مزارع اشتراک خورشیدی و آگری ولتائیک

در حالی که پهنه گسترده‌ای از کشور درگیر خشکسالی شدید بوده و منابع آبی باقی‌مانده هم به‌سرعت در حال تحلیل رفتن هستند، آیا می‌توانیم با اتخاذ یک سیاست خلاقانه و منطقی، به‌طور همزمان و کاملاً هدفمند، بخشی از نگرانی‌های موجود در خصوص امنیت غذایی، بحران آب، اشتغال در بخش کشاورزی، آلودگی هوا ناشی از شیوع کانون‌های محلی تولید گردوغبار و تولید انرژی را در کشور کاهش دهیم؟ آیا راهکاری دانش‌بنیان و کاربردی برای نیل به این هدف در دنیای پیرامونی ما وجود دارد؟ در نوشتار حاضر ضمن معرفی یکی از راهکارهای جدید جهانی و تشریح مزایای بالقوه این راهکار برای کشور، به دلایل اهمیت مطرح‌شدن این طرح جهت بررسی در مدیریت کلان کشور خواهیم پرداخت.

مقدمه

بزرگ‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر و در دسترس برای استفاده بشر، انرژی خورشیدی است. منبع انرژی که پایدار، پاک، مستمر و قابل‌اعتماد بوده و می‌تواند اساس توسعه پایدار مبتنی بر کاهش نگرانی‌های زیست‌محیطی در دنیای امروزی باشد. در سال‌های اخیر، سیستم پنل‌های خورشیدی PV یا فتوولتائیک که این انرژی را به خدمت می‌گیرد، رشدی سریع و جهانی داشته است، اما این رشد نیز همراه با رونمایی از نقاط ضعف و چالش‌های جدید بوده است. اشکال اصلی سیستم‌های خورشیدی PV، نیاز قابل‌توجه به سطوح وسیع و مناسب جهت استقرار و بهره‌برداری است. تأسیسات نیروگاه‌های خورشیدی PV در مقیاس بزرگ به‌طور مستقیم بر روی سطوحی از زمین نصب می‌شوند که در معرض تابش حداکثری نور خورشید در طول روز می‌باشند. در کشور ما دشت‌های مسطح و شیب‌های مناسب جهت احداث نیروگاه‌های خورشیدی که نزدیک به مراکز جمعیتی و مصرف انرژی باشند عمدتاً با کاربری زراعی و باغی بوده و امکان تغییر کاربری جهت ایجاد مزارع خورشیدی در این دسته از اراضی بجهت منع قانونی برای حفاظت از آن‌ها و ممانعت از محدود کردن پتانسیل تولید مواد غذایی وجود نداشته است. تا همین اواخر در دنیا، نگرش رایج بر این بود که یک قطعه زمین مناسب یا می‌تواند کاربری زراعی داشته و برای تولید محصولات کشاورزی استفاده شود و یا می‌تواند برای تولید انرژی و استقرار مزارع انرژی خورشیدی بکار گرفته شود، اما نه برای هر دو هدف به‌صورت همزمان. اما این نگرش در سال ۱۹۸۱ توسط آدولف گتزبرگر و آرمین زاسترو به‌عنوان نخستین کسانی که پیشنهاد استفاده دوگانه از زمین‌های زراعی برای تولید همزمان انرژی خورشیدی و محصولات کشاورزی، جهت افرایش بهره‌وری از زمین و تولید نهایی را دادند به چالش کشیده شد [۲]. سپس در سال ۲۰۰۴ یک مهندس ژاپنی ماشین‌آلات کشاورزی بنام آکیرا ناگاشیما با ابداع سیستمی ابتکاری بنام " اشتراک‌گذاری خورشیدی " با ترکیب پنل‌های خورشیدی PV با مزارع کشاورزی عملاً نگرش قبلی را رد کرد. اساس کار این بود که او دریافت که از نقطه اشباع نور، افزایش سطح نور خورشید باعث افزایش بیشتر نرخ فتوسنتز نمی‌شود. ناگاشیما پایلوت‌های اولیه را در کشور ژاپن در سال ۲۰۰۴ اجرا و توسعه داد [۳].
امروزه تولید همزمان محصولات کشاورزی و انرژی خورشیدی در یک زمین زراعی، تحت نام‌های مختلف در جهان شناخته می‌شود، مانند"Agrophotovoltaics" : در کشور آلمان [۵] [۶]، "Agrovoltaics" در ایتالیا [۷] [۸]، "Solar sharing" در آسیا [۳] [۹].

