Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học bang North Carolina, làm việc với tế bào quang điện hữu cơ (OPV) NextGen Nano, đã chứng minh cách bổ sung pin mặt trời hữu cơ bán trong suốt (OSC) vào nhà kính cho phép người trồng tạo ra điện và đồng thời trồng rau diếp, giảm nhu cầu năng lượng nhà kính. Kết quả sẽ đặt nền móng cho việc sản xuất điện trong canh tác nhà kính bền vững.
Các nghiên cứu, được công bố trong Báo cáo Tế bào Khoa học Vật lý, phát hiện ra rằng rau diếp đỏ có thể được trồng trong nhà kính với OSC lọc các bước sóng ánh sáng được sử dụng để tạo ra năng lượng mặt trời. Điều này chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng các tấm pin mặt trời trong suốt trong nhà kính để đáp ứng nhu cầu điện cao mà không làm giảm năng suất cây trồng.
Trong khoảng thời gian 30 ngày, bốn nhóm rau diếp được trồng trong các thành phần màu sáng khác nhau bằng bộ lọc OSC. Điều này bao gồm một nhóm kiểm soát tiếp xúc với toàn bộ ánh sáng trắng. Không có sự khác biệt đáng kể về trọng lượng tươi hoặc hàm lượng chất diệp lục giữa nhóm đối chứng và nhóm thử nghiệm, cho thấy rằng việc loại bỏ các phần chọn lọc của quang phổ ánh sáng cần thiết để tạo ra điện không ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Các bước sóng thu được sau đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hệ thống chiếu sáng, quản lý nhiệt và tưới tiêu tốn nhiều năng lượng cần thiết cho canh tác trong nhà kính.
Tiến sĩ Carr Ho, nhà khoa học nghiên cứu tại NextGen Nano giải thích: “Nhà kính được sử dụng để trồng cây vì chúng giúp tăng năng suất đáng kể ở những vùng khí hậu không phải bản địa, đồng thời giảm mức tiêu thụ nước và sử dụng thuốc trừ sâu so với canh tác thông thường”. “Nhưng kính nhà kính có khả năng cách nhiệt kém nên cần lắp đặt hệ thống sưởi và thông gió để giúp duy trì điều kiện tối ưu. Cùng với việc chiếu sáng bổ sung, điều này dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng lớn, không bền vững.
Ho tiếp tục: “Với nghiên cứu này, các nhà khoa học tại NCSU đã tìm ra cách canh tác trong nhà kính mà không cần đến nhu cầu năng lượng lớn như truyền thống”. “Bằng cách sử dụng OSC với lớp phủ quang học phù hợp và các tính năng thiết kế, người trồng có thể quản lý việc truyền ánh sáng, phát điện và tải nhiệt trong nhà kính để đạt năng suất cao với mức sử dụng năng lượng thấp.
Việc sử dụng lớp phủ DBR không chỉ tạo cơ hội tăng sản lượng điện mà còn có thể được sử dụng để giảm tình trạng quá nhiệt trong nhà kính. Chúng tôi chứng minh rằng đối với một nhà kính ở Sacramento, California, số giờ nhà kính quá nóng có thể giảm từ 280 xuống 82 giờ khi sử dụng OSC với DBR được điều chỉnh để phản chiếu ánh sáng NIR. Mặc dù điều này không có tác động lớn đến nhu cầu năng lượng nhưng dự kiến sẽ cải thiện sản lượng cây trồng.
Cuối cùng, việc sử dụng các điện cực OSC cũng có thể hoạt động như lớp phủ có ε thấp đã được chứng minh là làm giảm đáng kể tải trọng sưởi ấm của nhà kính. Kết hợp tác động tối thiểu quan sát được đối với năng suất của nhà máy, cùng với việc sản xuất điện và cải thiện quản lý nhiệt bằng việc sử dụng ST-OSC, cho thấy rằng việc tích hợp OSC với nhà kính là một chiến lược đầy hứa hẹn để đạt được nền nông nghiệp dựa vào nhà kính cường độ cao bền vững với môi trường.
“Cần nghiên cứu thêm để phát triển OSC có khả năng tăng năng suất sản xuất trong nhà kính. Nhưng nghiên cứu được NextGen Nano hỗ trợ chắc chắn gợi ý rằng việc tích hợp OSC vào canh tác trong nhà kính là một chiến lược đầy hứa hẹn để đạt được nền nông nghiệp dựa vào nhà kính cường độ cao, bền vững”.
Ngoài sự hỗ trợ cho bài viết này, NextGen Nano đã phát triển một thiết bị OPV được cấp bằng sáng chế có thể được sử dụng trong thế hệ năng lượng mặt trời tiếp theo. Công nghệ này được chế tạo từ các polyme sinh học linh hoạt, mạnh mẽ, thân thiện với Trái đất với mục đích thay thế các pin mặt trời giòn truyền thống được làm từ kim loại nặng độc tố, như chì perovskite.
Nhu cầu chiếu sáng trong nhà kính sẽ phụ thuộc vào vị trí địa lý và cây trồng. Mặc dù rau diếp được chứng minh là phát triển tốt trong môi trường ST-OSC nhưng nó được biết đến là loại cây chịu bóng râm.7 Đối với các nhà máy có nhu cầu chiếu sáng lớn hơn, có thể cần thiết kế thiết bị ST-OSC thay thế và các lớp hoạt động. Vị trí nhà kính cũng sẽ quyết định lượng bức xạ mặt trời hàng ngày đi vào nhà kính cũng như nhu cầu sưởi ấm và làm mát không gian. Trong phần này, chúng tôi xem xét các cân nhắc trong thiết kế ST-OSC có ảnh hưởng đến sản xuất cây trồng, sản xuất điện và phụ tải nhiệt của cơ sở.
Tài liệu nghiên cứu đầy đủ có thể truy cập được trên Báo cáo di động trang mạng. Để biết thêm thông tin về các phát triển sản phẩm khác của NextGen Nano, hãy truy cập trang web của công ty http://nextgen-nano.co.uk/.