КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-49-01061
НазваниеИИ и агривольтаика - путь к устойчивому и прибыльному сельскому хозяйству
Руководитель Локтионов Егор Юрьевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №103 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии
Ключевые слова борьба с голодом, устойчивые сообщества, доступная и чистая энергия, ответственное производство и потребление, достойная работа и экономический рост
Код ГРНТИ44.41.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
Бурное развитие солнечной энергетики в мире (в 2024 году ожидается ввод ок. 600 ГВт фотоэлектрической генерации) все чаще поднимает вопрос о выделении земельных участков (2-4 га/МВт) для создания солнечных электростанций. Решением этой проблемы является совместное использование поверхностей как для выработки энергии, так и для других видов экономической деятельности. Агровольтаика (AВ) быстро набирает популярность в последние годы, поскольку ее внедрение может значительно увеличить доход с единицы площади земли при совместном использовании для выращивания сельскохозяйственных культур и производства энергии. Главным преимуществом такого тандема является дополнительный доход, получаемый от выработки энергии. Главной проблемой является снижение урожайности многих культур из-за затенения и изменения режима влажности почвы. Таким образом, AВ обладает значительным потенциалом для повышения экономической эффективности землепользования, особенно в отдаленных районах и экстремальных климатических зонах. До сих пор не проведено исследований, какие фотоэлектрические технологии дают наилучшие результаты для АВ, нет доступного программного инструмента для прогнозирования возможных выгод внедрения различных вариантов АВ. Кроме того, использование вырабатываемой энергии для удовлетворения различных энергетических потребностей ферм, включая питание автономных агро-роботов и транспорта, поддержание искусственной среды для растений, гидропонику, парники, теплицы, коровники, питание холодильных систем для консервирования и систем переработки сельскохозяйственной продукции, для аквакультуры, поддержание окружающей среды для получения водорода из водорослей, становится все более актуальным с точки зрения целей устойчивого развития (ЦУР). Этот проект предлагается для изучения возможностей технической реализации различных типов фотоэлектрических технологий (моно-PERC, мультикристаллический кремний, двухсторонние, CdTe, CIGS, перовскиты) для АВ, что никогда ранее не делалось, и для интенсификации сельского хозяйства. Вырабатываемую энергию предлагается использовать для вышеуказанных целей. Такие исследования соответствуют глобальным тенденциям и непосредственно направлены на достижение ЦУР 2, 7, 8, 11, 12, 13 и 14.
В течение первого года реализации проекта будут рассмотрены концепции применения АВ с использованием различных типов фотоэлектрических технологий для обеспечения энергией и их монтажных конструкций в растениеводстве, аквакультуре, животноводстве и лесоводстве. В первую очередь будут определены узкие места, связанные с потреблением энергии (во всех ее формах), затратами ручного труда, возможностями увеличения добавленной стоимости производства, а также выбросами парниковых газов.
В течение второго года наиболее перспективные и недостаточно изученные технологии, выявленные в ходе исследования концепций использования AВ, будут тщательно рассмотрены и протестированы в лабораторных условиях с последующим практическим внедрением. Цель внедрения этих технологий - сделать фермы самодостаточными, в том числе с нулевым потреблением энергии, материалов и выбросами углекислого газа, с использованием наиболее подходящей фотоэлектрической технологии. Предполагается, что они включают улавливание парниковых газов и увеличение выхода биомассы при фотосинтезе, обеспечение энергией построек, поддержание аквакультуры и производство водорода водорослями, стимулируемое с помощью AВ-энергии.
В течение третьего года практическая экспериментальная работа с различными фотоэлектрическими технологиями для применения будет продолжена для получения дополнительных результатов на различных установках. Используя результаты экспериментов, разрабатываются инструменты на основе продвинутых алгоритмов для прогнозирования выгод агровольтаики для различных типов фотоэлектрических технологий и установок. Также предполагается рассмотреть включение производство водорода с использованием водорослей в управление средой в составе плавучей солнечной электростанции. Ожидается, что такой подход будет гораздо более энергоэффективным и дешевым, чем электролиз. Будет создан веб-геосервис, позволяющий сельхозпроизводителям, основываясь на рекомендациях ИИ, оценить потенциальный эффект от внедрения АВ в терминах дохода с единицы площади угодий.
