Рис и солнечные панели на одном поле: японское исследование раскрывает оптимальный угол наклона модулей для урожайности и выработки энергии

Группа учёных из Токийского университета и Международного института риса разработала систему для одновремённой оценки урожайности риса и выработанной электроэнергии на рисовом поле, оборудованном агрофотовольтайкой. В моделированиях более вертикальное наклонение панелей к вертикали увеличивает свет, доступный растениям, и вероятность достижения целевых урожаев, при этом приходится отказываться от части энергопроизводства.

Исследование, представленное Токийским университетом и опубликованное в журнале Field Crops Research, затрагивает конкретную задачу: использование одной и той же площади как для возделывания риса, так и для генерации энергии требует распределить свет между двумя видами хозяйственной деятельности, которым он необходим.

Рис под панелями может терять урожайность и качество

Предыдущее исследование той же группы, проведённое в течение шести лет на японском рисовом поле, зафиксировало среднее снижение урожая на 23%. Производство под панелями составило 6,5 тонны на гектар, против 8,5 тонн на гектар без модулей.

Затенение ограничивало биомассу и число колосьев — соцветий, на которых формируются зерна. Появились и проблемы качества: больше зерен с темными и белёсими участками, дефект, называемый меловидностью, и меньшая выхода цельного риса после обработки.

Эти результаты относятся к той установке и изученным условиям. Они, однако, показывают, почему при проектировании агрофотовольтаики на рисовых полях считать только киловатт-часов упускает важную часть баланса.

Три модели и тридцать лет метеоданных

Новый метод объединяет три инструмента: один реконструирует освещение, достигающее растения, ORYZA моделирует рост и урожай риса, PVsyst оценивает производство фотоэлектрической энергии. Так можно оценить, как изменение положения панелей влияет на обе продукции.

Экспериментальная площадка находится в Чикусэ, префектура Ибараки, где панели занимают 27% площади по проектной поверхности. После сопоставления с полевыми измерениями учёные использовали метеоданные за период 1994–2023 гг., чтобы исследовать поведение системы в разные годы.

Первый научный отчет о работе, представленный на заседании Японского общества наук о культивировании, приводит в себя смоделированные урожаи в диапазоне от 66% до 94% по отношению к обычному. Целью считалось сохранить как минимум 80% урожая, получаемого без панелей, в соответствии с японскими требованиями. Изменчивость погоды делает анализ только по среднему недостаточным.

Насколько меняется результат при наклоне панелей

В исходной конфигурации средняя ожидаемая урожайность составляла 82% по отношению к обычной, но вероятность снижения ниже цели — 26%. При увеличении наклона на 7 градусов ближе к вертикали по сравнению с начальной конфигурацией вероятность достижения порога возросла до 80%, при этом общие годовые доходы уменьшились примерно на 0,1%.

При добавлении ещё 30 градусов вероятность достигала 90%, урожай риса увеличивался на 4,2%, а производство электроэнергии снижалось на 3,2%. Общие доходы снижались на 2,7%. При дополнительном наклоне на 53 градуса вероятность достигала 95%. В этом случае урожай риса увеличивался на 10,3%, а выпуск электроэнергии снижался на 9,4% и доходы на 8%.

Больше света для растений, следовательно, означает большую вероятность сохранить урожай. Но постепенное наклонение панелей приводит к возрастающим компромиссам в энергетическом и экономическом плане. Процентные значения описывают смоделированные сценарии для изученной системы. Доходы, учитывающие продажи риса и электроэнергии, также зависят от принятых экономических предположений.

По мнению учёных, метод может служить для оценки размеров и плотности панелей, климата и характеристик выращиваемых сортов. Такая система позволила бы проектировать установки с учётом аграрных потребностей ещё до монтажа модулей. Чтобы применить её к итальянским рисовым полям, потребовались бы локальные данные и полевые проверки. Между тем из Японии поступает инструмент для решения одной из самых деликатных задач агрофотовольтаики: производить электроэнергию, не жертвуя урожаем, который растёт под панелями.