«Растения используют для фотосинтеза только световые волны определенной длины, и идея состоит в том, чтобы создать теплицы, которые производят энергию из неиспользованного света, позволяя при этом пропускать большую часть фотосинтетической полосы света», – говорит Брендан О’Коннор, автор исследования. и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в NC State. «Мы можем сделать это, используя органические солнечные элементы, потому что они позволяют нам настраивать спектр света, который поглощает солнечный элемент, поэтому мы можем сосредоточиться на использовании в основном длин волн света, которые растения не используют. Однако до сих пор не было ясно, сколько энергии могла бы уловить теплица, если бы она использовала эти полупрозрачные, селективные по длине волны органические солнечные элементы."
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи использовали вычислительную модель, чтобы оценить, сколько энергии могла бы производить теплица, если бы на ее крыше были полупрозрачные органические солнечные элементы, и достаточно ли этой энергии, чтобы компенсировать количество энергии, необходимое теплице для эффективной работы. Модель была разработана для оценки энергопотребления теплицами, выращивающими помидоры, в Аризоне, Северной Каролине и Висконсине.
«Большая часть энергии используется в теплицах за счет отопления и охлаждения, поэтому наша модель была сосредоточена на расчете энергетической нагрузки, необходимой для поддержания оптимального диапазона температур для роста томатов», – говорит О’Коннор. "Модель также рассчитала количество энергии, которое теплица будет производить в каждом месте, когда солнечные элементы будут размещены на ее крыше."
Моделирование сложное, потому что существует сложный компромисс между количеством энергии, генерируемой солнечными элементами, и количеством света в фотосинтетической полосе, через которую они пропускают. По сути, если производители готовы пожертвовать большим количеством фотосинтетического роста, они могут генерировать больше энергии.
Более того, солнечные элементы, используемые для этого анализа, являются эффективными изоляторами, поскольку они отражают инфракрасный свет. Это помогает сохранять теплицы прохладнее летом и удерживать больше тепла зимой.
Конечным результатом является то, что для многих тепличных хозяйств компромисс может быть незначительным. Особенно для теплиц в теплом или умеренном климате.
Например, в Аризоне теплицы могут стать энергетически нейтральными, не требуя внешнего источника энергии, при этом блокируя только 10% фотосинтетической полосы света. Однако, если производители захотят блокировать больше фотосинтетического света, они могут генерировать вдвое больше энергии, чем требуется для работы теплицы. В Северной Каролине теплица может стать энергонейтральной, блокируя 20% фотосинтетического света. В Висконсине теплицы не могут стать энергетически нейтральными с использованием полупрозрачных солнечных элементов – для поддержания тепла в теплице зимой требуется слишком много энергии.
Однако солнечные элементы могут удовлетворить до 46% потребности теплицы в энергии.
«Хотя технология действительно использует некоторые легкие растения, на которые полагаются растения, мы думаем, что влияние на рост растений будет незначительным – и что компромисс будет иметь финансовый смысл для производителей», – говорит О’Коннор.