سیستم آگری ولتائیک؛ بهره‌وری و تأثیرات جانبی آن اصطلاح آگری ولتائیک "Agrivoltaics" برای اولین بار در یک مقاله در سال ۲۰۱۱ استفاده شد [۴]. سیستم آگری ولتائیک در مناطقی که افزایش راندمان مصرف آب در بخش کشاورزی ضروری است می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد [۱]. در تحقیقاتی که بر روی سطوح تبخیر در محصولات مقاوم به سایه مانند خیار و کاهو آبیاری شده، تحت پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک انجام شد، کاهش تبخیر به میزان ۱۴تا ۲۹ درصد ثبت گردید [۱]. در مطالعه‌ای که بر روی گرمای خاک، هوا و پوشش گیاهی در زیر پنل‌های خورشیدی در طول یک فصل زراعی انجام شد، مشخص شد که علیرغم اینکه جریان هوا در زیر پنل‌ها ثابت باقی‌مانده بود، درجه حرارت خاک و سطح پوشش گیاهی کاهش داشته است [۱].
شبیه‌سازی‌ها و مطالعات انجام‌شده بر روی بهره‌وری سیستم‌های آگری ولتائیک نشان می‌دهند که تولید مؤثر و همزمان محصولات مقاوم در برابر سایه‌اندازی و انرژی الکتریسیته در یک مزرعه کاملاً امکان‌پذیر است. دینش و همکاران دریافتند که تولید نهایی کاهو در سیستم آگری ولتائیک با کشت تک‌گونه‌ای (monocultures) آن کاملاً قابل‌مقایسه است. در واقع سیستم آگری ولتائیک برای گیاهانی که مقاوم به سایه‌اندازی هستند، بهترین نتیجه را در بردارد.

بیشتر بخوانید: قیمت برق خورشیدی برای مصارف خانگی

شبیه‌سازی انجام‌شده توسط دوپراز و همکاران نشان داد که در سیستم آگری ولتائیک پتانسیل بهره‌وری زمین به میزان ۶۰ تا ۷۰٪ افزایش یافته است[۱]. علاوه بر این، دینش و همکاران دریافتند که ارزش برق خورشیدی تولیدی به همراه ارزش محصولات زراعی تولیدشده، موجب افزایش بیش از ۳۰ درصدی ارزش اقتصادی مزارع در مقایسه با سیستم کشاورزی مدرن می‌شود [۱۰]. سیستم‌های آگری ولتائیک برای تولید محصولات تابستانی با توجه به میکروکلیمایی که ایجاد می‌کنند، و اثر جانبی که بر روی کنترل گرما و رطوبت نسبی دارند، مفید خواهند بود. [۱۱] دوپراز و همکاران در تحقیقی که انجام دادند، دریافتند که سیستم‌های آگری ولتائیک می‌توانند از طریق افزایش بهره‌وری زمین بخصوص در کشورهای که با محدودیت زمین مواجه هستند، بسیار کارآمد باشند [۱۲]. به‌طور مثال، در کشورهایی نظیر هند، جایی که ظرفیت فتوولتائیک (PV) اتصال شده به شبکه، از تقریباً صفر به ۲،۶۰۰ مگاوات در عرض ۴ سال افزایش‌یافته است، یکی از مسائل کلیدی که به وجود آمده است محدودیت زمین بوده و استفاده از زمین برای کشاورزی و انرژی تجدیدپذیر به‌طور همزمان مطرح شده است [۱۳].

