Mô hình nông nghiệp dưới tấm pin năng lượng Mặt trời

Các nhà khoa học chứng minh phương pháp trồng trọt này có thể giúp sản xuất cả thực phẩm và năng lượng sạch.

Một góc khu vườn trên tầng thượng Đại học Bang Colorado. Ảnh: Matt Simon

Tọa lạc trên tầng thượng Đại học Bang Colorado, một khu vườn sum suê trái ngọt đang vươn mình bên dưới một dãy dài các tấm pin mặt trời – một hình ảnh thật kỳ lạ. Bấy giờ là cuối tháng 10, đã 9 giờ sáng, nhiệt độ âm 10C, gió thổi tốc mang theo hơi lạnh cắt da, cắt thịt. Các nhà nghiên cứu đã thu hoạch rất nhiều loại cây trồng bên dưới các tấm pin, tổng cộng được 600 pound cho cả mùa. Các loại thực phẩm khác như rau xanh – xà lách rocket, rau diếp, cải xoăn, củ cải Thụy Sĩ – vẫn sinh trưởng, được che mát khỏi ánh nắng gay gắt nơi đây.

Đây không phải là một sân thượng xanh mát thông thường, mà là một phòng thí nghiệm ngoài trời rộng lớn, được lắp đặt đủ loại cảm biến. Từ đầu, phó giáo sư Jennifer Bousselot có ý định biến hệ thống điện mặt trời trở thành một khu rừng trên nóc tòa nhà. Hệt như bóng râm của những cây cao chót vót giúp bảo vệ bụi cây khỏi sự gay gắt của ánh nắng mặt trời, các tấm pin mặt trời cũng có thể hỗ trợ thực vật phát triển. Xa hơn, bà mong muốn thử nghiệm một phương pháp giúp trồng thêm lương thực trong bối cảnh dân số đô thị ngày càng tăng, mà vẫn tiết kiệm nước, tạo ra năng lượng sạch.

“Những yếu tố thiết yếu mà một xã hội cần có là thực phẩm, năng lượng và nước”, PGS. Bousselot chỉ ra.” Với hệ thống điện mặt trời trên nóc, “bạn vẫn có thể sản xuất – bởi đây là một không gian trống chưa được tận dụng – hai trong số này (thực phẩm, năng lượng) và bảo toàn thứ còn lại (nước)”.

Kết quả thật đáng ngạc nhiên. Dữ liệu ban đầu cho thấy rằng trồng trọt dưới các tấm pin năng lượng sử dụng lượng nước chỉ bằng một phần ba so với trồng trọt trên tầng thượng thông thường; vì cây trồng được che bóng nên ít bốc hơi nước hơn (Các cảm biến dưới các tấm pin mặt trời đo nhiệt độ không khí cũng như nhiệt độ và độ ẩm của đất). Ngay cả khi nước bay hơi, các tấm pin mặt trời cũng được hưởng lợi. Các tấm pin sẽ giảm hiệu quả hoạt động khi chúng nóng lên. Về cơ bản, cây cối và đất đang “đổ mồ hôi” hơi nước lên các tấm pin, làm mát chúng và giữ cho chúng không bị quá nóng. Hệ thống này còn hoạt động hiệu quả hơn nữa có thể còn hiệu quả hơn nữa nếu nó có khả năng trữ nước mưa, chẳng hạn như trong các bể chứa.

Nhờ được phủ lên một lớp xanh mát, ánh nắng sẽ không thể chiếu trực tiếp xuống tòa nhà, giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của tòa nhà lên khoảng 10%. Nói cách khác, bạn không cần phải bật điều hòa cả ngày để làm mát phòng học trong đợt nắng nóng. (Mặc dù chỉ có tầng trên cùng được hưởng lợi, nếu đó là một tòa nhà nhiều tầng.) Đây là một ưu điểm lớn trong bối cảnh chúng ta đang phải chịu hệ quả từ hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, trong đó nhiệt độ thành phố có thể tăng cao hơn nhiều so với các khu vực nông thôn xung quanh, nơi có nhiều cây xanh để thoát nước và làm mát không khí. Việc trồng trọt dưới hệ thống pin năng lượng mặt trời trên tầng thượng sẽ giúp ta xanh hóa thành phố. Càng có nhiều không gian xanh trong các đô thị, chúng ta càng có thể hạ nhiệt độ xuống.

