Limitações de água e terra estão levando a uma demanda maior por estufas hidropônicas. Esses lugares usam energia solar para desenvolver plantações em um ambiente fechado, mas também há aspectos diferentes nisso. O estudo discutido hoje destacará os aspectos ambientais e energéticos do uso de energia fotovoltaica para estufas hidropônicas na província de Alborz.
Estufas são populares em todo o mundo devido ao seu desempenho e potencial para se adaptar a diferentes ambientes. Assim, devido às condições geográficas e ao clima árido e semiárido, o setor agrícola no Irã está se concentrando no desenvolvimento de estufas.
Em termos de uso de água e fertilizantes, estufas hidropônicas são mais eficientes do que as tradicionais. Além disso, elas produzem rendimentos mais altos, mas têm consumo de energia e custos relativamente maiores. Isso representa um grande problema de cultivo durante as estações frias.
Nas últimas décadas, várias estufas têm utilizado fontes de energia não renováveis como o gás natural e o petróleo, levando à poluição ambiental com GEE, aquecimento global, e mudanças climáticas.
Estudo Fotovoltaico para Estufas Hidropônicas
Pesquisadores coletaram dados de uma estufa de 3000 m2. A entrada total de energia nessa estufa foi de cerca de 8652.20 GJ ha−1, com gás natural e eletricidade sendo as principais fontes. A produtividade energética calculada foi de 0.20 kg GJ−1, e a razão de energia foi de 0.03.
O processo de Avaliação do ciclo de vida Os resultados da ACV mostram que a o maior impacto foi do gás natural. As células solares melhoram os indicadores ambientais e a energia na estufa. Para a estufa discutida na pesquisa, cerca de São necessários 120 m2 de células solares que cubram apenas 4% do telhado.
Objetivos do Estudo Fotovoltaica para Estufas Hidropônicas
Esta pesquisa aqui discutida tem os seguintes objetivos:
- Investigando – Efeitos ambientais e padrões de uso de energia da produção de morango em estufa durante o período de cultivo.
- Simulação de sistema fotovoltaico – Calcular a quantidade precisa de superfície necessária para os painéis fornecerem eletricidade para a estufa hidropônica. Também considera a inclinação apropriada dos painéis para o mesmo.
- Análise comparativa – Analisar cargas ambientais em uma estufa hidropônica com e sem sistema solar.
- A água Produtividade Índice também foi investigado no estudo.
- Radiação total em superfície inclinada: A radiação média diária mensal recebida nas superfícies inclinadas dos painéis foi calculada. Foi feito considerando a radiação recebida em uma superfície horizontal.
Detalhes da região estudada
Uma estufa hidropônica comercial de morangos de 3000 m2 foi o local de estudo para esta pesquisa. Fica na província de Alborz, no Irã. Lá, a precipitação média anual é de cerca de 252 mm e a temperatura média registrada é de 14.1° C, anualmente. Além disso, este local está localizado a 1300 m acima do nível do mar, o que ajuda a descrever as perspectivas internas da estufa para o estudo.
Parâmetros de uso de energia considerados
Por meio de visitas diretas e medições de insumos consumidos, a coleta de dados para o período de produção do ano de 2021-2022 tornou-se possível. Usando coeficientes de energia de entrada, foram calculados os insumos de energia total. A seguir estão os insumos físicos e seus equivalentes de energia do local do estudo.
- Trabalho humano:O consumo de energia foi calculado pelas horas de trabalho durante o período de produção, juntamente com os coeficientes relevantes.
- Equipamento Estacionário: O valor energético foi calculado considerando o peso do equipamento. Os pesquisadores usaram o valor médio por quilograma e o ano para equipamentos estacionários (8–10 MJ kg−1 ano−1).
- Eletricidade e Gás Natural: O medidor de fase e o medidor de gás ajudaram a registrar o consumo total de ambas as fontes para equipamentos estacionários, iluminação e outros propósitos durante o período de produção. Então, usando coeficientes de energia, os pesquisadores calcularam o equivalente de energia.
- Fertilizantes químicos e biocidas: Devido ao seu poder de controle de doenças, a demanda por esses materiais aumentou. Foram calculados os fertilizantes químicos totais (nutrientes primários e secundários) e biocidas (fungicidas e inseticidas) usados durante o período de produção com seu equivalente energético.
