Table of Contents
ما هو بالضبط Agrivoltaics؟
إن الازدهار الزري، الذي كثيرا ما يسمى بتقاسم الطاقة الشمسية أو الشمسية المزدوجة الاستخدام، هو ممارسة تركيب الألواح الضوئية في شكل يسمح للإنتاج الزراعي بأن يستمر تحتها أو بينها، وهذا النهج يحول قطعا واحدا من الأرض إلى نظام هجين للطاقة - الزراعة، ويولد الكهرباء النظيفة في الوقت نفسه، ويدعم نمو المحاصيل أو الرعي أو الملوثات الموائل.
وفي مجموعة تقليدية زراعية، ترتفع الألواح الشمسية على الهياكل العالية بما يكفي للسماح للآلات بأن تمر تحتها، أو أنها مجهزة على نطاق واسع بما يكفي للاعتراف بضوء الشمس الكافي للمحاصيل، ويمكن أن تكون الألواح ثابتة أو مجهزة بنظم تتبع ذات ضآلة واحدة تتناوب على متابعة الشمس، وتستخدم بعض المنشآت نماذج ثنائية الوجه شبه شفافة تسمح بمرور الصور في نفس الوقت.
الفوائد الأساسية للنظم الشمسية ذات الاستخدام المزدوج
وتوفر الفولطية الزراعية مجموعة من المزايا التي تتصدى لبعض أكثر التحديات إلحاحا في مجال الزراعة الحديثة وإنتاج الطاقة، وتتجاوز هذه الفوائد حد تقاسم الأراضي.
الحد الأقصى من كفاءة استخدام الأراضي
وتتمثل الفائدة الأكثر وضوحا في القدرة على إنتاج الطاقة والغذاء في نفس المزرعة، إذ أن المزارع الشمسية التقليدية التي تُبنى أرضا أرضاً تزيل باستمرار الأراضي الزراعية من الإنتاج، مما يشعل في كثير من الأحيان تضارباً بين أهداف الطاقة المتجددة والأمن الغذائي، ويقضي الفولطاس الزراعي على هذه المبادلات، وقد أظهرت الدراسات التي أجرتها جامعة أريزونا أن النظم الزراعية ذات الكثافة الزراعية يمكن أن تحقق معاً كفاءة استخدام الأراضي (تمثلاً في المائة أعلى من إنتاج النظام الواحد في كل منطقة من 70 منطقة من المناطق الوظيفية).
Microclimate Management and Crop Protection
وتعطي الألواح الشمسية ظلاً جزئية يمكن أن تُعيق المحاصيل من أكثر الأشعة الشمسية كثافة والظواهر الجوية المتطرفة، ويقلل هذا التظليل من درجات حرارة التربة، ويخفض معدلات التبخر، ويقلل الطلب على المياه بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة في العديد من المحاصيل، ويزيد من الميزات الحرجة في المناطق التي تُشغل فيها المياه، كما أن الألواح تعمل كد بدائية ضد الهزال، والأمطار الثقيلة، وتلحق أضراراً بالكم.
تنوع الإيرادات والقدرة على مواجهة الطاقة
ويعطي تركيب الفولطيات الزراعية المزارعين تدفقاً ثانياً من مبيعات الكهرباء عن طريق القياس الصافي، واتفاقات شراء الطاقة، أو برامج الطاقة الشمسية المجتمعية، ويمكن لهذه الإيرادات الإضافية أن تثبّت تمويل المزارع خلال فترات انخفاض أسعار المحاصيل أو الخسائر في العائدات، كما أن توليد الطاقة في الموقع يقلل من الاعتماد على الشبكة ويضخ العمليات الزراعية من تقلبات تكاليف الطاقة، ويمكن لمزرعة الصمامات أن تعوض جزءاً كبيراً من استهلاكها من الكهرباء بواسطة معدات التوليد.
جيم - المكاسب البيئية والإيكولوجية
ومن خلال توليد الكهرباء النظيفة، تنزع النظم الزراعية الفولطية الوقود الأحفوري وتخفض انبعاثات غازات الدفيئة، كما أن الظل الجزئي والاستخدام المخفض للمياه يقلان أيضاً من البصمة الكربونية لإنتاج المحاصيل، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إدارة الأراضي التي تحتها وحول الألواح الشمسية لموائل الملوثات، وزيادة التنوع البيولوجي في المزارع، كما يمكن للمزارعين الأصليين والمزارعين المتجددين في إطار صفائح دعم السكان والمنافعة.