Tất nhiên mô hình trồng này sẽ khiến cây trồng tiếp xúc với nhiều gió hơn và phải chịu đựng nhiệt độ cao trên nóc nhà nhưng những thí nghiệm ban đầu cho thấy chúng vẫn có thể sinh trưởng mạnh mẽ phần lớn nhờ vào bóng râm của các tấm pin. “Năm ngoái, chúng tôi phát hiện ra rằng ớt đậu trái rất nhiều trên tầng thượng, khi ấy là mùa thu hoạch đầu tiên của chúng tôi”, bà Bousselot cho biết. “Chúng có hệ thống rễ yếu và không hợp với điều kiện dinh dưỡng cao. Nhưng chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ cao.” 

Mở rộng quy mô

Các nhà khoa học hiện đang thử nghiệm trồng các loại cây cỏ khác nhưng không dưới các tấm pin mặt trời. Việc trồng đa dạng các loài thực vật sẽ giúp khu vườn rực rỡ màu sắc, thu hút các loại côn trùng thụ phấn khác nhau, như ong và chim ruồi. Bướm đêm có xu hướng bay về phía những bông hoa màu trắng vì chúng dễ quan sát thấy màu này nhất vào ban đêm và cuối cùng trở thành loài thụ phấn hiệu quả hơn ta hằng tưởng.

Hai người đang thu hoạch đậu tại Jack’s Solar Garden ở Longmont, Colorado. Trang trại năng lượng mặt trời cộng đồng rộng 5 mẫu Anh là dự án nghiên cứu trồng trọt dưới tấm pin năng lượng mặt trời lớn nhất ở Hoa Kỳ. Ảnh: Werner Slocum / NREL

Do đó, nhóm nghiên cứu cho rằng mục tiêu của hệ thống trồng trọt dưới các tấm pin mặt trời nơi tầng thượng không chỉ là tạo ra điện và cung cấp lương thực cho người dân đô thị mà còn củng cố hệ sinh thái bản địa. Không khó để chúng ta thấy những con diều hâu khổng lồ đang đậu trên mép tầng cao nhất. “Thật đẹp!” bà Bousselot thì thầm. “Nơi đây nằm dọc theo sông South Platte, con sông chảy qua Denver. Với vị trí này, chúng tôi có thể thử nghiệm xem liệu tầng thượng xanh có thể trở thành hòn đảo sinh thái trong không gian đô thị hay không.”

Nói cách khác: Thay vì là những không gian rộng lớn, im lìm, chứa đầy các tấm pin vô hồn; những nóc nhà xanh tươi có thể đóng vai trò là hành lang, giúp các loài chim chóc và côn trùng thụ phấn di chuyển quanh thành phố. Khi đó, hệ thống nông nghiệp trên sân thượng có thể hỗ trợ tất cả các hệ thống thực phẩm, hệ thống năng lượng và hệ sinh thái cùng một lúc.

Nghiên cứu này đóng vai trò thử nghiệm quan trọng trong bối cảnh nhiều người đang có ý tưởng trồng cây bên dưới những tấm pin. Cũng tại Colorado, ngay gần đường Hover phía Nam Longmont, các loại thảo mộc thơm thoang thoảng, bụi mọng, rau và cỏ khô mọc đầy giữa các dãy tấm pin mặt trời trên cao. Jack’s Solar Garden là cơ sở nghiên cứu hoạt động thương mại lớn nhất ở Hoa Kỳ về lĩnh vực trồng trọt mới này, một lĩnh vực theo họ là tích hợp nông nghiệp với năng lượng mặt trời. 

Chỉ với diện tích vài mẫu Anh, đơn vị này trồng nông sản địa phương, sản xuất đủ điện để cung cấp năng lượng cho 300 ngôi nhà và là nơi tiếp đón các nhà nghiên cứu từ nhiều tổ chức riêng biệt đến tham khảo.

Nếu được mở rộng, đây sẽ là một mô hình trồng trọt hấp dẫn ở các vùng đất nông nghiệp khô cằn trên khắp Colorado và sa mạc Tây Nam. Người dân luôn trong tình trạng thiếu nước và ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy hoạt động trồng trọt dưới những tấm pin có thể giúp khắc phục điều này. Một nghiên cứu năm 2019 do nhà nghiên cứu Greg Barron-Gafford thuộc Đại học Arizona thực hiện đã phát hiện ra rằng ớt jalapeños và cà chua hấp thụ nước hiệu quả hơn dưới bóng bảo vệ của các tấm pin năng lượng.

Một số nhà nghiên cứu bày tỏ hy vọng rằng các cánh đồng cỏ khô cũng có thể sớm triển khai phương pháp này; bởi ngoài việc che nắng cho cây, các tấm pin còn có thể cung cấp nơi trú ẩn cho gia súc khỏi ánh nắng gay gắt ban trưa.

Hoàng Nhi – Hà Thi tổng hợp

Theo Wired, EnergyNews

(Bài đăng ở báo Khoa học và Phát triển số 45)

Tác giả