Agrivoltaics - nơi đặt các tấm pin mặt trời và sản xuất nông nghiệp trên cùng một vùng đất - đang chuyển từ sự tò mò nghiên cứu sang thực tế thương mại. Tại các nền kinh tế khan hiếm đất đai như Nhật Bản, Hàn Quốc và một số khu vực ở Châu Âu, nông điện giải quyết căng thẳng chính trị giữa phát triển năng lượng mặt trời và bảo tồn đất nông nghiệp. Đối với nông dân ở vùng khí hậu nóng, lợi ích bảo tồn bóng mát và nước là phần thưởng sản xuất bên cạnh thu nhập cho thuê.
Tại sao nông nghiệp hoạt động: hiệu ứng vi khí hậu
Các tấm pin mặt trời tạo ra một vi khí hậu riêng biệt bên dưới và xung quanh chúng. Ở những vùng có khí hậu nóng và khô cằn, vi khí hậu này có thể rất có lợi cho nông nghiệp:
- Giảm nhiệt độ: Các tấm che nắng cho mặt đất, giảm nhiệt độ đất từ 3–8°C trong thời kỳ nắng nóng cao điểm của mùa hè. Điều này mở rộng khoảng thời gian thoải mái về nhiệt cho cây trồng mùa mát và giảm căng thẳng về nhiệt cho cây trồng.
- Giảm thoát hơi nước: Nhiệt độ thấp hơn và giảm bức xạ mặt trời trực tiếp làm giảm sự bốc hơi từ bề mặt đất và thoát hơi nước từ lá cây. Yêu cầu về nước tưới thường giảm 20–60% bên dưới các tấm so với điều kiện ngoài đồng.
- Phòng chống mưa đá và thời tiết khắc nghiệt: Các tấm pin cung cấp sự bảo vệ một phần khỏi thiệt hại do mưa đá - một lợi ích bảo hiểm đáng kể cho các nhà sản xuất rau quả ở những vùng thường xuyên xảy ra mưa đá.
Những lợi ích này thể hiện rõ nhất ở vùng khí hậu nóng, có độ bức xạ cao (MENA, Trung Á, Nam và Đông Nam Á). Ở vùng khí hậu ôn đới, hiệu ứng bóng râm có thể làm giảm năng suất cây trồng đối với các loại cây trồng ưa nắng – khiến việc lựa chọn cây trồng càng trở nên quan trọng hơn.
Hướng dẫn chọn cây trồng
| Kiểu cắt | Chịu bóng râm | Năng suất dưới 30% bóng râm | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Xà lách, rau bina, cải xoăn | Cao | +10–30% so với ánh nắng đầy đủ | Bóng râm làm giảm việc bắt vít vào mùa hè; lý tưởng cho khí hậu nóng |
| Các loại thảo mộc (húng quế, bạc hà, rau mùi) | Cao | +5–15% | Bóng râm cải thiện nồng độ hợp chất hương vị trong một số loại thảo mộc |
| dâu tây | Trung bình-cao | Giảm 0–20% | Bóng mát kéo dài mùa; tốt cho khí hậu ôn đới |
| Các loại rau củ (củ cải đường, củ cải) | Trung bình | Giảm 0–10% | Chịu bóng râm; tương thích với thu hoạch cơ giới |
| Lúa mì, lúa mạch | Trung bình-thấp | Giảm 10–25% | Chỉ khả thi với khoảng cách hàng rất rộng (>10 m) |
| Ngô, hướng dương | Thấp | Giảm 25–50% | Không được khuyến khích; giảm năng suất đáng kể ngay cả dưới bóng râm một phần |
Thiết kế kết cấu: vấn đề chiều cao
Thách thức kỹ thuật quan trọng nhất trong nông nghiệp là chiều cao lắp đặt bảng điều khiển. Các hệ thống gắn trên mặt đất tiêu chuẩn sử dụng khoảng trống tối thiểu 0,5–1,0 m so với mặt đất - đủ để quản lý thảm thực vật nhưng không phù hợp cho các hoạt động nông nghiệp. Để có thể canh tác bên dưới các tấm, khoảng trống phải được tăng lên:
- Khoảng sáng gầm 1,5–2,0 m: Thu hoạch thủ công các loại cây trồng thấp (rau, dâu). Giới hạn ở dụng cụ cầm tay - không có thiết bị cơ giới hóa. Thích hợp cho các loại cây trồng thâm dụng lao động, có giá trị cao.
- Khoảng sáng gầm 3,0–3,5 m: Truy cập máy kéo nhỏ để trồng và thu hoạch. Mở ra nhiều lựa chọn về cây trồng và cơ giới hóa hơn. Chi phí kết cấu cao hơn khoảng 40–60% so với tiêu chuẩn gắn trên mặt đất cho mỗi kWp.
- Khoảng sáng gầm 4,5–5,0 m: Truy cập đầy đủ thiết bị nông nghiệp. Khoảng hở tiêu chuẩn của máy gặt đập liên hợp. Chi phí kết cấu cao hơn 80–120% so với tiêu chuẩn gắn trên mặt đất. Được sử dụng trong các hệ thống "chia sẻ năng lượng mặt trời" của Nhật Bản, trong đó việc duy trì toàn bộ sản xuất nông nghiệp là bắt buộc về mặt pháp lý.
Tỷ lệ tương đương đất đai (LER): tại sao việc sử dụng kép lại thắng
Tỷ lệ tương đương đất so sánh năng suất kết hợp của hệ thống nông nghiệp với các giải pháp thay thế sử dụng một lần. Nếu một khu đất nông nghiệp rộng 1 ha tạo ra 85% sản lượng mặt trời của trang trại năng lượng mặt trời chuyên dụng 1 ha VÀ 60% sản lượng cây trồng của 1 ha đất nông nghiệp chuyên dụng, thì LER = 0,85 + 0,60 = 1,45 - nghĩa là hệ thống nông nghiệp có năng suất đất cao hơn 45% so với sử dụng hai ha riêng biệt cho mỗi mục đích.
Giá trị LER được công bố cho các hệ thống nông điện được thiết kế tốt thường nằm trong khoảng từ 1,3–1,9. Đây là lập luận chính cho nông điện trong các thị trường hạn chế về đất đai và cho các chính phủ yêu cầu bảo tồn đất nông nghiệp.
Thị trường và quy định
Hệ thống "chia sẻ năng lượng mặt trời" của Nhật Bản là khung pháp lý phát triển nhất thế giới - yêu cầu năng suất nông nghiệp trên đất nông nghiệp phải được duy trì ở mức ≥80% so với mức trước khi lắp đặt (được đánh giá trong khoảng thời gian 3 năm). Pháp bắt buộc các bãi đậu xe sử dụng năng lượng mặt trời và hệ thống nông nghiệp trên các khu vực đỗ xe trên quy mô tối thiểu vào năm 2023. Hàn Quốc, Đức (tiêu chuẩn Agri-PV DIN SPEC 91434) và Úc đều có các đường ống dự án nông nghiệp đang hoạt động. Ở Trung Á và MENA - thị trường trọng điểm của Econo Solar - nông nghiệp còn non trẻ nhưng đang phát triển nhanh chóng do căng thẳng về nước và nhu cầu năng suất đất đai.