مزارع اشتراک خورشیدی و آگری ولتائیک

آیا راهکاری دانش‌بنیان برای پرداختن به مسائل موجود در خصوص امنیت غذایی، بحران آب، اشتغال در بخش کشاورزی، آلودگی هوا ناشی از شیوع کانون‌های محلی تولید گردوغبار و تولید انرژی 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.

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 1981 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 [2]. سپس در سال 2004 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 2004 اجرا و توسعه داد [3].
امروزه تولید همزمان محصولات کشاورزی و انرژی خورشیدی در یک زمین زراعی، تحت نام‌های مختلف در جهان شناخته می‌شود، مانند"Agrophotovoltaics" : در کشور آلمان [5] [6]، "Agrovoltaics" در ایتالیا [7] [8]، "Solar sharing" در آسیا [3] [9].

سیستم آگری ولتائیک؛ بهره‌وری و تأثیرات جانبی آن
اصطلاح آگری ولتائیک "Agrivoltaics" برای اولین بار در یک مقاله در سال 2011 استفاده شد [4]. سیستم آگری ولتائیک در مناطقی که افزایش راندمان مصرف آب در بخش کشاورزی ضروری است می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد [1]. 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 14تا 29 درصد ثبت گردید [1]. 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 [1].
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. شبیه‌سازی انجام‌شده توسط دوپراز و همکاران نشان داد که در سیستم آگری ولتائیک پتانسیل بهره‌وری زمین به میزان 60 تا 70٪ افزایش یافته است[1]. علاوه بر این، دینش و همکاران دریافتند که ارزش برق خورشیدی تولیدی به همراه ارزش محصولات زراعی تولیدشده، موجب افزایش بیش از 30 درصدی ارزش اقتصادی مزارع در مقایسه با سیستم کشاورزی مدرن می‌شود [10]. 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. [11] 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 [12]. به‌طور مثال، در کشورهایی نظیر هند، جایی که ظرفیت فتوولتائیک (PV) اتصال شده به شبکه، از تقریباً صفر به 2،600 مگاوات در عرض 4 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 [13].

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 2013، 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 [14]. 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 80 درصد باشد، سیستم PV برچیده شود[15].