الطاقة الشمسية العمودية: تقنية جديدة تجمع بين الطاقة النظيفة والزراعة

تُعدّ الزراعة الكهروضوئية، التي تتضمن تركيب أجهزة الطاقة الشمسية على الأراضي الزراعية، ممارسة يتم اعتمادها بشكل متزايد في جميع أنحاء العالم لتنفيذ الطاقة النظيفة اللامركزية دون الإضرار باستخدام الأراضي. 

التابع بحث سلوك جامعة ولاية أوريغون​​ وخلص الذي - التي ال تركيبات الطاقة الشمسية بجانب الأنشطة الزراعة استطاع توفير 20% من هناك إنتاج إجمالي استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة . الباحثون مطالبة الذي - التي ال منشآت الطاقة الشمسية الزراعية في كبير سُلُّم استطاع في تأثير يقلل ال الانبعاثات ل الكربون من 330 ألف طن بواسطة سنة مع أ تأثير " ضئيل " على ال المحاصيل الزراعية .

يذكر المقال أن الزراعة الكهروضوئية تتطلب مساحة تعادل تقريبًا مساحة ولاية ماريلاند لتغطية 20% من إنتاج الكهرباء في الولايات المتحدة. وهذا يعادل 33,670 كيلومترًا مربعًا، أو 1% من الأراضي الزراعية الأمريكية الحالية. وعلى الصعيد العالمي، يقدر العلماء أنه في حال تحويل 1% من الأراضي الزراعية إلى محطات طاقة شمسية كهروضوئية، فإنه يمكن تلبية جميع احتياجات العالم من الطاقة.

توجد عدة طرق لتركيب أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية. إحدى الطرق الشائعة هي رفع الألواح لتوفير مساحة أسفلها لحركة المعدات الزراعية أو الماشية بحرية. وهناك اتجاه آخر حديث يتمثل في تركيب الألواح الشمسية عموديًا، مما يترك مساحات مفتوحة واسعة بين الصفوف. 

الولايات المتحدة 

في سومرست، كاليفورنيا، تم تركيب ألواح شمسية عمودية من تصميم شركة Sunzaun الألمانية في كرم عنب. وقد طورت شركة Sunstall، المتخصصة في تركيب الألواح الشمسية، هذا النظام الذي يتكون من 43 وحدة بقدرة 450 واط متصلة بمحول طاقة صغير وبطاريتين. 

يُتيح التصميم البسيط توصيلًا سهلًا بعمودين رأسيين باستخدام فتحتين في إطار الوحدة، مما يُغني عن الحاجة إلى أنظمة تثبيت ثقيلة. تُنتج وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه الطاقة على جانبي الوحدة المثبتة رأسيًا.

في الأنظمة التقليدية المصممة للتركيب الأفقي، تُقطع القضبان المستخدمة لتثبيت الألواح على الدعامات عادةً لتناسب أبعاد اللوح المطلوبة. إذا تغيرت أبعاد اللوح بعد شراء جميع المكونات الأخرى، فقد يتأخر المشروع ريثما يُعاد ضبط القضبان لتلائم حجم اللوح الجديد. أما مع تصميم Sunzaun، فيمكن استيعاب تغييرات حجم اللوح بسهولة عن طريق تعديل المسافة بين كل عمود. وإذا لزم الأمر، يمكن أيضًا تعديل ارتفاع اللوح عن الأرض.

ألمانيا 

درس علماء من جامعة لايبزيغ للعلوم التطبيقية الأثر المحتمل لنشر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الموجهة شرقًا وغربًا على نطاق واسع في سوق الطاقة الألمانية. وتشير نتائجهم إلى أن هذه المنشآت قد يكون لها أثر إيجابي على استقرار شبكة الكهرباء في البلاد، فضلًا عن كونها أكثر توافقًا مع الأنشطة الزراعية مقارنةً بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدية المثبتة على الأرض. 

لقد وجد العلماء أن أنظمة الخلايا الكهروضوئية العمودية قادرة على تحويل إنتاج الطاقة الشمسية إلى ساعات ذروة الطلب على الكهرباء وتوفير المزيد من الكهرباء خلال أشهر الشتاء، مما يقلل من تقليص إنتاج الطاقة الشمسية خلال هذه الفترات. 

ويوضحون قائلين: "إذا دمجنا نظام تخزين بقدرة شحن وتفريغ تبلغ 1 تيراواط وسعة 1 تيراواط ساعة في نموذج نظام الطاقة، فسنتمكن من تحقيق وفورات في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تصل إلى 2.1 مليون طن سنويًا، وذلك بالاعتماد على 70% من الوحدات الرأسية الموجهة من الشرق إلى الغرب و30% من الوحدات المائلة نحو الجنوب. وفي نهاية المطاف، حتى وإن بدا الوصول إلى نسبة 70% من محطات الطاقة الرأسية أمرًا غير واقعي، فإن نسبة أقل كافية لإحداث تأثير إيجابي." 

اليابان 

في اليابان، قامت شركة Luxor Solar KK، وهي شركة يابانية تابعة لشركة Luxor Solar الألمانية المصنعة للوحدات الشمسية، بتركيب نظام كهروضوئي رأسي بقدرة 8.3 كيلوواط في موقف سيارات شركة معالجة الأرز المملوكة لشركة Eco Rice Niigata. 