الاعتبارات التقنية والتحديات المتعلقة بالتصميم
ويتطلب تنفيذ نظام زراعي ناجح اهتماما دقيقا لمجموعة من المتغيرات المترابطة التي تختلف عن الزراعة التقليدية والتنمية الشمسية الموحدة، ويجب أن يوازن التصميم بين الأولويات المتضاربة، وأن يكون التوازن على هذا الأساس متوقفا على الظروف المحلية.
هيكل الفريق للثقوب الثقيلة والتصاعدية
ومن بين القرارات الأولى مدى ارتفاع عدد الألواح الشمسية، حيث ترتفع الطيفات الشمسية ذات الحجم الأرضي العادي عند ارتفاع يتراوح بين متر واحد و مترين من الأرض، وهو ما يقل كثيرا عن عدد الأجهزة الزراعية التي تمر به، حيث ترتفع الألواح إلى حد أدنى يتراوح بين 2.5 و 4.5 متر، تبعا للمحاصيل والمعدات المستخدمة، ويزيد ارتفاع مستوى نظم التطهير الهيكلي لأنه يتطلب مزيدا من المصانع الصلبة.
Light Transmission and Crop Selection
وتُجرى المبادلات الأساسية في مجال الزراعة بين الضوء الذي تلتقطه الألواح الشمسية والضوء المُرسل إلى المحاصيل، حيث تُحجب في شكل بلوريات نموذجية نسبة تتراوح بين 60 و80 في المائة من ضوء الشمس الجديد، بينما تُحتمل بعض المحاصيل التي تُنتجها الجامعة أو تستفيد منها هذه المحاصيل المزروعة، فإن العديد من المحاصيل الخضرية ذات القيمة العالية تتطلب شمس كاملة.
ولتخفيف العجز الخفيف، استطلع المصممون عدة استراتيجيات، ويتمثل أحد النهجين في استخدام أفرقة شفافة جزئيا أو ذات وجهين تتيح للضوء أن يمر من خلال الثغرات القائمة بين الخلايا، ويتمثل نهج آخر في تنفيذ نظم تتبع دينامية تضبط زاوية الفريق طوال اليوم لتعظيم الاختراق الضوئي خلال فترات النمو الحرجة، وتستخدم بعض النظم وحدات مجهزة بالأشعة الضوئية التي تبعث الضوء والتي تبعث الضوء بشكل أكثر عدلا، وتخفض البقع الضوئية وتحسن مستوى الصبغة.
الري وإدارة المياه
كما أن الإجلاء من التربة يُخفَّض بدرجة كبيرة في إطار برنامج " غلاف المياه " ، مما يمكن أن يقلل من احتياجات الري الكلية بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة، غير أن الأفرقة تخلق أيضاً أثراً في المياه المهطلة على الأمطار، مما يركِّز هطول الأمطار على حواف الصفيفة ويترك المناطق التي تُجففف فيها المياه، ويزداد حساسية في نظم تجميع المياه الزراعية.
دراسات الحالات الإفرادية العالمية والتنفيذات الناجحة
وتنتقل المواد الزراعية من قطع الأرض البحثية إلى العمليات التجارية عبر العالم، وتظهر هذه الأمثلة للعالم الحقيقي قدرة المفهوم على التكيف مع مختلف المناخ والمحاصيل والظروف الاقتصادية.
حركة اليابان لتقاسم النجوم
اليابان كانت في مقدمة الفولطاسات الزراعية منذ كارثة فوكوشيما عام 2004 دفعتها على نطاق البلد للطاقة المتجددة، حيث كانت حدود البلاد الجبلية متاحة لأرض مسطحة، مما جعل النظم ذات الاستخدام المزدوج جذابة بشكل خاص، المزارعون اليابانيون يعملون الآن آلاف من منشآت "التقاسم العزل" مع ألواح مرتفعة تغطي أكواد الأرز، وميادين الصويا، وقطع غيبوبة
الاتحاد الأوروبي مع فناء وأورد
وفي جنوب فرنسا وإيطاليا، يجري إدماج الفولطيات الزراعية في البستنة، حيث تكيف العنب النباتي بطبيعة الحال مع مستويات الضوء العالية ويمكن أن يتسامح مع التظليل الجزئي خلال الجزء الأقوى من اليوم، وفي منطقة بروفينس، لم تُنشأ أي نمائط تجارية ذات نوعية شمسية متطورة على مؤامرة من غرنات التفاح التي تُخفض فيها درجات الحرارة شبه المتطورة من 3 إلى 5 درجات مئوية.