اشتراک‌گذاری خورشیدی کشاورزان ژاپنی در حال بهره‌برداری از فرصت‌های جدید برای تولید برق در مزارع، همزمان با تولید محصولات کشاورزی خود هستند. در ماه آوریل ۲۰۱۳، وزارت زراعت، جنگلداری و شیلات (MAFF ) ژاپن استقرار سیستم خورشیدی PV را در مزارع کشاورزی تحت عنوان «اشتراک‌گذاری خورشید » تأیید کرد، عملی که قبلاً تحت قانون حمایت از زمین‌های کشاورزی ممنوع اعلام شده بود، صرف‌نظر از اینکه زمین در حال تولید یا بایر بوده باشد [۱۴]. بر اساس دستورالعمل‌های MAFF، سیستم به‌گونه‌ای طراحی شده است که اجازه می‌دهد سطح مناسبی از نور خورشید به گیاهان زراعی تابیده شده و فضای کافی برای فعالیت ماشین‌آلات کشاورزی وجود داشته باشد. کل سازه در صورت لزوم به‌راحتی قابل برچیده شدن و جابجایی بوده بدون آنکه پایه‌های سیمانی در سطح مزرعه باقی بمانند. سیستم PV که آکیرا ناگاشیما طراحی کرد، علیرغم نداشتن پایه‌های بتنی به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای در مقابل زلزله و باد مقاوم است. اعمال دستورالعمل‌های MAFF این اطمینان را ایجاد کرد که کشاورزان در مزارع کماکان به تولید مؤثر ادامه داده و تغییرکاربری اراضی به سایت نیروگاهی برای تولید صرف انرژی خورشیدی صورت نخواهد پذیرفت. کشاورزان ژاپنی بایستی گزارش سالیانه‌ای از تولید محصولات کشاورزی خود در این‌گونه سایتها ارائه داده تا اگر مقدار محصول تولیدی کمتر از ۸۰ درصد باشد، سیستم PV برچیده شود[۱۵].

نمودار زیر نشان می‌دهد که اگر سیستم اشتراک‌گذاری انرژی خورشیدی در ۲۰ درصد از زمین‌های کشاورزی ژاپن نصب شود، می‌تواند سالانه تا ۴۷۴.۹ میلیون مگاوات برق تولید کند، که در حدود ۵۷ درصد از کل تقاضای برق ژاپن در سال ۲۰۱۴ است [۱۶].

برآورد خروجی انرژی خورشیدی

طرح موضوع و اهمیت آن
ایران از جمله معدود کشورهای دنیاست که با داشتن بیش از ۳۰۰ روز آفتابی در طول سال ( به‌طور متوسط حدوداً ۲۸۰۰ ساعت خورشیدی)، دارای شدت انرژی بالاتر از سطح متوسط جهانی است. این بدین معناست که اولاً سرمایه‌گذاری در بخش احداث نیروگاه‌های خورشیدی در مقیاس‌های مختلف توجیه فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی داشته و ثانیاً با توجه به شدت بالای تابش در کشور، اکثر گیاهان زراعی نیاز به دریافت تمام نور خورشید برای انجام فتوسنتز و رشد و نمو را ندارند. چرا که هر سطحی از نور فراتر از نقطه اشباع، میزان فتوسنتز را افزایش نخواهد داد و حتی در مناطق خشک و نیمه‌خشک می‌تواند از طریق کاهش رطوبت نسبی و تبخیر زیاد کاملاً مضر هم باشد. بنابراین، اگر محصولات زراعی بخصوص آن‌هایی که مقاوم به سایه‌اندازی هستند، به تمام نور خورشید برای فتوسنتز نیاز ندارند، چرا از مقدار اضافی برای تولید انرژی در کشور استفاده نشود؟
با تشدید افت سطح آب‌های زیرزمینی و کسری ۶ میلیارد مترمکعبی حجم مخزن دشت‌ها کشور با خطر کاهش قابل‌ملاحظه آب قابل استحصال برای تأمین آب بخش کشاورزی و به‌تبع آن کاهش درآمد و از دست دادن گسترده اشتغال بهره‌برداران مواجه است. آیا بهتر نیست که همه تخم‌مرغ‌ها را در یک سبد نگذاریم؟ چرا ما از سیستم اشتراک خورشیدی برای مدیریت بحران و کاهش آثار سوء آن استفاده نکنیم؟ به‌عنوان‌مثال، در سال‌های اخیر بسیاری از کشاورزان ایالت کالیفرنیای آمریکا که از خشکسالی ممتد و به‌تبع آن، کاهش تولید و درآمد به ستوه آمده بودند، از طریق روی آوردن به تولید انرژی خورشیدی در مزارع خود انگیزه‌ای قوی برای ماندن در مزارع و ادامه فعالیت پیدا کرده‌اند [۱۷]. در حقیقت استقرار پنل‌های فتوولتائیک در مزارع برای تولید انرژی برق، بجهت نیاز آبی کم برای شستشو، سیاستی قابل‌قبول و بهترین راهکار ممکن برای فائق آمدن بر مشکلات مالی ناشی از خشکسالی های ممتد و طولانی‌مدت است. انرژی تولیدشده می‌تواند در درجه اول برای تأمین برق مورد نیاز مراکز جمعیتی در شهرها و روستاهای پیرامونی، چاه‌های کشاورزی و یا مراکز صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و در صورت عدم نیاز، به شبکه برق سراسری وصل گردد. مضاف بر اینکه تولید الکتریسیته و درآمدزایی در کل سال ادامه خواهد داشت نه فقط در طول فصل زراعی.