Новизна заключается в комплексном и междисциплинарном подходе к научным проблемам - экосистемном в широком смысле - и создании практически значимого результата - ИИ-рекомендательного сервиса для оценки эффектов внедрения АВ. Впервые для АВ ставятся задачи по обеспечению оптимальных условий и стимулированию физиологических процессов, созданию условий для переработки и хранения продукции на месте, что снижает транспортные расходы по сравнению с сырьем и позволяет извлекать максимальную прибыль при продаже продукции на современном уровне развития электронной коммерции. В дополнение к энергетике также предлагается более подробно рассмотреть возможности сопутствующего использования монтажных конструкций AВ в животноводстве, аквакультуре, электрокультуре, получении водорода из водорослей.
Достижение целей предлагаемого проекта требует междисциплинарного подхода. Члены исследовательской группы обладают уникальным междисциплинарным опытом, который приведет к значимому и успешному завершению проекта, что имеет первостепенное значение.
Основным результатом исследования является разработка рекомендаций по комплексному использованию солнечной энергии с перераспределением потоков энергии и вещества для интенсификации сельского хозяйства.
Конкретными ожидаемыми результатами, полученными в ходе реализации проекта, являются:
1. Поиск наиболее эффективной фотоэлектрической технологии для применения в агровольтаике.
2. Данные, полученные в результате анализа имеющихся результатов существующих исследований и экспериментального определения эффективности различных методов стимулирования продуктивности растений, доступных с использованием АВ (световых, электрических).
3. Новые связи между энергетической и экономической эффективностью и различными условиями и направлениями применения AВ.
4. Варианты оптимальной организации AВ-систем (включая выбор спектра, концентрацию излучения, пространственные конфигурации).
5. Данные, полученные при выявлении преимуществ сопутствующего использования монтажных конструкций AВ, использования полученной энергии для местных нужд (обеспечение условий хранения, мониторинг производственных процессов, питание сельскохозяйственной техники) и отраслей промышленности (улавливание парниковых газов, поддержание среды для получения водорода из водорослей, первичная переработка/консервирование продуктов).
6. Оптимизация распределения энергетических потоков от преобразователей возобновляемой энергии при энергоснабжении сельскохозяйственных объектов (теплиц, коровников, аквакультуры, автоматических многоцелевых вездеходов и т.д.).
7. Изучение аквакультуры в рамках плавучей солнечной электростанции.
8. Разработка инструмента открытого доступа для прогнозирования с использованием ИИ потенциальных выгод для различных схем агривольтаики.
Этот проект предлагает изучить возможности технической реализации и экономическую целесообразность использования энергии солнечных энергетических систем для интенсификации сельского хозяйства, делая фермы самодостаточными и освобождая их от ручного труда. Эти исследования соответствуют мировым тенденциям интенсификации и роботизации сельского хозяйства, точного земледелия, глубокой переработки продукции на месте, перехода к использованию электротранспорта и возобновляемых источников энергии, сокращению выбросов углекислого газа. В долгосрочной перспективе результаты этого проекта могли бы быть использованы для электрокультуры и строительства внеземных форпостов человечества.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате проведённого анализа рассмотрены современные методы и технологии искусственной стимуляции роста и развития растений, которые могут оказывать положительное воздействие на рост и развитие растений с помощью электрической энергии. Использование электрического поля постоянного, переменного и импульсного тока, а также магнитных полей при стимулировании роста растений также оказывает положительное влияние на рост и урожайность растений, однако, повторяемость результатов очень низкая. Мы пришли к выводу, что это связано с недостаточным контролем условий эксперимента, т.к. стимулирует рост не само воздействие электромагнитных полей, а активаций переноса питательных веществ ими. Во многом поэтому, как мы предполагаем, результаты в естественном грунте или с его использованием значительно лучше, чем в лаборатории. Рассмотрено влияние использования газообразного водорода для стимулирования роста растений и использование устройств анодно-водородного стимулятора роста растений, а также устройства водоподготовки, создающие в обрабатываемой жидкости высокочастотные ультразвуковые колебания.