مزارع البحوث التجارية لأمريكا الشمالية
إنّ الولايات المتحدة شهدت ارتفاعاً في النشاط الفولطي الزراعي، مدفوعاً بتمويل بحثيّ إتحاديّ وولايات للطاقة المتجددة على مستوى الولاية، حيث إنّ مُختبرات (أريزونا) في الغلاف الحيويّ الثاني من (أريزونا) أظهرت أنّ المحاصيل المُشفّرة بالصحراء مثل الفلفل، والخضروات البازلاء، و طماطم الكرز يمكن أن تُنّة تحت تركيبة الفوتات الضوئية
التطبيقات الأفريقية وجنوب آسيا
وفي كينيا، يستخدم صغار المزارعين الألواح الشمسية المنخفضة التكلفة والمرتفعة إلى مضخات الري بالطاقة بينما ينمو الأبقار والكايل تحت الأرض، وقد أدى الجمع بين الكهرباء الموثوق بها لضخ المياه والتظليل الجزئي للمحاصيل إلى زيادة غلات الحيوانات المنبعثة من المياه الجافة، وفي الهند يجري اختبار المواد الزراعية في ولايات قاحلة مثل راغاسثان، حيث تصمم نظم الزراعة ذات الاستخدام المزدوج للحد من توليد الماشية وتوفيرها.
الأطر المتعلقة بالقدرة الاقتصادية على تحمل المسؤولية والسياسات
وتتوقف اقتصادات الفولطاس الزراعي على تفاعل معقد بين أسعار الطاقة والأسواق الزراعية وتكاليف رأس المال والسياسات الحكومية، وفي حين أن الاستثمار الأولي أعلى من نظام شمسي ذي سطح تقليدي بسبب الهيكل المتصاعد، فإن العائدات الطويلة الأجل يمكن أن تكون تنافسية عندما تكون مصممة تصميما سليما.
أما العوامل الرئيسية التي تدفع التكاليف فهي رف الفولاذ، والمؤسسات الأعمق، وزيادة العمالة في التجمع في المرتفع، وقد خلص تحليل أجراه معهد فرونهوفر لنظم الطاقة الشمسية في عام 2023 إلى أن المنشآت الزراعية تبلغ تكلفة إنتاج الطاقة من 10 إلى 25 في المائة مقارنة بنظم الطوابق الأرضية الثابتة الغلاوات، غير أن الاستخدام المزدوج للأراضي يؤدي إلى خفض تكلفة الأراضي بالنسبة لكل منتج من المنتجات، وأن قيمة الإنتاج الزراعي يمكن أن تعوض عن جزء سخي من الإنتاج الزراعي.
دعم السياسات أمر حاسم في رفع مستوى الفولطيات الزراعية، وقد أدرجت عدة ولايات أمريكية الفولطية الزراعية في معايير حافظتها المتجددة، مما يوفر دفعات من أجل المشاريع الشمسية التي تحافظ على الإنتاجية الزراعية، وقد حددت فرنسا صراحةً الفولطية الزراعية في أنظمة الطاقة الوطنية، وتوفر تعريفات أعلى من حيث الإنتاج للمنشآت ذات الاستخدام المزدوج التي تستوفي معايير الحد الأدنى للإنتاج الزراعي، كما أن نظام التعريفات الزراعية الياباني يكافئ تقاسم التكاليف الإضافية.
الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة
وتتسارع أعمال البحث والتطوير في مجال الفولطيات الزراعية، بسبب الحاجة الملحة إلى التكيف مع المناخ وانخفاض تكلفة الوحدات الفولطية الضوئية، وتشير عدة اتجاهات ناشئة إلى زيادة الاعتماد وتحسين الأداء.
الأفرقة شبه الشفافة والوافلنغث - المنتخبة
الجيل القادم من الوحدات الشمسية يتم تصميمها خصيصاً للزراعة، ويمكن أن تُستخدم الألواح شبه الشفافة التي تُصنع بفولطية عضوية أو مواد مشبعة بالزئبق لنقل الإشعاع الاصطناعي الاصطناعي مع امتصاص الضوء الخفيف من تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية لتوليد الكهرباء، وهذه القدرة على الانتقال من الموجات الملوحة تسمح للألواح بأن تُش
إدارة الأجهزة والدقائق
ويُحدث إدارة نظام مختلط من الألواح والمحاصيل الشمسية تعقيدا في الزراعة والصيد والصيد، ويجري تطوير الروبوتات الزراعية ونظم الرؤى الآلات من أجل نقلها بصورة مستقلة تحت الصفوف المرتفعة، والقيام بمهام مثل الرش والرش والاختيار، وفي اليابان، أظهر الباحثون جرارا مستقلا صغيرا يعمل في مجال التقاسم الشمسي، باستخدام نظام ليدرا للكشف عن دعم الألواح وتجنب التأثيرات.