قال أوفه ليبشر، الرئيس التنفيذي لشركة لوكسور سولار، لمجلة بي في : "ستُركن السيارات بين الرفوف العمودية. والهدف من هذا النظام هو إثبات كفاءته طوال فصل الشتاء، بالإضافة إلى إنتاج الطاقة الإضافية الناتجة عن انعكاس الضوء على الثلج. مع ذلك، تشتهر منطقة نيغاتا بتساقط الثلوج الكثيف، الذي قد يصل ارتفاعه إلى مترين أو ثلاثة أمتار في الشتاء." 

يضم النظام المواجه للجنوب وحدات شمسية ذات وصلات غير متجانسة من شركة لوكسور سولار، وحلول تركيب من شركة نيكست تو صن الألمانية المتخصصة في أنظمة الطاقة الشمسية العمودية، ومحولات كهربائية من إنتاج شركة أومرون اليابانية . وسيوفر هذا النظام الكهرباء لمصنع قريب لمعالجة الأرز. وقد ساهمت مدينة ناغاوكا بمبلغ 13,950 يورو تقريبًا في تمويل المشروع. 

"يشغل التركيب العمودي مساحة ضئيلة في المزرعة، بينما يسمح للمحاصيل بالاستفادة من أكثر من 85% من الضوء. وهذا يضمن توازناً مثالياً بين الطاقة الشمسية والزراعة، وهو عنصر بالغ الأهمية في اليابان"، كما صرّح. "لذا، يمكننا تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية في المزارع الكبيرة التي تزرع محاصيل مثل القمح والبطاطس والأرز." 

فرنسا 

في فرنسا، افتتحت شركة توتال إنيرجيز وشركة إنفيفو المتخصصة في الطاقة الشمسية الزراعية نموذجاً تجريبياً رأسياً للطاقة الشمسية الزراعية بقدرة 111 كيلوواط. ووفقاً لشركة توتال إنيرجيز، فإن الهدف من هذا المشروع التجريبي هو دراسة تأثير نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية على الإنتاج الزراعي والتنوع البيولوجي، وتخزين الكربون، وجودة المياه. 

"نحن مقتنعون بأن أوجه التآزر بين إنتاج الكهرباء الخضراء والغاز الحيوي والمنتجات الزراعية تشكل أحد الحلول لتحقيق استقلالنا في مجال الطاقة والغذاء"، هذا ما قاله تيري مولر، المدير الإداري لشركة توتال إنيرجيز رينيوابلز فرنسا. 

جلد سويدي 

طوّر فريق من العلماء في جامعة مالاردالن بالسويد نموذجًا لديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) يُسهّل تحليل المناخات المحلية في مشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية الرأسية. تُستخدم محاكاة CFD لحل معادلات معقدة حول تدفق المواد الصلبة والغازات عبر الأجسام وحولها، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لتحليل المناخات المحلية في الأنظمة الزراعية الكهروضوئية. 

"سيتم استخدام نماذج أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية بشكل متزايد في تصميم واتخاذ القرارات للمنشآت الجديدة، حيث يمكنها تحليل/توقع التغيرات المناخية الدقيقة بناءً على موقع ونوع نظام الطاقة الشمسية الزراعية"، كما صرح الباحث سيباستيان زينالي لمجلة الطاقة الشمسية . 

لاحظت الدراسة انخفاضًا بنسبة 38% في شدة الإشعاع الشمسي على مناطق التربة الواقعة في ظل وحدات الخلايا الكهروضوئية الرأسية. 

المبادئ الأساسية 

في الولايات المتحدة، قام المختبر الوطني للطاقة المتجددة بتصنيف عوامل نجاح مشاريع الطاقة الشمسية الزراعية إلى خمس فئات: 

• الظروف المتعلقة بالمناخ والتربة والبيئة - يجب تكييف الظروف الخارجية مع إنتاج الطاقة الشمسية ومع المحاصيل أو الغطاء النباتي المرغوب فيه.  
• التكوينات ، وتقنيات الطاقة الشمسية ، والتصاميم – يمكن أن يكون لاختيار تقنية الطاقة الشمسية، وتخطيط الموقع، والبنية التحتية الأخرى، تداعيات كبيرة، بما في ذلك كمية ضوء الشمس التي تصل إلى الألواح الشمسية، وقدرة الجرار على المرور أسفلها عند الضرورة. يوضح جيمس ماكول، الباحث في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) والعامل في مشروع InSPIRE: "ستبقى هذه البنية التحتية قائمة لمدة 25 عامًا، لذا من الضروري التخطيط بعناية لاستخدامها المقصود. يعتمد نجاح المشروع على ذلك".  
• إن اختيار الأصناف المزروعة وطرق الزراعة والبذور ومشروع الزراعة، بالإضافة إلى أساليب الإدارة - لدى مشاريع الزراعة الكهروضوئية كل الاهتمام باختيار المحاصيل أو الغطاء النباتي الذي ينمو جيدًا تحت الألواح، وفي المناخ المحلي ويكون مربحًا في الأسواق المحلية.  
• التوافق والمرونة – لتمكين الأنشطة الزراعية من التطور بفعالية، يجب تصميم أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية لتلبية الاحتياجات المتضاربة أحيانًا لأصحاب منشآت الطاقة الشمسية ومشغلي المنشآت والمزارعين أو ملاك الأراضي.  
• التعاون والشراكات – لكي ينجح أي مشروع، فإن التواصل والتفاهم بين المجموعات أمر ضروري.

المصادر والإلهامات: مجلة PV، مصادر متنوعة