Điện nông nghiệp giải quyết 2 nhu cầu quan trọng. Ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng tái tạo cần thiết, giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu đồng thời đáp ứng nhu cầu điện năng toàn cầu.

 Các module pin điện mặt trời trên cánh đồng đậu nành. Ảnh PV-Magazine-USA

Những loại cây lương thực thực phẩm phù hợp, được trồng dưới các module năng lượng mặt trời sẽ giảm thiểu tiêu hao nước, có năng suất cao hơn để cung cấp cho nhu cầu dân số toàn cầu đang phát triển, được dự đoán sẽ tăng lên gần 10 tỷ người vào năm 2050, theo Liên Hợp Quốc.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Cornell đã nghiên cứu kỹ lưỡng mô hình điện mặt trời, kết hợp nông nghiệp nhằm tìm hiểu xem, xây dựng điện mặt trời và hoạt động canh tác nông nghiệp trên cùng vị trí đất đai có ​​sự đánh đổi lớn nào giữa sản xuất lương thực và cung cấp năng lượng hay không? Hiệu quả của việc trồng trọt dưới các module điện mặt trời có ảnh hưởng đến năng suất cây trồng hay không và mức độ ảnh hưởng với những loại cây cụ thể.

Nghiên cứu sơ bộ ban đầu của nhóm nhà khoa học cho thấy, phương thức sản xuất năng lượng mặt trời và canh tác cây trồng không chỉ có thể tồn tại song song, mà việc triển khai cùng vị trí đã cải thiện rất lớn vi khí hậu của các trang trại và nhiệt độ bề mặt của các module năng lượng mặt trời, giúp tăng năng suất sản xuất điện và có thể duy trì hiệu quả cao trong vòng đời của các tấm bảng điện. Đồng thời, việc triển khai các module điện mặt trời trên một độ cao phù hợp có tác dụng giảm nước tưới tiêu, giảm sự phá hoại của thời tiết đồng thời ổn định năng suất cây trồng.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình vi khí hậu động lực học chất lỏng điện toán (CFD), được đánh giá dựa trên dữ liệu thực nghiệm để điều tra tác động của chiều cao tấm pin điện, độ phản xạ ánh sáng (albedo) và lượng nước bị bốc hơi (thoát hơi nước) trên một vị trí lắp đặt các module pin điện mặt trời (PV). Kết quả sơ bộ của nghiên cứu được công bố trong một bài báo đăng trên tạp chí Năng lượng ứng dụng.

Henry Williams, nghiên cứu sinh TS khoa kỹ thuật thuộc Đại học Cornell, tác giả chính của bài báo khoa học trong cuộc phỏng vấn với PV-Magazine-USA: “Lần đầu tiên, trên phương diện vật lý ứng dụng, chúng tôi có được một công cụ dựa để ước tính chi phí và lợi ích đạt được của phương án lắp đặt các tấm pin mặt trời và nuôi trồng cây nông nghiệp thương mại từ góc độ tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và tuổi thọ của các tấm pin điện mặt trời”.

Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một mô hình trình diễn một cơ sở nông nghiệp, trồng đậu nành dưới các module năng lượng mặt trời, được lắp đặt cách mặt đất khoảng 13 feet (3,9 mét). Phương án này giúp giảm nhiệt độ trên bề mặt của module năng lượng mặt trời lên tới 50 F (10 C), so với những trang trại năng lượng mặt trời, lắp đặt chỉ trên đất trống với độ cao 1,6 feet (0,5 mét).

Các nhà nghiên cứu lưu ý, các module tổn thất hiệu quả sản xuất từ 0,1 đến 0,5% mỗi độ trên 77oC, có nghĩa là hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời lớn hơn khi các tấm pin mặt trời được gắn trên cây trồng so với mặt đất lộ thiên. Đồng thời nhiệt độ hoạt động giảm trong nhiều năm làm tăng tuổi thọ của module điện mặt, cho thấy tiềm năng kinh tế lâu dài của các hệ thống điện nông nghiệp.

Tác giả chính của nghiên cứu Max Zhang, GS tại Trường Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không vũ trụ Sibley thuộc Đại học Cornell giải thích: “Có tiềm năng ứng dụng cao cho các hệ thống điện nông nghiệp, khi canh tác nông nghiệp và các tấm pin mặt trời cùng song song tồn tại, cung cấp khả năng làm mát thụ động tăng lên trên cơ sở chiều cao của tấm pin cao, do không khí thoáng hơn và tạo được nhiều gió làm mát hơn, tỷ lệ thoát hơi nước cao hơn so với những trang trại năng lượng mặt trời truyền thống. Chúng tôi có thể vừa tạo ra điện năng và bảo tồn đất nông nghiệp nhờ các hệ thống điện nông nghiệp.”

Ngoài những lợi ích được ghi nhận, sự kết hợp năng lượng và cây trồng sẽ giải quyết những vấn đề về sử dụng đất mà các nhà phát triển năng lượng mặt trời và các trang trại nông nghiệp quy mô lớn phải đối mặt. Theo một nghiên cứu trước đây của nhóm GS Zhang, khoảng 40% công suất trang trại năng lượng mặt trời quy mô phân phối cho người dùng đã phát triển trên đất nông nghiệp ở bang New York, đồng thời có khoảng 84% đất được coi là phù hợp để phát triển năng lượng mặt trời quy mô phân phối cho người dùng cuối cùng là đất nông nghiệp.

Ông Williams phân tích: “Khi giảm nhiệt độ hoạt động của tấm pin mặt trời, đồng thời có thể tăng hiệu suất và thời gian khai thác của các module năng lượng mặt trời. Mô hình điện nông nghiêp cũng giúp người nông dân sản xuất lương thực với hiệu suất cao, tiết kiệm điện, nước cho cây trồng.”

Theo Viện Tài nguyên Thế giới, với nhu cầu lương thực toàn cầu dự kiến ​​sẽ tăng 50% vào năm 2050 và yêu cầu cầu giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, điện nông nghiệp sẽ mang lại nhiều lợi ích cho năng lượng tái tạo và nhà nông.

GS Zhang cho biết: “Các hệ thống điện nông nghiệp sẽ mang nhiều lợi ích cho các vùng khí hậu nóng và khô cằn. Nghiên cứu này đang thực hiện một bước hướng tới nghiên cứu khả năng phát triển điện nông nghiệp ở vùng khí hậu khắc nghiệt vùng Đông Bắc Mỹ nhằm giảm bớt sự cạnh tranh sử dụng đất giữa nông lâm nghiệp và điện mặt trời.”