20 آگوست 2024 -توسط استیو کپس، دانشگاه پردو
مزرعه آزمایشی فتوولتائیک در مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی دانشگاه پوردو در زمینه‌های سویا و ذرت. اعتبار: Purdue Agricultural Communications / جاشوا کلارک
یک تیم تحقیقاتی دانشگاه پردو نشان داده است که چگونه می توان عملکرد را در مزارع ذرت مجهز به آرایه های انرژی خورشیدی که در طول روز سایه های پویا را روی محصولات در حال رشد ایجاد می کند، بهینه کرد.
تیم هشت محقق از دانشگاه پردو و دانشگاه آرهوس در دانمارک یافته های خود را در 26 ژوئیه 2024 در Cell Reports Sustainability منتشر کردند.
آرایه‌های پنل خورشیدی – فتوولتائیک – معمولاً در طول روز سایه‌های دائمی روی زمین ایجاد می‌کنند. سایه دائمی در مزرعه مزرعه به رشد محصول آسیب می رساند. تیم Purdue یک سیستم agrivoltaic را آزمایش کرد که بر فراز محصولات کشاورزی قرار دارد تا امکان عملیات کمباین را فراهم کند.
این سیستم خورشید را در ساعات روشنایی روز ردیابی می کرد. با پانل‌هایی که دائماً در حال حرکت بودند، هر ردیف ذرت شدت نور متفاوتی در طول روز دریافت می‌کرد، اما هیچ کدام زیر سایه ثابت نمی‌نشستند.
راکش آگراوال، استاد برجسته مهندسی شیمی Winthrop E. Stone در پوردو، می‌گوید: «ما مدلی برای محاسبه کسری از نور در هر ردیف ایجاد کردیم.
محققین با استفاده از مدل‌های رشد گیاه و شدت نور (سایه پویا) تیم پوردو، اکنون می‌توانند سؤالات حیاتی چه می‌شوند بپرسند. اگر پنل‌های خورشیدی در ارتفاعات پایین‌تر کار می‌کردند چه می‌شد؟ چه می شد اگر آنها به هم نزدیکتر یا دورتر از یکدیگر بودند؟ و اگر انواع ذرت کوتاه تری پرورش دهند چه می شود؟
آگراوال گفت: “یک فصل یک نقطه داده است. اگر می خواهید متغیرهای خود را تغییر دهید، هر سال فقط یک تابستان وجود دارد، بنابراین اگر ارتفاع را تغییر دهیم، می توانید فقط یک محصول را در آن سال برای اندازه گیری تاثیر کشت کنید.” اما با شبیه‌سازی‌ها، تولیدکنندگان فتوولتائیک، شرکت‌های برق و کشاورزان به طور یکسان می‌توانند چندین سوال چه می‌کنند و به سرعت گزینه‌های متعدد را آزمایش کنند.
پانل ها در آزمایش پوردو 20 فوت ارتفاع داشتند. اما مدل‌سازی قبلاً نشان داده است که پانل‌هایی با ارتفاع 10 فوت نتایج مشابهی را با هزینه‌های ساخت بسیار پایین‌تر ایجاد می‌کنند.
آگراوال گفت: “ما به دنیا نشان می دهیم که برای ذرت، چنین کاری می تواند انجام شود و بسیار خوب عمل می کند.”
مارگارت گیتاو، استاد مهندسی کشاورزی و بیولوژیکی، یکی از نویسندگان این مقاله، خاطرنشان کرد که در برخی موقعیت‌ها، آگریوولتائیک‌ها همچنین می‌توانند بر ریزاقلیم مزرعه تأثیر بگذارند به گونه‌ای که انعطاف‌پذیری آب و هوای محصولات را افزایش می‌دهد.
گیتاو می‌گوید: «برخی مناطق ممکن است شرایط مرطوب‌تر و خنک‌تری را تجربه کنند، در حالی که در مناطق دیگر، شرایط ممکن است تفاوتی با مناطق بدون پنل‌های خورشیدی نداشته باشد. سایه ارائه شده توسط پانل ها می تواند در حفظ رطوبت در مناطقی که استرس آب و دما را در دوره های به خصوص خشک تجربه می کنند، مهم باشد.
