الألواح الشمسية وسط المحاصيل الزراعية.. فوائد مهمة.. تقليل الإجهاد المائي والحماية من الظواهر الجوية

تُقدّم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، التي تجمع بين توليد الطاقة الشمسية والممارسات الزراعية، حلاً واعداً للطلب المتزايد على الطاقة المتجددة وإنتاج الغذاء.

ومن خلال دمج الألواح الشمسية مع المحاصيل، لا تُعالج هذه الأنظمة التضارب في استخدام الأراضي بين الزراعة وإنتاج الطاقة فحسب، بل تُقدّم أيضاً فوائد مهمة، مثل تقليل إجهاد المحاصيل المائي وتوفير الحماية من الظواهر الجوية القاسية.

بالإضافة إلى ذلك، تُسهم الأنظمة الكهروضوئية الزراعية في التنوع البيولوجي بتوفير موائل للملقحات وإنتاج الأعلاف.

بالنسبة للأنظمة البيئية في المناطق شحيحة المياه، فقد ثبت أن هذه الأنظمة تزيد من إنتاج الأزهار وتؤخر إزهارها، مما يدعم الملقحات المتأخرة.

كما تُظهر الأبحاث أن الألواح الشمسية تُحسّن أداءها في الأنظمة الكهروضوئية الزراعية، بفضل المناخ المحلي المُكوّن تحتها.

مع تزايد أهمية أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في التحول العالمي للطاقة، تتزايد الحاجة إلى استراتيجيات تتبع مُصممة خصيصًا لتحسين أدائها.

التحكم الفعّال في مواقع الألواح

تُتيح أنظمة التتبع الأفقي أحادي المحور (HSAT)، التي تُضبط زاوية الألواح الشمسية على مدار اليوم لتتبع الشمس، إمكانات كبيرة في هذا الصدد.

يُساعد التحكم الفعّال في مواقع الألواح على تحقيق التوازن بين الهدفين المزدوجين المتمثلين في تعظيم توليد الطاقة والحفاظ على الغلة الزراعية.

ويكتسب هذا التحسين أهمية خاصة، نظرًا لأن أنظمة الطاقة الكهروضوئية الزراعية تحتاج إلى استيفاء عتبات فقدان الغلة للتأهل للحصول على الدعم، مما يُحسّن جدواها الاقتصادية.

تُقدم دراسة حديثة نُشرت في مجلة فوتونيات الطاقة رؤى قيّمة حول كيفية تحسين وضع الألواح الشمسية لتحقيق هذا التوازن.

يُركز البحث على دراسة حالة لبساتين التفاح في جنوب غرب ألمانيا، إلا أن النتائج قابلة للتطبيق على نطاق واسع في مختلف البيئات الزراعية.

تقترح الدراسة منهجية جديدة لتحسين مواقع الألواح الشمسية ديناميكيًا بناءً على احتياجات المحاصيل من الضوء.

وخلافًا لاستراتيجيات التظليل التقليدية، التي تعتمد على إرشادات عامة أو هياكل مثل شبكات البَرَد، يستخدم هذا النهج الجديد أهدافًا إشعاعية محددة لتلبية الاحتياجات الضوئية الدقيقة لمختلف أنواع المحاصيل.

أجرى فريق البحث عمليات محاكاة باستخدام أداة مُخصصة تُسمى APyV لتقييم مدى تأثير اختلاف مواقع الألواح الشمسية على توافر الضوء للمحاصيل.

يستخدم APyV تقنيات تتبع الأشعة المتقدمة لتقييم توزيع الإشعاع الشمسي وتأثيره على كلٍّ من الألواح الكهروضوئية والمحاصيل التي تُزرع تحتها.

تُؤتمت هذه الأداة تحسين تصميم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية استنادًا إلى مؤشرات الأداء الرئيسية، والتفاعل مع نماذج المحاصيل المختلفة، والمحاكاة المتكاملة للمحاصيل المتخصصة.

كما تتيح هذه الأداة حسابًا مباشرًا للضوء الذي يتلقاه المحصول، ومحاكاة أكثر دقة لتأثيره على نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية ككل.

كشفت نتائج دراسة الحالة أنه باستخدام نظام تحكم مُصمم خصيصًا للألواح الشمسية، تم توفير 91% من الضوء اللازم لأشجار التفاح على مدار العام، مع انخفاض طفيف في إنتاج الطاقة الشمسية بنسبة 20% فقط، ومع ذلك، حددت الدراسة أيضًا فترات لم تُلبَّ فيها احتياجات أشجار التفاح من الضوء بشكل كامل، مما يُشير إلى تحديات تحقيق الأداء الأمثل للمحصول والطاقة في آنٍ واحد.

على الرغم من هذه القيود، تُرسي الدراسة أساسًا متينًا للأبحاث المستقبلية، والتي هي قيد التنفيذ بالفعل.

وفقًا للمؤلفة المراسلة مادلينا برونو، التي تقود الدراسة كمرشحة دكتوراه في معهد فراونهوفر للهندسة الكهربائية، “تُظهر دراستنا أنه يمكن تعزيز الجمع بين الطاقة الشمسية والزراعة من خلال أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية الذكية التي تضبط موضع الألواح الشمسية بناءً على الظروف الجوية وأنواع المحاصيل ومراحل نموها.

يضمن هذا النهج توازنًا مثاليًا بين الضوء المتاح لعملية التمثيل الضوئي والضوء المتاح لإنتاج الكهرباء”.

يشير برونو إلى أنه سيتم اختبار أهداف الإشعاع المقترحة واستراتيجية التتبع ميدانيًا خلال موسم النمو الحالي في نوسباخ، مما يتيح فرصة للتحقق من صحة النتائج المُبلغ عنها أو دحضها.

ستساهم هذه الاختبارات الميدانية بشكل كبير في تعميق فهم تأثير أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على بساتين التفاح والبيئة المحيطة بها.

وفي نهاية المطاف، سوف يوفر هذا البحث رؤى حاسمة يمكن أن توجه تحسين أنظمة الطاقة الزراعية الكهروضوئية، مما يجعلها أكثر فعالية في تحقيق التوازن بين الإنتاجية الزراعية وتوليد الطاقة المتجددة مع دعم التحول الجاري في مجال الطاقة.