Солнечная синергия

Окончание. Начало смотрите, щёлкнув здесь.

Для второй части статьи мы подобрали три независимых сюжета. Первый - сбор данных для моделирования процессов на стыке сельского хозяйства и возобновляемой энергетики; второй - случаи, когда тень от солнечных панелей не мешает, а помогает вырастить хороший урожай; третий - ситуация с двусторонними вертикальными панелями.

Модельный урожай

Теоретические основы агроэнергетики (далее мы будем использовать аббревиатуру APV - от AgroPhotoVoltaics) разработаны слабо, это слишком новое направление. Проекты реализуются, причём успешно, но надёжная модель взаимодействия земледелия с солнечной энергетикой, очевидно, помогла бы поднять практику на совершенно иной уровень. На второй международной конференции SunnySide APV Summit, которая в начале марта прошла в израильском городе Кирьят-Шмона, в связи с этой гипотетической моделью отчасти (но именно лишь отчасти) в шутку вспомнили систему ChatGPT. Что будет, если спросить её, например, какие культуры подходят для APV? Какие типы панелей и в какой конфигурации окажутся оптимальными для конкретных условий применения? Какие показатели и какими методами исследовать? Может ли (и если да, то в каких случаях) APV-система стать предпочтительной альтернативой перед обычной фотоэлектрической СЭС? Могут ли панели быть полезными для вегетации растений, для орошения, для почвы, и каким образом? Как они влияют на окружающую среду? Насколько рентабельна APV-система для фермера? Возможна ли двойная выгода - и для сельского хозяйства, и для производства энергии? Вот на эти вопросы израильские исследователи и надеются получить ответы в ходе национального проекта по APV, который развивается с начала 2022 года.

Компания BayWa r. e. в Нидерландах защищает растения
от экстремальной погоды солнечными панелями

Понятно, что ChatGPT выдаст одни лишь общие фразы; чтобы было иначе, нужна конкретная информация по APV. Соответственно проект нацелен на максимально интенсивный сбор данных при самом широком охвате доступных вариантов APV-систем. В проекте участвуют 21 сельскохозяйственное предприятие и 33 исследователя из одиннадцати научных организаций; задействованы 119 земельных участков в пяти районах страны (причём представлены пять климатических зон и двенадцать видов почв), 32 сельскохозяйственные культуры и десять технологий солнечной энергетики (разные виды панелей и варианты их размещения). На всех участках собираются данные - метеорологические, сельскохозяйственные и энергетические, - а на тридцати из них, кроме того, исследуются экологические аспекты. Под эгидой ведущей организации проекта - Исследовательского института Галилеи "MIGAL" - создан Центр знаний по агроэнергетике.

Насколько доступны будут данные по APV? В соответствии с общим принципом это собственность компаний и организаций, которые их собирают, и нужны специальные договоры, чтобы правообладатели - вполне возможно, что не полностью и не бесплатно - их раскрыли. Поскольку широкое сотрудничество, в том числе международное, здесь отвечает общим интересам, на конференции высказывалась надежда, что оно будет налажено, - просто нужно этим заняться. Свой информационный центр по агроэнергетике создан в США при Национальном центре рачительных технологий (National Center for Appropriate Technology) - организации, с 1976 года занимающейся вопросами устойчивого развития фермерских хозяйств.

В тени панелей

Голландские фермеры культивируют лесные ягоды - землянику, чернику, малину, ежевику - под пластиковой плёнкой, имитируя для них тень деревьев с помощью специальных сеток. Предприниматель Пет Альберс из Баббериха решил изменить эту систему. В 2019 году он установил на своем малиннике площадью 3000 м² решётчатые фотоэлектрические панели с промежутками между ячейками, а год спустя, вдохновлённый результатами, развернул APV уже на 3,3 га. Стефан Шинделе, представитель фирмы BayWa r.e., изготовившей панели, до сих пор не уверен, что расстояние между ячейками выбрано правильно, но фермера оно устраивает.

Изначально и эксперты из Института солнечной энергетики Общества имени Фраунгофера, и сам фермер ожидали снижения урожайности ягод, но в 2020 году она была вполне сравнима с той, которую обеспечивали пластиковая плёнка и сетки. Без плёнки ягоды созрели позже, но для продажи на рынке это оказалось скорее преимуществом. Как рассказал Шинделе, в жаркое время температура под панелями была днём на два градуса ниже, а ночью - чуть выше, чем вокруг, и это благотворно отразилось на растениях, поскольку они тратили меньше жизненных сил на климатическую адаптацию. Кроме того, панели не мешают свободной циркуляции воздуха, благодаря чему уменьшается вероятность поражения растений грибком и снижается потребность в фунгицидах.

Если BayWa r.e. выпускает решётчатые панели, то французская компания Ombrea - скользящие, которые автоматически сдвигаются под управлением интеллектуального алгоритма и образуют сплошной навес, когда требуется защитить растения от неблагоприятных погодных условий. Поставщиком фотоэлектрических модулей выступает другая компания - RES; в 2022 году партнёры реализовали более десятка совместных APV-проектов для фруктовых садов, огородов и виноградников на юге Франции. Поскольку растения нужно было спасать от жары, функции панелей не мешали друг другу: максимальная защита от солнца соответствовала максимальной выработке электроэнергии.

Нетрадиционная ориентация

Двусторонние вертикальные панели обычно рекомендуется выстраивать в ряды по направлению с севера к югу, то есть так, чтобы одна сторона смотрела на восток, а другая - на запад; максимум энергии эти панели вырабатывают не в полдень, а на закате и на восходе, что примерно соответствует часам пикового потребления в энергосистеме.

Двусторонние вертикальные модули на площадке компании
Next2Sun в Германии

Впрочем, нет правил без исключений. В Японии вертикальные панели на пастбище, принадлежащем муниципалитету Нихонмацу (префектура Фукусима), смотрят, вопреки стандартной рекомендации, на юг, как и традиционные горизонтальные. Это связано с особенностями местности, для которой панели немецкого производителя Luxor Solar пришлось дополнительно укрепить, как того требуют японские стандарты ветроустойчивости.

В самой Германии группа ученых из Лейпцигского университета прикладных наук исследовала возможный эффект от крупномасштабного развёртывания вертикальных PV-систем. По их расчётам для получения наилучшего результата в масштабе страны процентное соотношение между  выработкой энергии вертикальными панелями, смотрящими на восток и запад, и наклонными, которые смотрят на юг, должно быть 70:30. Исследователи согласны, что достигнуть этого, учитывая пониженную выработку вертикальных панелей, нереально, но любой шаг в сторону их более широкого применения принесёт пользу.

В университете Мелардален (Швеция) учёные с помощью компьютерной гидродинамической модели проанализировали микроклимат вблизи вертикальных фотоэлектрических панелей. Как оказалось, там, куда в течение дня падает тень от панели, интенсивность солнечной радиации на 38% ниже, чем на полностью открытом месте.

Пилотные «вертикальные» APV-проекты реализовывались в последние годы в Германии, Франции, США. Компании сообщали о планах расширять работу в этой сфере, так что стены из вертикальных панелей на полях и лужайках, возможно, вскоре станут привычной частью пейзажа.