دیوارهای بادشکن با پنل‌های خورشیدی برای کنترل ریز گردها نتایج تحقیقی که در کشور چین در خصوص امکان ایجاد دیوارهای بادشکن با پنل‌های خورشیدی برای کنترل ریز گردها انجام شد، نشان داد که پنل‌های خورشیدی قادرند که کسر قابل‌توجهی از ریزگردها را کنترل و در عین حال انرژی الکتریسیته قابل‌توجهی تولید کنند[۱۸]. اساس رویکرد پیشنهادی این است که ردیف‌های از پنل‌های خورشیدی با پوشش پشتی ورقه‌های فولاد ضدزنگ و یا مواد مشابه به‌عنوان دیوارهای بادشکن در مجاورت کانون‌های محلی تولید گردوغبار نصب می‌گردد. این دیوارها شامل پنل‌هایی بوده که بر روی محورهای نصب‌شده تحت کنترل یک ایستگاه مرکزی برای تغییر زاویه قرارگیری نسبت به بادهای حامل گردوغبار در شرایط هشدار توسط اداره هواشناسی هستند ، همان‌طور که در شکل‌های زیر (a&b) نشان داده شده است.

انرژی خورشیدی

شستشوی پنل‌های خورشیدی امکان‌سنجی ایجاد این رویکرد با هدف مشابه و کاهش تبخیر در ایران توسط وزارتخانه‌های متبوع و مراکز دانشگاهی از طریق استقرار بادشکن با پنل‌های خورشیدی در مزارع پایلوت از اهمیت بالایی برخوردار است. استقرار نواری این‌گونه بادشکن‌ها در تلفیق با گیاهان مناسب کم آب و مقاوم مانند گل محمدی در سطح آن دسته از مزارع در کشور که در آن‌ها مشکل گردوغبار، کمبود آب، وزش بادهای شدید، تبخیر بالا و بازده کم اقتصادی وجود دارد می‌تواند راهکار و جایگزینی مناسب برای بادشکن‌های درختی در شرایطی که محدودیت آب جهت آبیاری درختان وجود دارد، باشد.
یکی دیگر از مزیت‌های این طرح آن است که آب حاصل از بارش‌ها در فصل غیر زراعی که از روی پنل‌های خورشیدی به پایین می‌ریزد می‌تواند از طریق کانال‌های به سمت استخرهای نگهداری هدایت و در شروع فصل زراعی برای آبیاری محصولات زراعی استفاده شود و یا به چاهک‌های نفوذ هدایت شده و از تبخیر آن جلوگیری شود. از آب چاه‌های کشاورزی در فصل زراعی هم می‌توان استفاده دوگانه برای شستشوی پنل‌ها جهت زدودن گردوغبار، و هدایت آب حاصل از شستشو برای آبیاری گیاهان زراعی کشت‌شده در زیر پنل‌ها داشت.
پرورش دام در مزارع خورشیدی بخصوص برای تولیدات ارگانیک گوشت و تخم‌مرغ محبوب‌ترین گزینه دوگانه برای افزایش بهره‌وری است. در این سیستم‌ها پرورش مرغ، غاز و بوقلمون و دام‌های کوچک بسیار رایج است، چراکه سایه‌اندازی پنل‌ها و پوشش علفی مناسب و پرپشت در زیر پنل‌ها محیطی ایدئال و پناهگاهی مناسب برای تغذیه و رشد و نمو آن‌ها فراهم خواهد کرد (شکل زیر، نیروگاه اشتراک خورشیدی در Oo ، تسوکوبا، ژاپن، جولای ۲۰۱۵).

