أداة مفتوحة المصدر تساعد في تحديد أفضل الخيارات للطاقة الشمسية الزراعية
مع تسابق العالم لتحقيق أهداف صافي الانبعاثات الصفرية، يتعين علينا أن نعمل على خفض الانبعاثات من كافة القطاعات الصناعية على نحو أكثر إلحاحاً من أي وقت مضى.
وتشكل الزراعة مجالاً مهماً من مجالات التركيز، حيث تساهم بنحو 22% من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي.
تتضمن إحدى الطرق لتقليل انبعاثات الكربون في الزراعة دمج الألواح الشمسية – أو الخلايا الكهروضوئية – في حقول المحاصيل والبيوت الزجاجية ومناطق تربية الماشية.
تركيب الألواح الشمسية في الحقولغالبًا ما يُعرف هذا باسم الطاقة الكهروضوئية الزراعية ، ويمكن أن يساعد المزارعين على تقليل بصمتهم الكربونية مع الاستمرار في إنتاج الغذاء.
كما يمكن للزراعة الكهروضوئية أن تخفف من حدة أحد الانتقادات الرئيسية التي كثيراً ما توجه إلى الطاقة الشمسية ــ وهي أن المزارع الشمسية “تهدر” مساحات شاسعة من الأراضي الزراعية التي كان من الممكن استخدامها لإنتاج الغذاء.
والواقع أن المزارع الشمسية لا تشغل حالياً مساحات كبيرة من إجمالي الأراضي المخصصة للزراعة.
أبسط مثال على نظام الطاقة الكهروضوئية الزراعية يتمثل في الألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السليكون البلوري (النوع الرائد في السوق من الألواح الشمسية)، والتي يتم تركيبها في الحقول إلى جانب الماشية.
تركيب الألواح الشمسية في الحقولفوائد المزارع الشمسية
وقد أصبحت هذه الطريقة في تنويع المزارع شائعة بشكل متزايد في السنوات الأخيرة لثلاثة أسباب رئيسية.
– أولاً، يعزز التنوع البيولوجي لأنه يعني أن الحقول لا تُستخدم لزراعة محصول واحد فقط (زراعة أحادية)، أو تخضع لتناوب المحاصيل بانتظام، أو يتم حصادها لصنع السيلاج.
– ثانياً، يزيد الإنتاج حيث تستفيد الماشية من الظل ونمو المراعي الأكثر صحة.
– وأخيرا، نجحت المزرعة الشمسية في خفض تكاليف الصيانة لأن الماشية قادرة على إبقاء العشب قصيرا. ويتم تحقيق كل هذا في حين توفر الألواح الشمسية الطاقة النظيفة المولدة محليا.
تركيب الألواح الشمسية في الحقولأهم التحديات
ومع ذلك، إذا لم يتم إعدادها بشكل صحيح، فقد تظل الخلايا الشمسية تسبب مشاكل.
أحد أهم التحديات، عند استخدامها في الحقول التي تزرع فيها المحاصيل، هو موازنة الحاجة إلى ضوء الشمس بين المحاصيل والألواح الشمسية. تحتاج المحاصيل إلى الضوء للنمو، وإذا حجبت الألواح الشمسية الكثير من ضوء الشمس، فقد تؤثر سلبًا على غلة المحاصيل.
تختلف هذه المشكلة من مكان إلى آخر، ففي البلدان التي تقل فيها الأيام المشمسة مثل المملكة المتحدة، تحتاج الألواح إلى السماح بمرور المزيد من ضوء الشمس.
ولكن في أماكن مثل مصر وشمال إفريقيا وجنوب أوروبا ودول الخليج والشام، يمكن لبعض الظل أن يساعد المحاصيل بالفعل من خلال تقليل ضغوط الحرارة الشديدة خلال أشهر الصيف.
إن إيجاد التوازن الصحيح أمر صعب، لأنه يعتمد على الظروف المحلية، ونوع المحصول، وحتى احتياجات الملقحات مثل النحل.
تزداد التعقيدات عندما نأخذ في الاعتبار نوع المادة المستخدمة في الألواح الشمسية، فالألواح الشمسية التقليدية ليست مناسبة دائمًا لأنها غالبًا ما تحجب الأطوال الموجية (الألوان) للضوء التي تحتاجها النباتات.