التكامل مع الماشية والملمبين
ولا تركز جميع النظم الزراعية على المحاصيل، فالزراعة الشمسية، حيث ترعى الخراف أو الماعز تحت وحول الألواح الأرضية، تنمو بسرعة في الولايات المتحدة وأوروبا، وتزيل الحاجة إلى التطهير الميكانيكي وتخفض مخاطر الحريق بينما تنتج منتجات حيوانية على نفس الأرض، وتفيد الرابطة الأمريكية للصيد العرضي بأن أكثر من 000 10 هكتار من المواقع الشمسية التي تدار في الولايات المتحدة.
تصميم البيانات والتصويب الأمثل
ويقوم الباحثون بتطوير أدوات محاكاة تجمع بين نماذج الإشعاع الشمسي وفيزياء النباتات وتحقيق الاستخدام الأمثل اقتصادياً، وتتيح هذه الأدوات للمزارعين والمطورين إدخال نوع المحاصيل، ومسح الأرض، والبيانات المناخية المحلية، وأسعار الكهرباء لإيجاد الشكل الأمثل لموقع معين، ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بالاستجابات لمنتجات المحاصيل إلى أنماط مختلفة من الظل وتوصي بالجدول الزمني الذي يمكن الوصول إليه والذي يُرفع إلى أقصى حد من الإنتاج.
جعل الـ(أغريفولتاس) يعمل لصالحك
وبالنسبة لمزارع أو مالك أرضي ينظر في الفولطية الزراعية، فإن تقييم الجدوى الشامل هو نقطة الانطلاق اللازمة، وصلاحية أراضيكم، والمحاصيل التي تنمو فيها، ومناخكم المحلي، والبيئة التنظيمية تؤثر كلها على ما إذا كان نظام الطاقة الشمسية ذو الاستخدام المزدوج سيربح، بدءا بالتشاور مع خدمة الإرشاد الزراعي أو مع مطور الطاقة الشمسية الذي يُجرى في مشاريع زراعية فولت، واستعراض خرائط الموارد الشمسية لمنطقتكم، ومقارنة تلك المتطلبات بالزاداتكم المستهدفة.
في الولايات المتحدة برنامج الطاقة الريفية لأمريكا يقدم المنح وضمانات القروض لنظم الطاقة المتجددة في العمليات الزراعية بعض الولايات تقدم قروضا ضريبية وإعفاءات ضريبية على الممتلكات أو إعفاءات ضريبية على المبيعات للمعدات الشمسية وتستكشف الخيارات المحلية للتعديل الصافي أو المشاركة الشمسية المجتمعية، وإذا كنت مزارعا مستأجرا، فربما تحتاج إلى التفاوض بشأن شروط استخدام الأراضي مع مالك العقارات
بدء مشروع تجريبي على جزء صغير من أرضكم، سيسمح لكم نظام بياني يتراوح بين 0.5 و 1 هكتاري بجمع بيانات محددة عن أداء المحاصيل، وتوليد الطاقة، والتكاليف التشغيلية قبل التوسع، وشريك في برنامج جامعي أو برنامج إرشادي لإجراء مقارنات جانبية مع قطع الأراضي الكاملة للمراقبة، وستكون هذه البيانات قيمة للغاية بالنسبة لتكرير تصميمكم، ولتقنع المقرضين أو المستثمرين بدعم نشر أكبر.
"الطريق الأمامي"
إن الفولطية الزراعية ليست رصاصة فضية في عملية الانتقال من الطاقة أو في نظام الأغذية، ولكنها أداة قوية لإدماج قطاعين أساسيين على كوكب ذي أرض محدودة، ويعالج النهج مباشرة الصراع في استخدام الأراضي الذي كثيرا ما يصيب المزارعين والمحافظين بالكهرباء، إذ إن تمكين الإنتاج المتزامن للأغذية والطاقة والخدمات الإيكولوجية يمثل إنتاجا حقيقيا مربحا للنظم مصممة وموقعة ومدارة.
ومع تزايد الضغوط المناخية وتزايد الحاجة إلى الطاقة المتجددة والزراعة التي تقاوم المناخ، من المرجح أن يتسارع اعتماد النظم الزراعية الفولطية، وسيستمر التقدم في علوم المواد والروبوتات والارتقاء الرقمي في تحسين القدرة التنافسية الاقتصادية للصفائف ذات الاستخدام المزدوج، كما أن أطر السياسات التي تكافئ النواتج مجتمعة وتعترف بالفوائد العامة للنظم الزراعية - التخلّي عن البيئة في القطاع الزراعي، وهو مسار تغذوي أقل.