مزرعه خورشیدی

سخن آخر
ساخت نیروگاه‌های کوچک اشتراک انرژی خورشیدی می‌تواند بخشی از یک راه‌حل پایدار برای برخی از مشکلات ناشی از خشکسالی در کشور باشد. ایده کشت همزمان محصولات کشاورزی و تولید برق خورشیدی در مزارع کشاورزی به دلایلی که گفته شد، بایستی به‌صورت جدی در وزارتخانه‌های نیرو و جهاد کشاورزی و مجلس شورای اسلامی مطرح و مورد بررسی قرار گیرد، ایده‌ای که در کشورهای مختلف جهان مطرح، آزمایش و اجرا شده است. در کشور ما ایران این ایده به لحاظ محدودیت‌های منابع آبی و لزوم آینده‌نگری در جهت حفظ انگیزه و اشتغال بهره‌برداران بخش کشاورزی برای ماندن در روستاها و تجدید حیات بخش کشاورزی برای نسل‌های آینده، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
از آنجایی که وزارت نیرو در نظر دارد در راستای اجرای تعهدات کشور در توافقنامه پاریس و اسناد بالادستی کشور از جمله برنامه ششم توسعه، در ۵ سال آینده میزان تولید برق از انرژی‌های تجدید پذیر در کشور را به حدود ۵۰۰۰ مگاوات و سهم انرژی‌های پاک (با احتساب انرژی برق‌آبی) در سبد انرژی کشور را تا پایان برنامه ششم به ۲۶ هزار مگاوات برساند[۱۹]. بدون شک سرمایه‌گذاری برای امکان‌سنجی و پیاده کردن سیستم‌های اشتراک خورشیدی در نقاط مختلف ایران علاوه بر مزیت‌های که گفته شد می‌تواند زمینه‌ساز تحولی بنیادی در اقتصاد انرژی کشور باشد. با نگاه امیدوارانه، سیستم اشتراک‌گذاری خورشیدی می‌تواند بهره‌وری و ارزش افزوده را در بخش کشاورزی در کشور بهبود و افزایش دهد، سیستمی که اگر در بستر سیاست‌گذاری آینده‌نگر و صحیح شکل گرفته و اجرا شود با تولید همزمان انرژی خورشیدی و محصولات زراعی قادر خواهد بود که کارگران بیشتری را به بخش کشاورزی جذب، و روند مهاجرت به شهرها را معکوس کند. و سخن آخر اینکه، در دسترس بودن فن‌آوری مناسب، اراده ملی و سیاست‌گذاری صحیح (حمایتی، تضمینی و تشویقی) فاکتورهای مهمی خواهند بود که منجر به سرمایه‌گذاری در این بخش می‌شود و نه چیز دیگر.

