Un team di ricercatori della North Carolina State University, in collaborazione con cella fotovoltaica organica (OPV) NextGen Nano, ha dimostrato come l'aggiunta di celle solari organiche semitrasparenti (OSC) alle serre consenta ai coltivatori di generare elettricità e contemporaneamente coltivare lattuga, riducendo la domanda di energia serra. I risultati getteranno le basi per la produzione di energia nella coltivazione sostenibile in serra.
La ricerca, pubblicata in Cell Report Scienze fisiche, ha scoperto che la lattuga rossa può essere coltivata in serre con OSC che filtrano le lunghezze d'onda della luce utilizzate per generare energia solare. Ciò dimostra la fattibilità dell'utilizzo di pannelli solari trasparenti nelle serre per soddisfare le loro elevate esigenze di elettricità, senza ridurre la resa del raccolto.
In un periodo di 30 giorni, quattro gruppi di lattuga sono stati coltivati in diverse composizioni di colore chiaro utilizzando filtri OSC. Ciò includeva un gruppo di controllo esposto a uno spettro completo di luce bianca. Non è stata trovata alcuna differenza significativa nel contenuto di peso fresco o di clorofilla tra il gruppo di controllo e i gruppi sperimentali, suggerendo che la rimozione delle porzioni selettive dello spettro luminoso necessarie per generare elettricità non ha influenzato la crescita del raccolto. Le lunghezze d'onda raccolte potrebbero quindi essere utilizzate per alimentare l'illuminazione ad alta intensità energetica, la gestione termica e i sistemi di irrigazione necessari per la coltivazione in serra.
"Le serre vengono utilizzate per coltivare piante perché aumentano drasticamente la resa nei climi non autoctoni, riducendo al contempo il consumo di acqua e l'uso di pesticidi rispetto all'agricoltura convenzionale", ha spiegato il dottor Carr Ho, ricercatore presso NextGen Nano. “Ma i vetri delle serre hanno uno scarso isolamento termico, quindi è necessario installare sistemi di riscaldamento e ventilazione per mantenere le condizioni ottimali. Insieme all'illuminazione supplementare, questo porta a consumi energetici elevati e insostenibili.
"Con questa ricerca, gli scienziati dell'NCSU hanno trovato un modo per la coltivazione in serra senza le grandi richieste di energia tradizionalmente associate ad essa", ha continuato Ho. “Utilizzando gli OSC con i giusti rivestimenti ottici e le caratteristiche di progettazione, i coltivatori possono gestire la trasmissione della luce, la generazione di energia e i carichi termici in una serra per un'elevata produttività a bassi consumi energetici.
L'uso dei rivestimenti DBR non solo offre l'opportunità di aumentare la produzione di energia, ma può anche essere utilizzato per ridurre il surriscaldamento nella serra. Mostriamo che per una serra a Sacramento, in California, il numero di ore di surriscaldamento della serra può essere ridotto da 280 a 82 h quando si utilizzano OSC con un DBR sintonizzato per riflettere la luce NIR. Sebbene ciò non abbia un grande impatto sulla domanda di energia, si prevede che migliorerà la produzione agricola.
Infine, è stato dimostrato che l'utilizzo di elettrodi OSC che possono anche fungere da rivestimenti a basso ε riduce significativamente il carico di riscaldamento della serra. La combinazione dell'impatto minimo osservato sulla produttività degli impianti, insieme alla generazione di energia e al miglioramento della gestione termica con l'uso di ST-OSC, suggerisce che l'integrazione degli OSC con le serre è una strategia promettente per ottenere un'agricoltura basata su serre ad alta intensità e sostenibile dal punto di vista ambientale.
“Sono necessarie ulteriori ricerche per sviluppare OSC in grado di aumentare la resa produttiva nelle serre. Ma la ricerca supportata da NextGen Nano suggerisce certamente che l'integrazione degli OSC nella coltivazione in serra è una strategia promettente per ottenere un'agricoltura sostenibile e ad alta intensità basata su serra".
Oltre al supporto per questo documento, NextGen Nano ha sviluppato un dispositivo OPV brevettato che può essere utilizzato nella prossima generazione di energia solare. Questa tecnologia è composta da biopolimeri flessibili, robusti e rispettosi della terra con l'obiettivo di sostituire le tradizionali celle solari fragili realizzate con metalli pesanti di tossine, come le perovskiti di piombo.
La richiesta di illuminazione nella serra dipenderà dalla posizione geografica e dal raccolto. Sebbene la lattuga abbia dimostrato di crescere bene sotto gli ST-OSC, è nota per essere una coltura tollerante all'ombra.7 Per gli impianti che richiedono una maggiore richiesta di illuminazione, potrebbero essere necessari design alternativi di dispositivi ST-OSC e strati attivi. L'ubicazione della serra determinerà anche la radiazione solare giornaliera che entra nella serra, nonché le esigenze di riscaldamento e raffreddamento dello spazio. In questa sezione, consideriamo le considerazioni di progettazione ST-OSC che influiscono sulla produzione agricola, sulla generazione di elettricità e sul carico termico della struttura.
Il documento di ricerca completo è accessibile su Cell Reports sito web. Per ulteriori informazioni sugli altri sviluppi dei prodotti NextGen Nano, visitare il sito Web dell'azienda http://nextgen-nano.co.uk/.