- Nylon: É usado para cobrir a estufa por fora e também é usado por dentro. Seu peso e vida útil foram usados para calcular a quantidade de nylon registrada (peso) para o período de produção. 60 MJ kg-1 foi o coeficiente de energia usado para o cálculo.
- saída: Era a quantidade de morango produzida cujo peso era considerado junto com o coeficiente de energia. Isso ajudava no cálculo da quantidade de energia de saída.
- Índice de produtividade da água: Quantidade de água utilizada por metro cúbico para produzir 5 kg de morango hidropônico.
Destaques: Padrão de uso de energia em estufas hidropônicas no Iraque
- Trabalho humano: 19,200 h ha−1
- Gás natural: 119,693 m3 ha−1
- Fertilizantes Nitrogênicos: 423 kg ha−1
- Energia total necessária (para diferentes processos dentro da estufa): 8652 GJ ha−1 (para todo o período de produção)
- Rendimento médio de morango: 120 toneladas ha−1
- Energia Total de Saída: 228 GJ ha−1
- Eletricidade Total Consumida: 159,300 MJ (44,250 kWh)
- Consumo de energia de entrada (Gás Natural): 5925 GJ ha−1 (68% do total de energia de entrada).
- Eletricidade: Cada 10 unidades geradas pelos painéis requerem 1 unidade de energia, 1 MJ (PV) = 0.1 MJ
Índices de Energia (produção de morango) sob novas condições são mostrados na última coluna da tabela abaixo. É evidente que a PV melhora todos os índices de energia na estufa. A taxa de energia na nova situação era de 0.033, o que aumenta com o uso de painéis solares.
| Índices de energia | Monitoradas | Sem Sistema Solar | Com Sistema Solar |
| ER | - | 0.026 | 0.033 |
| NE | GJ há-1 | -8424.2 | -6717.6 |
| EP | kg GJ-1 | 13.87 | 17.28 |
| WP | quilogramas m-3 | 5.13 | 5.13 |
Causas para o uso de energia não renovável em estufas
No Irã, os preços dos combustíveis são baixos, o que leva ao seu uso ineficiente em diferentes indústrias. Esta é a principal causa do alto consumo de gás natural. Os sistemas de aquecimento na estufa investigada são de baixa eficiência. Não é baseado em um sistema de aquecimento inteligente e, portanto, desperdiça grandes quantidades de gás. Geralmente, o aquecimento da estufa é responsável por um enorme consumo de energia.
Soluções propostas
- Para reduzir o consumo de gás natural: Sistemas de aquecimento de alta eficiência devem ser usados. Eles também produzirão menos poluição.
- Para reduzir o consumo de energia: É recomendado usar uma tela térmica. Ao usar essas telas, o espaço ao redor das plantas dentro da estufa será reduzido. Assim, menos espaço precisa ser aquecido à noite. Também otimiza o uso de combustível.
- Para evitar perda de calor e melhorar o isolamento: Materiais com baixa transferência de calor devem ser usados na construção de paredes e telhados de estufas.
- Para fornecer o aquecimento necessário: Coletores solares térmicos são recomendados devido à sua tecnologia de baixo custo. Além disso, um coletor de ar do solo é a melhor e mais econômica maneira de aquecer a estufa.
- Para armazenar calor:Com materiais de mudança de fase é fácil armazenar calor para a noite.
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Simulação de Sistema Solar no Telhado de Estufa
Conforme mencionado anteriormente, é possível substituir a eletricidade total usada na produção de morangos por recursos renováveis. De acordo com o valor do consumo de eletricidade (44,250 kWh), a área de superfície do painel necessária pode ser calculada. Isso é feito usando radiação extraterrestre (Ho) e radiação total (H) em uma superfície horizontal, juntamente com as equações mencionadas.
Os resultados:
- Radiação total média diária (superfície horizontal): 10.9 MJ m−2
- Radiação (H) observada em junho: cerca de 29 MJ m−2 (máximo)
- Radiação (H) observada em dezembro: cerca de 9 MJ m−2 (mais baixo)
- Índice de clareza médio anual: 63%
- Depleção da radiação solar: 27%
Declive necessário
A última coluna mostra a incidência média mensal de radiação por m2 da célula solar instalada na estufa estudada. Estava em uma inclinação de 35°48ˊ para o sul. De acordo com isso. 7736 MJ de energia solar podem ser recebidos anualmente por metro quadrado da superfície do painel. Com essa inclinação, há uma chance de aumentando a radiação solar recebida em 12%.