تركيب الألواح الشمسية في الحقولالمواد الحديثة
وهنا تبرز أهمية المواد الحديثة، مثل أشباه الموصلات العضوية والبيروفسكايت ، حيث يمكن تخصيصها للسماح للمحاصيل بالحصول على الضوء الذي تحتاجه مع الاستمرار في توليد الطاقة.
وعلى عكس أشباه الموصلات غير العضوية التقليدية، والتي تتكون في الأساس من بلورات من المعادن والذرات شبه المعدنية، فإن أشباه الموصلات العضوية عبارة عن جزيئات تتكون أساسًا من الكربون والهيدروجين.
وفي الوقت نفسه، فإن البيروفسكايت عبارة عن مزيج من أشباه الموصلات العضوية وغير العضوية.
هناك الآلاف من التركيبات من هذه المواد للاختيار من بينها، وتحتوي الأدبيات العلمية على مجموعة كبيرة من الخيارات. وقد يكون تحديد التركيبة الأفضل مهمة شاقة.
وهنا يمكن للأدوات الحسابية أن تحدث فرقاً كبيراً، فبدلاً من اختبار كل مادة في ظروف العالم الحقيقي ــ وهو ما قد يستغرق سنوات ويكون مكلفاً للغاية ــ يستطيع الباحثون استخدام المحاكاة للتنبؤ بأدائها.
ومن الممكن أن تساعد هذه النماذج في تحديد أفضل المواد لمحاصيل ومناخات محددة، الأمر الذي يوفر الوقت والموارد.
تركيب الألواح الشمسية في الحقولالأداة
لقد قام أوستن كاي، الباحث في المواد المتقدمة المستدامة، بمركز المواد شبه الموصلة المتكاملة، جامعة سوانزي، بالمملكة المتحدة، بتطوير أداة مفتوحة المصدر تساعد في مقارنة مختلف مواد الطاقة الكهروضوئية، مما يجعل من الأسهل تحديد أفضل الخيارات للطاقة الكهروضوئية الزراعية.
تستخدم الأداةالبيانات الجغرافية والمحاكاة الواقعية لكيفية أداء مواد الطاقة الكهروضوئية المختلفة.
إنه يأخذ في الاعتبار كيفية انتقال الضوء عبر هذه المواد وانعكاسه عنها، فضلاً عن مقاييس الأداء المهمة الأخرى مثل الجهد وناتج الطاقة.
يمكن للأداة أيضًا إجراء قياسات معملية لمواد الطاقة الكهروضوئية وتطبيقها على سيناريوهات العالم الحقيقي.
اختيار أكثر الطرق كفاءة وفعالية صديقة للبيئة
وباستخدام هذه الأداة، تم محاكاة مقدار الطاقة التي يمكن أن تولدها مواد الطاقة الكهروضوئية المختلفة لكل متر مربع على مدار العام، في مختلف المناطق، وقام الباحثون بحساب مقدار الضوء الذي يمر عبر هذه المواد لضمان أن يكون كافياً لازدهار المحاصيل.
ومن خلال تشغيل هذه المحاكاة لمواد متعددة، يمكننا تحديد الخيارات الأكثر ملاءمة للمحاصيل والمناخات المحددة.
الأدوات مثل الأداة قد تلعب دوراً حاسماً في إزالة الكربون من القطاع الزراعي من خلال توجيه تصميم أنظمة الطاقة الكهروضوئية الزراعية.
وقد تجمع الأبحاث المستقبلية بين هذه المحاكاة وتحليلات التأثير الاقتصادي والبيئي، وهذا من شأنه أن يساعد في فهم مقدار الطاقة التي يمكننا توقعها من لوحة شمسية طوال عمرها مقارنة بالموارد والتكاليف المترتبة على إنتاجها.
وفي نهاية المطاف، قد تساعد أداة عملنا الباحثين وصناع السياسات في اختيار أكثر الطرق كفاءة وفعالية من حيث التكلفة وصديقة للبيئة لإزالة الكربون من الزراعة وتقريبنا من تحقيق صافي انبعاثات صفرية عالمية.
