Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, σε συνεργασία με οργανικά φωτοβολταϊκά κύτταρα (OPV) Η εταιρεία NextGen Nano, έχει δείξει πώς η προσθήκη ημιδιαφανών οργανικών ηλιακών κυττάρων (OSC) σε θερμοκήπια επιτρέπει στους καλλιεργητές να παράγουν ηλεκτρισμό και ταυτόχρονα να καλλιεργούν μαρούλι, μειώνοντας τις ενεργειακές απαιτήσεις θερμοκηπίου. Τα αποτελέσματα θα θέσουν τις βάσεις για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε βιώσιμη καλλιέργεια θερμοκηπίου.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Cell Reports Φυσική Επιστήμη, διαπίστωσε ότι το κόκκινο μαρούλι μπορεί να καλλιεργηθεί σε θερμοκήπια με OSC που φιλτράρουν τα μήκη κύματος του φωτός που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλιακής ενέργειας. Αυτό αποδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης διαφανών ηλιακών συλλεκτών σε θερμοκήπια για την κάλυψη των υψηλών απαιτήσεων ηλεκτρικής ενέργειας, χωρίς να μειώνεται η απόδοση της καλλιέργειας.
Σε περίοδο 30 ημερών, τέσσερις ομάδες μαρουλιού αναπτύχθηκαν υπό διαφορετικές συνθέσεις ανοιχτού χρώματος χρησιμοποιώντας φίλτρα OSC. Αυτό περιελάμβανε ομάδα ελέγχου εκτεθειμένη σε πλήρες φάσμα λευκού φωτός. Δεν βρέθηκε σημαντική διαφορά στο περιεχόμενο νωπού ή χλωροφύλλη μεταξύ της ομάδας ελέγχου και των πειραματικών ομάδων, γεγονός που υποδηλώνει ότι η αφαίρεση των επιλεκτικών τμημάτων του φάσματος φωτός που απαιτούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν επηρέασε την ανάπτυξη της σοδειάς. Τα συλλεγόμενα μήκη κύματος θα μπορούσαν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία των συστημάτων φωτισμού, θερμικής διαχείρισης και άρδευσης που απαιτούνται για την καλλιέργεια θερμοκηπίου.
«Τα θερμοκήπια χρησιμοποιούνται για την καλλιέργεια φυτών επειδή αυξάνουν δραστικά την απόδοση σε μη γηγενείς κλίματα, ενώ μειώνουν την κατανάλωση νερού και τη χρήση φυτοφαρμάκων σε σύγκριση με τη συμβατική καλλιέργεια», εξήγησε ο γιατρός Carr Ho, ερευνητής στο NextGen Nano. «Ωστόσο, τα τζάμια του θερμοκηπίου έχουν κακή θερμομόνωση, οπότε πρέπει να εγκατασταθούν συστήματα θέρμανσης και εξαερισμού για να διατηρηθούν οι βέλτιστες συνθήκες. Μαζί με τον συμπληρωματικό φωτισμό, αυτό οδηγεί σε μεγάλες, μη βιώσιμες ενεργειακές καταναλώσεις.
«Με αυτήν την έρευνα, οι επιστήμονες στο NCSU έχουν βρει έναν τρόπο για την καλλιέργεια θερμοκηπίου χωρίς τις μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις που σχετίζονται παραδοσιακά με αυτήν», συνέχισε ο Ho. «Χρησιμοποιώντας OSC με τα σωστά οπτικά επιχρίσματα και χαρακτηριστικά σχεδίασης, οι καλλιεργητές μπορούν να διαχειριστούν τη μετάδοση φωτός, την παραγωγή ενέργειας και τα θερμικά φορτία σε ένα θερμοκήπιο για υψηλή παραγωγικότητα σε χαμηλές ενεργειακές χρήσεις.
Η χρήση επιχρισμάτων DBR όχι μόνο παρέχει την ευκαιρία για αύξηση της παραγωγής ενέργειας, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση της υπερθέρμανσης στο θερμοκήπιο. Δείχνουμε ότι για ένα θερμοκήπιο στο Σακραμέντο της Καλιφόρνια, ο αριθμός των ωρών που το θερμοκήπιο υπερθερμαίνεται μπορεί να μειωθεί από 280 σε 82 ώρες όταν χρησιμοποιείτε OSC με DBR συντονισμένο για να αντανακλά το φως NIR. Αν και αυτό δεν έχει μεγάλο αντίκτυπο στη ζήτηση ενέργειας, αναμένεται να βελτιώσει την παραγωγή των καλλιεργειών.
Τέλος, η χρήση ηλεκτροδίων OSC που μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως επικαλύψεις χαμηλού ε αποδείχθηκε ότι μειώνει σημαντικά το φορτίο θέρμανσης του θερμοκηπίου. Συνδυάζοντας τον ελάχιστο αντίκτυπο που παρατηρείται στην παραγωγικότητα των εγκαταστάσεων, μαζί με την παραγωγή ενέργειας και τη βελτιωμένη θερμική διαχείριση με τη χρήση του ST-OSC, υποδηλώνουμε ότι η ενσωμάτωση OSC με θερμοκήπια είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την επίτευξη περιβαλλοντικά βιώσιμης υψηλής έντασης γεωργίας με βάση το θερμοκήπιο.
«Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για την ανάπτυξη OSC ικανών να αυξήσουν την απόδοση παραγωγής σε θερμοκήπια. Ωστόσο, η έρευνα που υποστηρίζεται από το NextGen Nano υποδηλώνει σίγουρα ότι η ενσωμάτωση των OSC στην καλλιέργεια θερμοκηπίου είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την επίτευξη βιώσιμης, υψηλής έντασης γεωργίας με βάση το θερμοκήπιο. "
Εκτός από την υποστήριξη για αυτό το χαρτί, το NextGen Nano έχει αναπτύξει μια πατενταρισμένη συσκευή OPV που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην επόμενη γενιά ηλιακής ενέργειας. Αυτή η τεχνολογία είναι κατασκευασμένη από εύκαμπτα, ανθεκτικά, φιλικά προς τη Γη βιοπολυμερή με σκοπό την αντικατάσταση των παραδοσιακών εύθραυστων ηλιακών κυψελών που κατασκευάζονται από βαρέα μέταλλα τοξίνης, όπως οι περοβσκίτες μολύβδου.
Οι απαιτήσεις φωτισμού στο θερμοκήπιο θα εξαρτηθούν από τη γεωγραφική θέση και την καλλιέργεια. Ενώ το μαρούλι φαίνεται να αναπτύσσεται καλά κάτω από τα ST-OSCs, είναι γνωστό ότι είναι μια ανθεκτική στη σκιά καλλιέργεια.7 Για εγκαταστάσεις που έχουν μεγαλύτερες απαιτήσεις φωτισμού, ενδέχεται να απαιτούνται εναλλακτικά σχέδια συσκευών ST-OSC και ενεργά στρώματα. Η τοποθεσία του θερμοκηπίου θα υπαγορεύσει επίσης την καθημερινή ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται στο θερμοκήπιο καθώς και τις ανάγκες θέρμανσης και ψύξης του χώρου. Σε αυτήν την ενότητα, εξετάζουμε το σχεδιασμό του ST-OSC που επηρεάζει την παραγωγή καλλιεργειών, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το θερμικό φορτίο της εγκατάστασης.
Το πλήρες ερευνητικό έγγραφο είναι προσβάσιμο στο Cell Reports . Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις άλλες εξελίξεις προϊόντων του NextGen Nano, επισκεφθείτε τον ιστότοπο της εταιρείας http://nextgen-nano.co.uk/.