إن شركة Agrivoltaics - وهي تواجد الألواح الشمسية والإنتاج الزراعي على نفس الأرض - تنتقل من الفضول البحثي إلى الواقع التجاري. وفي الاقتصادات التي تعاني من ندرة الأراضي مثل اليابان وكوريا الجنوبية وأجزاء من أوروبا، تعمل الطاقة الشمسية الزراعية على حل التوتر السياسي بين تطوير الطاقة الشمسية والحفاظ على الأراضي الزراعية. بالنسبة للمزارعين في المناخات الحارة، تعتبر فوائد الظل والحفاظ على المياه بمثابة مكافأة إنتاجية بالإضافة إلى دخل الإيجار.
لماذا تعمل الخلايا الكهروضوئية: تأثير المناخ المحلي
تخلق الألواح الشمسية مناخًا محليًا مميزًا تحتها ومن حولها. في المناخات الحارة والجافة، يمكن أن يكون هذا المناخ المحلي مفيدًا جدًا للزراعة:
- خفض درجة الحرارة: تعمل الألواح على تظليل الأرض، مما يقلل من درجة حرارة التربة بمقدار 3-8 درجات مئوية خلال ذروة حرارة الصيف. يؤدي ذلك إلى توسيع نافذة الراحة الحرارية لمحاصيل الموسم البارد وتقليل الإجهاد الحراري للنبات.
- انخفاض التبخر: يؤدي انخفاض درجات الحرارة وانخفاض الإشعاع الشمسي المباشر إلى تقليل التبخر من سطح التربة والنتح من أوراق النباتات. تنخفض متطلبات مياه الري عادة بنسبة 20-60% تحت الألواح مقارنة بظروف الحقول المفتوحة.
- الحماية من البرد والطقس الشديد: توفر الألواح حماية جزئية ضد أضرار البرد - وهي ميزة تأمينية كبيرة لمنتجي الفواكه والخضروات في المناطق المعرضة للبرد.
وتتجلى هذه الفوائد بشكل أكثر وضوحًا في المناخات الحارة ذات الإشعاع العالي (منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا وآسيا الوسطى وجنوب وجنوب شرق آسيا). في المناخات المعتدلة، يمكن أن يؤدي تأثير الظل إلى تقليل إنتاجية المحاصيل التي تتطلب أشعة الشمس - مما يجعل اختيار المحاصيل أكثر أهمية.
دليل اختيار المحاصيل
| نوع المحاصيل | التسامح الظل | العائد تحت 30٪ الظل | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| خس، سبانخ، كرنب | عالية | +10-30% مقابل الشمس الكاملة | الظل يقلل من انشقاقه في الصيف. مثالية للمناخات الحارة |
| الأعشاب (الريحان والنعناع والكزبرة) | عالية | +5–15% | يعمل الظل على تحسين تركيز مركب النكهة في بعض الأعشاب |
| الفراولة | متوسطة عالية | تخفيض بنسبة 0-20% | الظل يمتد الموسم. جيد للمناخات المعتدلة |
| الخضروات الجذرية (الشمندر، الفجل) | متوسط | تخفيض بنسبة 0-10% | متسامح الظل. متوافق مع الحصاد الآلي |
| القمح والشعير | متوسطة منخفضة | تخفيض بنسبة 10-25% | صالحة فقط مع وجود مسافة واسعة جدًا بين الصفوف (> 10 م) |
| الذرة، عباد الشمس | منخفض | تخفيض بنسبة 25-50% | غير مستحسن؛ خسارة كبيرة في العائد حتى في ظل الظل الجزئي |
التصميم الإنشائي: مشكلة الارتفاع
إن التحدي الهندسي الأكثر أهمية في مجال الخلايا الكهروضوئية هو ارتفاع تركيب اللوحة. تستخدم أنظمة التركيب الأرضية القياسية ارتفاعًا يتراوح بين 0.5 إلى 1.0 متر كحد أدنى فوق سطح الأرض - وهو ما يكفي لإدارة النباتات ولكن ليس للعمليات الزراعية. لتمكين الزراعة تحت الألواح، يجب زيادة الخلوص:
- الخلوص من 1.5 إلى 2.0 متر: الحصاد اليدوي للمحاصيل المنخفضة (الخضار والفراولة). يقتصر على الأدوات اليدوية - ولا توجد معدات ميكانيكية. مناسبة للمحاصيل كثيفة العمالة وعالية القيمة.
- الخلوص 3.0-3.5 م: وصول جرار صغير للزراعة والحصاد. يفتح نطاقًا أوسع بكثير من المحاصيل وخيارات الميكنة. التكلفة الهيكلية حوالي 40-60٪ أعلى من التركيب الأرضي القياسي لكل كيلوواط.
- خلوص 4.5-5.0 م: الوصول الكامل للمعدات الزراعية. إزالة الحصادات القياسية. التكلفة الهيكلية 80-120% أعلى من التركيب الأرضي القياسي. يُستخدم في أنظمة "تقاسم الطاقة الشمسية" اليابانية حيث يكون الحفاظ على الإنتاج الزراعي الكامل مطلوبًا قانونيًا.
النسبة المكافئة للأرض (LER): لماذا يفوز الاستخدام المزدوج
تقارن نسبة الأرض المكافئة الإنتاجية المجمعة للنظام الزراعي مع البدائل ذات الاستخدام الواحد. إذا كان موقع زراعي بمساحة 1 هكتار ينتج 85% من إنتاج الطاقة الشمسية لمزرعة شمسية مخصصة بمساحة 1 هكتار و60% من إنتاج المحاصيل لأرض زراعية مخصصة بمساحة 1 هكتار، فإن الحد الأدنى للطاقة = 0.85 + 0.60 = 1.45 - مما يعني أن النظام الزراعي هو أكثر إنتاجية للأرض بنسبة 45% من استخدام هكتارين منفصلين لكل غرض.
تتراوح قيم LER المنشورة للأنظمة الزراعية المصممة جيدًا عادةً من 1.3 إلى 1.9. هذه هي الحجة الأساسية لصالح الخلايا الزراعية في الأسواق المحدودة الأراضي وللحكومات التي تفرض الحفاظ على الأراضي الزراعية.
الأسواق والتنظيم
يعد نظام "تقاسم الطاقة الشمسية" في اليابان الإطار التنظيمي الأكثر تطورًا في العالم - ويتطلب الحفاظ على الإنتاجية الزراعية في الأراضي الزراعية عند ≥80% من مستويات ما قبل التثبيت (يتم تقييمها على مدى فترة 3 سنوات). فرضت فرنسا مرآبًا يعمل بالطاقة الشمسية والخلايا الكهروضوئية في مناطق وقوف السيارات التي يزيد حجمها عن الحد الأدنى في عام 2023. ولدى كل من كوريا الجنوبية وألمانيا (معيار Agri-PV DIN SPEC 91434) وأستراليا خطوط أنابيب نشطة لمشاريع الطاقة الزراعية. وفي آسيا الوسطى ومنطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا - الأسواق الرئيسية لشركة Econo Solar - تعتبر الطاقة الشمسية الزراعية ناشئة ولكنها تنمو بسرعة، مدفوعة بالإجهاد المائي واحتياجات إنتاجية الأراضي.