Agrivoltaics همچنین پتانسیل ساخت سیستم های آب خودکفا را ارائه می دهد. او گفت که رواناب یا آب های زهکشی را می توان جمع آوری و بازیافت کرد تا با استفاده از برق تولید شده در محل، آبیاری تکمیلی فراهم شود.
بیشتر کارهای agrivoltaics ایالات متحده بر روی محصولات خاص مانند کلم بروکسل، تمشک، کلم و فلفل متمرکز است. اما این محصولات در مقایسه با محصولات ردیفی، درصد کمی از زمین را اشغال می کنند.
بر اساس گزارش سازمان خواربار و کشاورزی سازمان ملل متحد، در سال 2022، ذرت، سویا و گندم بیش از 200 میلیون هکتار در ایالات متحده بود.
میچ توینسترا، صاحب کرسی عالی تحقیقات کشاورزی ویکرشام، گفت: “فرصت در مقیاس بزرگ است.”
نویسنده اصلی مطالعه بین رشته ای، دکتری. دانش آموز وارشا گوپتا، به طور مشترک توسط Agrawal و Gitau مشاوره می شود. گیتاو گفت: “وارشا به خوبی توانسته است دانش را در رشته های مختلف از جمله مهندسی شیمی، علوم داده، هوش مصنوعی، ریاضیات و مهندسی کشاورزی و زیست ادغام کند، که این کار ساده ای نیست.”
مقاله جدید به دنبال مطالعه مرتبطی است که در ماه مارس گذشته توسط شش نفر از همان نویسندگان منتشر شد که چگونگی بهینه‌سازی سیستم‌های agrivoltaics برای تولید غذا یا انرژی با تنظیم ردیابی خورشیدی یا ضد ردیابی را شرح می‌داد.
ردیابی همیشه بیشترین انرژی را تولید می کند. ضد ردیابی هیچ سایه‌ای بر محصولات کشاورزی نمی‌گذارد، اما برق تولید نمی‌کند. مطالعه جدید نحوه بهینه سازی سیستم با مدل سازی سایه پویا را گزارش می دهد.
نتایج تجربی منتشر شده در هر دو مقاله تأثیر نسبتاً کمی سایه‌های دینامیکی بر عملکرد ذرت از agrivoltaics را نشان داد. مجموعه داده ها تا حدودی متفاوت بود، با این حال ذرت در هر دو آزمایش بین 20 تا 25 درصد مواقع سایه را تجربه کرد.
Tuinstra گفت: “شما فکر می کنید 20٪ تا 25٪ زیان وجود دارد. ما حدود 8٪ ضرر را می بینیم.”
کشاورزان در صورت بهینه سازی انرژی می توانند 1000 دلار در هر هکتار از تولید برق و در صورت بهینه سازی ذرت حدود 300 دلار در هکتار از تولید برق به دست آورند.
سیستم متصل به هیئت تجارت شیکاگو می تواند به طور پویا قیمت های بازار ذرت و انرژی را محاسبه کند.
Tuinstra گفت: «فرصت‌ها در تولید انرژی‌های تجدیدپذیر و انرژی‌های تجدیدپذیر ممکن است به خدمات اکوسیستم آینده کمک کند،» مزایایی که اکوسیستم‌ها برای مردم فراهم می‌کنند. این امر در صورتی امکان‌پذیر می‌شود که فناوری‌های جدید کشاورزی پایدار و احیاکننده بتوانند با ولتاژهای کشاورزی ادغام شوند.
کشاورزی احیا کننده شامل استراتژی‌های مدیریتی است که شامل محصولات پوششی، نوارهای دشت‌زار، کشاورزی بدون خاک‌ورزی و حداقل استفاده از کود نیتروژن است. چنین شیوه‌هایی خدمات اکوسیستمی را ارائه می‌دهند، اما هزینه‌های آنها برای مصرف‌کنندگان، تولیدکنندگان و دولت بسیار زیاد است.
Tuinstra گفت: “اگر راهی برای ادغام این چیزها پیدا کنید، به طور ناگهانی، خدمات اکوسیستمی خواهید داشت که هزینه آن توسط انرژی های تجدید پذیر پرداخت می شود. همه می توانند از این خدمات اکوسیستم بهره مند شوند.”