منابع
۱- Dinesh, Harshavardhan; Pearce, Joshua M. "The potential of agrivoltaic systems". Renewable and Sustainable Energy Reviews. ۵۴: ۲۹۹–۳۰۸. doi:۱۰.۱۰۱۶/j.rser.۲۰۱۵.۱۰.۰۲۴.
۲- GOETZBERGER, A.; ZASTROW, A. (۱۹۸۲-۰۱-۰۱). "On the Coexistence of Solar-Energy Conversion and Plant Cultivation". International Journal of Solar Energy. ۱ (۱): ۵۵–۶۹. ISSN ۰۱۴۲-۵۹۱۹. doi:۱۰.۱۰۸۰/۰۱۴۲۵۹۱۸۲۰۸۹۰۹۸۷۵.
۳- "Japan Next-Generation Farmers Cultivate Crops and Solar Energy". www.renewableenergyworld.com. Retrieved ۲۰۱۷-۰۹-۱۱.
۴-Dupraz, C.; Marrou, H.; Talbot, G.; Dufour, L.; Nogier, A.; Ferard, Y. "Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use: Towards new agrivoltaic schemes". Renewable Energy. ۳۶ (۱۰): ۲۷۲۵–۲۷۳۲. doi:۱۰.۱۰۱۶/j.renene.۲۰۱۱.۰۳.۰۰۵.
۵- Schindele, Stefan (۲۰۱۳). "Combining Pv And Food Crops To Agrophotovoltaic–Optimization Of Orientation And Harvest". ۱۳th IAEE European Conference.
۶- "APV Resola". APV Resola (in German). Retrieved ۲۰۱۷-۰۹-۱۱.
۷- "Agrovoltaico, equilibrio perfetto | Rinnovabili". www.rinnovabili.it (in Italian). Retrieved ۲۰۱۷-۰۹-۱۱.
۸- "Agrovoltaico - Rem Tec". Rem Tec. Retrieved ۲۰۱۷-۰۹-۱۱.
۹- "Japanese Farmers Producing Crops and Solar Energy Simultaneously". www.i-sis.org.uk. Retrieved ۲۰۱۷-۰۹-۱۱.
۱۰- Harshavardhan Dinesh, Joshua M. Pearce, The potential of agrivoltaic systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, ۵۴, ۲۹۹-۳۰۸ (۲۰۱۶).
۱۱- Dupraz, C. "To mix or not to mix: evidences for the unexpected high productivity of new complex agrivoltaic and agroforestry systems." (PDF). Retrieved ۲۰۱۷-۰۴-۱۴.
۱۲ -C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier, Y. Ferard Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use: Towards new agrivoltaic schemes.Renewable Energy, Volume ۳۶, Issue ۱۰, October ۲۰۱۱, Pages ۲۷۲۵-۲۷۳۲.
۱۳- Ajay Pal Singh Chabba, ۲۳-۱۲-۲۰۱۴. Utilisation of Solar Power Plant Land in India for Crop Cultivation. https://en.reset.org/blog/utilisation-solar-power-plant-land-india-crop-cultivation-۰۸۰۱۲۰۱۴.
۱۴- “Japan next-generation farmers cultivate crops and solar energy”, Junko Movellan, Renewable Energy.world.com, ۱۰ October ۲۰۱۳, http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/۲۰۱۳/۱۰/japan-next-generation-farmers-cultivate-agriculture-and-solar-energy?cmpid=WNL-Friday-October۱۱-۲۰۱۳.
۱۵-Japanese Farmers Producing Crops and Solar Energy Simultaneously, http://www.i-sis.org.uk/Japanese_Farmers_Producing_Crops_and_Solar_Energy.php.
۱۶- SOLAR SHARING IN JAPAN: Opportunities and Experiences. http://st.sustainability.k.u-tokyo.ac.jp/۲۰۱۵/۰۷/۳۰/solar-sharing/.
۱۷- Discover ۹ Advantages of Solar Energy for Agriculture. https://rockridgerenewables.com/discover-۹-advantages-solar-energy-agriculture/
۱۸- Great wall of solar panels to mitigate yellow dust storm, ۲۰۱۴. Published by Elsevier B.V. on behalf of Chinese Society of Particuology and Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences.
۱۹- http://www.isna.ir/news/۹۶۰۷۱۷۰۹۴۳۰, مناطق آفتاب‌خیز ایران، جولانگاه تولید برق

https://zistonline.com/vdceef8p.jh8nxi9bbj.html