Geração da eletricidade
Como afirma o estudo, o consumo anual de eletricidade é de 159,300 MJ. Para produzir essa quantidade, são necessários aprox. 120 m2 de superfície de painel, o que corresponde a 4% do telhado. Isso sem comprometer a iluminação e o aquecimento dentro da estufa.
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Vários estudos anteriores
Pesquisadores tentaram diferentes métodos e maneiras de investigar o desempenho energético de estufas equipadas com células PV. Suas conclusões são compartilhadas abaixo:
Estudo # 1
No Japão, pesquisadores observaram como o sombreamento de matrizes fotovoltaicas afeta o crescimento de cebolas galesas. 2 tipos de arranjos de painéis solares foram testados. Eles descobriram que a matriz de tabuleiro de xadrez disposta não apresentou impacto significativo no crescimento da cultura. Enquanto o arranjo em linha reta teve um impacto positivo e supriu as necessidades de energia da estufa por meio de recursos renováveis.
Estudo # 2
Aqui, o pesquisadores tentaram encontrar o impacto de estufas integradas a painéis solares na produção de culturas. Os resultados foram positivos, demonstrando que os painéis fotovoltaicos não apenas fornecem a quantidade necessária de eletricidade, mas também reduzem os requisitos de irrigação para as culturas.
Estudo # 3
Esta pesquisa focada no crescimento de plantas e eficiência na produção de energia de painéis de telhado. Dois tipos de modos de instalação foram investigados: instalação fixa e rastreamento solar. Os resultados mostraram que o modo de rastreamento solar gerou mais eletricidade do que o modo fixo. Assim, ele pode fornecer uma boa quantidade de energia para a estufa.
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Estudo # 4
Outro estudo do Canadá estudou o efeito de PVs semitransparentes instalados em telhados de estufas. Os resultados mostraram que os painéis solares causaram sombreamento interno, mas também forneceram 43.7% da eletricidade necessária para a estufa para fins de iluminação.
Estudo # 5
Em uma pesquisa, pesquisadores usaram coletores de ar solar com material de mudança de fase (PCM) para aquecimento da estufa. Eles concluíram que a temperatura interna das estufas permaneceu mais alta, especialmente durante a noite. Era mais do que um sistema de aquecimento solar convencional.
Estudo # 6
Em Shiraz, Irã, condições termoambientais de uma estufa equipada com painéis solares foram estudados. Cerca de 14 configurações diferentes de matriz foram examinadas. Concluiu-se que não houve efeito significativo na iluminação da estufa mesmo quando 19.2% do telhado foi coberto com painéis. Na verdade, diminuiu o consumo de gás natural e a emissão de CO2 em grande medida.
Então, várias pesquisas estudando tecnologias solares focaram em um aspecto, como elas funcionam e seu impacto em estufas. Na maioria das vezes, os impactos ambientais dessas tecnologias não receberam muita atenção nesses estudos.
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Conclusão
O objetivo deste trabalho de pesquisa foi avaliar o padrão de consumo de energia juntamente com uma análise ambiental do local estudado. A estufa hidropônica na província de Alborz mostrou a viabilidade de usar células fotovoltaicas para gerar eletricidade, em vez de recursos não renováveis. Então, de acordo com os resultados derivados do estudo atual, os pesquisadores tiraram as seguintes conclusões.
A maior parte da energia de entrada foi derivada de gás natural e eletricidade.
- Os índices de energia mostram que a produção de morango em estufa hidropônica consome muita energia.
- Os resultados do LCA mostram que os danos ao ecossistema e à saúde humana são devidos a equipamentos estacionários e eletricidade. Além disso, o gás natural é o maior contribuidor na categoria de danos aos recursos.
- Os resultados de viabilidade do uso de energia solar na estufa mostraram que cerca de 120 m2s de células solares podem fornecer a quantidade necessária de eletricidade. Além disso, instalá-las no telhado não prejudicará a iluminação dentro da estufa.
- Com sistemas fotovoltaicos em estufas, o consumo de energia e os efeitos ambientais adversos podem ser reduzidos completamente.
Então, com tecnologias PV e técnicas de otimização de energia, estufas hidropônicas podem se tornar mais eficientes em termos de energia. Assim, esta pesquisa para demonstrar a eficácia da energia fotovoltaica para estufas hidropônicas parece impactante.
fonte: Usando células fotovoltaicas para uma estufa hidropônica comercial