Рассмотрены различные типы фотоэлектрических модулей, используемых в АВ системах, которые наряду с выработкой электрической энергии обеспечивают условия, улучшающие рост растений в большинстве исследований за счет создания благоприятного микроклимата. Полупрозрачные тонкоплёночные фотоэлектрические модули и аморфное кремниевое фотоэлектрическое стекло могут обеспечить оптимальный уровень солнечной освещённости для выращиваемых растений, а необходимый спектр для активного роста растений в теплицах могут обеспечить органические фотоэлектрические преобразователи. Инновационные миниатюрные сферические фотоэлектрические преобразователи позволяют сохранять значительный поток солнечного излучения в теплице, которых доходит до выращиваемых растений. Концентраторные фотоэлектрические системы с дифракционно-интерференционной технологией и системой слежения за положением Солнца пропускают спектр солнечного излучения, необходимый для роста растений с параллельной выработкой электрической и тепловой энергии. Теплицы с линзами Френеля и системой слежения за положением Солнца и фотоэлектрическими преобразователями в их фокусе также позволяют вырабатывать электрическую и тепловую энергию, тогда как, являясь полупрозрачными, пропускают солнечное излучение, необходимое для роста растений. Люминисцентные солнечные концентраторы, окрашенные в различные цвета, с фотоэлектрическими преобразователями в своём составе, обеспечивают лучший рост растений благодаря оптимизации спектра пропускаемого светового потока. Сенсибилизированные красителем фотоэлектрические преобразователи вырабатывают электрическую энергию эффективнее кремниевых в условиях низкой освещенности, когда также возможно обеспечить оптимальное затенение выращиваемых в теплице растений. Использование планарных теплофотоэлектрических модулей целесообразно в различных технологических процессах агривольтаических сельскохозяйственных комплексов, когда наряду с электрической энергией у хозяйства существует потребность и в тепловой энергии. Перовскитные преобразователи только находят своё применение в АВ системах, так как до сих пор ещё не решены вопросы с их деградацией с течением времени, однако опытные образцы уже проходят испытания.
На основе анализа публикаций из собранной базы данных с использованием специально созданной большой языковой модели генерируется база количественных данных, она представляет собой систематизированный набор информации о реализованных экспериментальных и исследовательских проектах в области АВ. Она служит инструментом для сравнительного анализа, выявления закономерностей, оптимизации проектных решений и оценки общей эффективности АВ систем в различных географических, климатических и агротехнических условиях. При обучении языковой модели был проведён комплексный анализ реализованных проектов АВ с целью выявления технических и экономических факторов, определяющих их успешность. Анализ проводился по нескольким ключевым направлениям: общая статистика и успешность проектов, эффективность по культурам и странам, влияние технических параметров АВ на урожайность, а также выявление паттернов, характерных для наиболее результативных проектов.
Разработана методика оценки выгод внедрения АВ. На основе выявленных паттернов были сформулированы конкретные технико-экономические рекомендации для проектирования эффективных АВ систем. Для этого необходим тщательный, научно обоснованный подбор сельскохозяйственной культуры, отдавая предпочтение доказано успешным и теневыносливым видам.
Разработана методика конфигурирования АВ-энергосистемы из набора ВИЭ и нагрузок для различных вариантов ведения хозяйства. Проведена оценка коэффициента корреляции между прогнозируемой выработкой солнечной электростанции и ветроэнергетической установки. Расчеты показали низкую степень корреляции графиков выработки солнечной электростанций и ветроэнергетической установки, что, как минимум, говорит о несовпадении прогнозируемых графиков выработки между собой. Таким образом, отмечается высокий потенциал использования гибридной генерации с целью повышения надежности энергоснабжения сельского хозяйства. Основным недостатком солнца и ветра является стохастический, нерегулируемый характер генерации, не совпадающий во времени с графиками потребления. Управление электрической нагрузкой в сельском хозяйстве позволит повысить гибкость энергосистемы за счет отключения неприоритетных нагрузок или регулирования адаптивных нагрузок, что снизит потребность в установке избыточных мощностей и систем накопления энергии. Проанализированы потребности в энергии для различных видов сельского хозяйства: животноводства, растениеводства в открытом и закрытом грунтах. Другой управляемой нагрузкой является орошение, потребность в котором возникает в периоды жаркой, безоблачной погоды с высокой выработкой энергии от солнца.
Разработана программа экспериментов, осуществимых в рамках данного проекта.
Публикации
1.
Бадамшина С.Ю., Бахмадов А.В., Локтионов Е.Ю.
Load Management for Local Energy Use from Agrivoltaics
2025 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2025 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2025, pp. 488-493. (год публикации - 2025)
10.1109/UralCon67204.2025.11206671
2.
Татаринова А.С., Локтионов Е.Ю.
Possibilities of Increasing and Stabilizing Farmers' Income with Agrivoltaics
2025 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2025 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2025, pp. 580-585. (год публикации - 2025)
10.1109/UralCon67204.2025.11206613