透明太阳能电池搭建零净能源温室

温室农业产业使得寒冬期也可以生产出新鲜的蔬菜水果。与常规农业相比，温室农业具有许多优势，包括土地利用效率，节水和减少农药需求。但是，在商业化温室产业中，人们要付出大量的能源消耗。一项新研究表示，能源成本是此类温室成为可持续农业解决方案的主要限制因素，该研究使用计算机模型演示了半透明有机太阳能电池（organic solar cells，OSC）达到零能耗净温室的可行性(Joule, doi: 10.1016/j.joule.2019.12.018 )。

美国北卡罗来纳州立大学研究人员开发的模型表明，通过使用透明的太阳能电池板来收集能量，许多温室可以变为能量中性，甚至捕获并出售多余的能量。

更少的能耗

该论文的共同作者，北卡罗来纳州立大学（NCSU）植物与微生物学教授，植物光子科学实验室主任Carole Saravitz说：“如果我们能用更少的能量来生产作物，那将是一件好事。”温室设施的供暖和降温是种植者寻求节约能源的方向，而许多学科研究结果表明，半透明太阳能电池可能是实现这一目标的好方法。

Saravitz说，对OSC的研究是其原有工作的补充在植物科学机构的工作表明，通过利用光线，人们可以真正地改变生产出的植物，甚至可能通过过滤接收到的光谱来生产更好的农产品。研究表明，通过将植物置于不同颜色的LED灯下，可以产生不同颜色的生菜。据Saravitz说，对太阳能电池的后续研究可以帮助确定哪些薄膜对植物最大的好处，同时降低能源成本。

温室模型

NCSU机械工程学教授Brendan T. O’Connor表示，尽管这项研究证实了零能耗的可行性，但研究依靠的是计算机建模而不是实际的温室试验。这些模型表明，具有可调吸收光谱的OSC可以将植物不用于光合作用的光的波长转换为为温室作业提供动力（主要是加热和冷却）所需的能量。

地理位置

研究人员选择了番茄作为模型作物，因为它们是世界上种植最多的温室种植作物。另一个研究参数是地理位置。作者选择了亚利桑那州，威斯康星州和北卡罗来纳州作为其示范温室的地点，因为这些选择与现实世界中商业规模的温室经营相对应。这些州还代表了三个不同的气候区域-干热，湿湿和寒冷-在一年中的不同时间，外部环境对温室供暖和制冷需求的影响会有所不同。

作者说，计算机模型表明，如果使用OSC，则在炎热和混合气候下都可以实现零能耗的净温室；即使在寒冷气候下，整个供暖和制冷能耗也可以大大减少。研究人员对两种类型的OSC建模，它们的化学性质略有不同。在对温室热控制以及供暖和制冷需求的影响方面，两者均提供了相似的模型结果。

可调频谱

O’Connor表示，OSC可以过滤阳光。举例来说，这意味着太阳能电池板可以通过降低进入温室的红外光来减少白天的热量获取，同时使用光合作用不需要的波长的光来产生用于通风的光伏电源。该模型显示，这些面板全年会在炎热和混合气候中产生多余的电能，可以将其卖回电网或用于其他温室需求，例如照明和供水系统。

研究人员说，在像亚利桑那州这样的高温地区，蒸发冷却所需的水将更少。同样，在炎热和混合气候的温室中，通常使用遮光布来减轻午后阳光引起的过热。有了OSC过滤阳光，就不需要遮光布了。而且OSC不仅可以在白天，而且可以在夜晚实现总体上更好的温度控制。

平衡照明

关于光合作用的光，O'Connor表示，OSC对光谱的衰减远小于他的预期（可以小于20％）。 部分原因是省去了遮阳布，但是太阳能电池的位置和设计也是一个因素。 他说，该模型表明，从温室侧壁进入的阳光可以平衡光合作用所吸收的光，这些光被太阳能电池吸收。

从光学的角度来看，研究将OSC用于温室设施的方法特别适合。 关于温室能源输入的研究还很多，并且OSC可以很容易地用于这些建筑物的屋顶，而无需单独的安装架或设施。虽然该技术尚未在市场上获得，但农业生产的需求可能会将OSC推向市场，其应用领域是其他类型的太阳能电池无法匹敌的，OSC能够为作物提供可持续的能源。