Ein Forscherteam der North Carolina State University, das mit organische Photovoltaikzelle (OPV) NextGen Nano, das Unternehmen NextGen Nano, hat gezeigt, wie das Hinzufügen von halbtransparenten organischen Solarzellen (OSCs) zu Gewächshäusern es Erzeugern ermöglicht, Strom zu erzeugen und gleichzeitig Salat anzubauen, wodurch der Energiebedarf des Gewächshauses gesenkt wird. Die Ergebnisse werden den Grundstein für die Stromerzeugung im nachhaltigen Gewächshausanbau legen.
Die Forschung, veröffentlicht in Zellberichte Physikalische Wissenschaft, fanden heraus, dass roter Salat in Gewächshäusern mit OSCs angebaut werden kann, die die Wellenlängen des Lichts herausfiltern, das zur Erzeugung von Sonnenenergie verwendet wird. Dies zeigt die Machbarkeit des Einsatzes von transparenten Solarmodulen in Gewächshäusern, um ihren hohen Strombedarf zu decken, ohne den Ernteertrag zu reduzieren.
Über einen Zeitraum von 30 Tagen wurden vier Salatgruppen unter verschiedenen hellen Farbzusammensetzungen unter Verwendung von OSC-Filtern gezüchtet. Dazu gehörte eine Kontrollgruppe, die einem vollen Spektrum von weißem Licht ausgesetzt war. Es wurde kein signifikanter Unterschied im Frischgewicht oder Chlorophyllgehalt zwischen der Kontrollgruppe und den Versuchsgruppen gefunden, was darauf hindeutet, dass das Entfernen der selektiven Teile des Lichtspektrums, die zur Stromerzeugung benötigt werden, das Wachstum der Kultur nicht beeinflusst. Die geernteten Wellenlängen könnten dann verwendet werden, um die energieintensiven Beleuchtungs-, Wärmemanagement- und Bewässerungssysteme zu betreiben, die für den Gewächshausanbau benötigt werden.
„Gewächshäuser werden für den Pflanzenanbau verwendet, weil sie den Ertrag in nicht-einheimischen Klimazonen drastisch steigern und gleichzeitig den Wasserverbrauch und den Pestizideinsatz im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft senken“, erklärt Doktor Carr Ho, Forscher bei NextGen Nano. „Aber Gewächshausverglasungen haben eine schlechte Wärmedämmung, daher müssen Heizungs- und Lüftungssysteme installiert werden, um optimale Bedingungen aufrechtzuerhalten. Zusammen mit zusätzlicher Beleuchtung führt dies zu einem hohen, nicht nachhaltigen Energieverbrauch.
„Mit dieser Forschung haben die Wissenschaftler der NCSU einen Weg für den Gewächshausanbau ohne den traditionell damit verbundenen hohen Energiebedarf gefunden“, fuhr Ho fort. „Durch die Verwendung von OSCs mit den richtigen optischen Beschichtungen und Designmerkmalen können Züchter die Lichtdurchlässigkeit, Stromerzeugung und thermische Belastung in einem Gewächshaus für eine hohe Produktivität bei niedrigem Energieverbrauch steuern.
Der Einsatz von DBR-Beschichtungen bietet nicht nur die Möglichkeit, die Stromerzeugung zu steigern, sondern kann auch zur Reduzierung der Überhitzung im Gewächshaus verwendet werden. Wir zeigen, dass für ein Gewächshaus in Sacramento, Kalifornien, die Anzahl der Stunden, in denen das Gewächshaus überhitzt, von 280 auf 82 Stunden reduziert werden kann, wenn OSCs mit einem DBR verwendet werden, der auf die Reflexion von NIR-Licht abgestimmt ist. Dies hat zwar keine großen Auswirkungen auf den Energiebedarf, soll aber die Pflanzenproduktion verbessern.
Schließlich konnte durch die Verwendung von OSC-Elektroden, die auch als Low-ε-Beschichtung fungieren können, die Heizlast des Gewächshauses deutlich reduziert werden. Die Kombination der beobachteten minimalen Auswirkungen auf die Pflanzenproduktivität zusammen mit der Stromerzeugung und dem verbesserten Wärmemanagement durch den Einsatz von ST-OSC legt nahe, dass die Integration von OSCs in Gewächshäuser eine vielversprechende Strategie ist, um eine umweltverträgliche, hochintensive treibhausbasierte Landwirtschaft zu erreichen.
„Weitere Forschung ist erforderlich, um OSCs zu entwickeln, die den Produktionsertrag in Gewächshäusern steigern können. Aber die von NextGen Nano unterstützte Forschung legt sicherlich nahe, dass die Integration von OSCs in den Gewächshausanbau eine vielversprechende Strategie ist, um eine nachhaltige, hochintensive gewächshausbasierte Landwirtschaft zu erreichen.“
Neben der Unterstützung für dieses Papier hat NextGen Nano ein patentiertes OPV-Gerät entwickelt, das in der nächsten Generation der Solarenergie verwendet werden kann. Diese Technologie besteht aus flexiblen, robusten und umweltfreundlichen Biopolymeren mit dem Ziel, die traditionellen spröden Solarzellen aus toxinschweren Metallen wie Bleiperowskiten zu ersetzen.
Der Beleuchtungsbedarf im Gewächshaus hängt von der geografischen Lage und der Kultur ab. Obwohl gezeigt wird, dass der Salat unter den ST-OSCs gut wächst, ist er als schattentolerante Kultur bekannt.7 Für Pflanzen mit höheren Beleuchtungsanforderungen können alternative ST-OSC-Gerätedesigns und aktive Schichten erforderlich sein. Der Standort des Gewächshauses bestimmt auch die tägliche Sonneneinstrahlung in das Gewächshaus sowie den Heiz- und Kühlbedarf des Raums. In diesem Abschnitt betrachten wir Überlegungen zum ST-OSC-Design, die sich auf die Pflanzenproduktion, die Stromerzeugung und die thermische Belastung der Anlage auswirken.
Das vollständige Forschungspapier ist auf den Zellberichten zugänglich Website . Weitere Informationen zu den anderen Produktentwicklungen von NextGen Nano finden Sie auf der Unternehmenswebsite http://nextgen-nano.co.uk/.