii szklarnie hydroponiczne mogą stać się bardziej energooszczędne. Dlatego też badania mające na celu wykazanie skuteczności fotowoltaiki w szklarniach hydroponicznych wydają się mieć znaczenie.
Źródło : Wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych w komercyjnej szklarni hydroponicznej
