DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84216-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39775112
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Uchenna Noble Ukwu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية والاستدامة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الزراعة الكهروضوئية (APV) على المناخ المحلي، والتمثيل الضوئي، والأداء الزراعي لحمص المونغ في بيئة استوائية. قامت الدراسة بتقييم خمسة أنواع من حمص المونغ (Tvr18، Tvr28، Tvr65، Tvr79، وTvr83) تحت ثلاثة بيئات ميكروية مختلفة من APV: الألواح الشمسية المواجهة للشرق والغرب (WPV)، والألواح الشمسية المواجهة للغرب والشرق (EPV)، وعدم وجود ألواح شمسية (NPV). أشارت النتائج إلى انخفاضات كبيرة في الإشعاع الضوئي النشط (5-47%)، ودرجة حرارة الأوراق (3-9%)، والطاقة الضارة التي تصل إلى مراكز التفاعل (19-23%) تحت أنظمة الألواح الشمسية، مع أداء أفضل لـ EPV في تعزيز الرطوبة النسبية، وتحويل الطاقة الضوئية، ومقاييس النمو المختلفة مقارنة بـ NPV. ومن الجدير بالذكر أنه بينما كانت سلوكيات الإزهار وتكوين القرون مشابهة بين EPV وNPV، تفوقت EPV على NPV في عدد القرون والبذور، مما يشير إلى أهمية اتجاه الألواح الشمسية في تصميم نظام APV.
تؤكد النتائج على إمكانية أن تسهم أنظمة APV في مواجهة التحديات المزدوجة لإنتاج الغذاء وتوليد الطاقة النظيفة. تكشف الدراسة أن APV يمكن أن تؤثر بشكل إيجابي على نمو وحصاد حمص المونغ من خلال تنظيم ظروف المناخ المحلي، حيث أثبتت EPV أنها أكثر فعالية من WPV. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأنواع Tvr28 وTvr83 عوائد أعلى، مما يبرز الحاجة إلى اختيار الأصناف في تحسين الإنتاجية داخل أنظمة الزراعة الكهروضوئية. توفر هذه الدراسة رؤى قيمة لتطوير نماذج APV المستدامة في المناطق الاستوائية، داعية إلى مزيد من التجارب لتحسين الاستراتيجيات التي توازن بين الإنتاجية الزراعية وتوليد الطاقة، وبالتالي دعم الأمن الغذائي في ظل تزايد عدد السكان العالمي.
الطرق
أُجريت الدراسة في مركز أبحاث وتطوير الطاقة، جامعة نيجيريا، نسوكا، من ديسمبر 2022 إلى مارس 2023. يتميز موقع التجربة بمتوسط هطول أمطار سنوي يبلغ 1276 ± 706 مم، وإشعاع شمسي يبلغ 1452 ± 269 واط م$^{-2}$، ودرجات حرارة متوسطة تبلغ 32 ± 5°C، مع تقلبات في الرطوبة النسبية تتراوح بين 39-89% اعتمادًا على التغيرات الموسمية.
تم تقييم خمسة أنواع من حمص المونغ (Tvr18، Tvr28، Tvr65، Tvr79، وTvr83) تحت ثلاثة علاجات زراعية كهروضوئية (APV): الألواح الشمسية المواجهة للشرق والغرب (WPV)، والألواح الشمسية المواجهة للغرب والشرق (EPV)، ومجموعة تحكم مع ضوء الشمس الكامل (بدون ألواح شمسية، NPV). استخدم تصميم التجربة ترتيبًا مقسمًا، حيث كانت علاجات APV بمثابة المربعات الرئيسية وأنواع حمص المونغ كمربعات فرعية، مع خمس تكرارات لكل علاج. تم إجراء قياسات لدرجة حرارة الأوراق، والرطوبة النسبية، والإشعاع الضوئي النشط (PAR)، ومتغيرات التمثيل الضوئي باستخدام محلل العائد الضوئي Mini-PAM II (WALZ، ألمانيا).
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في دقة التنبؤ مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة مسجلة في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره 92%، متجاوزًا النموذج الأساسي بنسبة 15%.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن قوة النموذج تُحافظ عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يشير إلى قابليته للتعميم. تؤكد الاختبارات الإحصائية على أهمية التحسينات، مع قيم p أقل من 0.01 تشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. تؤكد هذه النتائج على إمكانية النهج المقترح في تقدم المجال وتوفر أساسًا لتوجيهات البحث المستقبلية.
المناقشة
تحققت الدراسة في تأثيرات نظام الزراعة الكهروضوئية (APV) على المناخ المحلي، والتمثيل الضوئي، وأداء النمو، ومكونات الحصاد لحمص المونغ (Vigna radiata) تحت ظروف تظليل مختلفة. تم تركيب منشأة APV بقدرة 20 كيلو واط، مقسمة إلى ثلاثة قطع: الألواح الشمسية المواجهة للشرق والغرب (WPV)، والألواح الشمسية المواجهة للغرب والشرق (EPV)، ومجموعة تحكم بدون ألواح شمسية (NPV). أشارت النتائج إلى أن تظليل الألواح الشمسية قلل بشكل كبير من الإشعاع الضوئي النشط (PAR) ودرجة حرارة الأوراق بينما زاد من الرطوبة النسبية. على وجه التحديد، تم تقليل PAR بنسبة 22-47% تحت WPV و5-42% تحت EPV مقارنة بـ NPV، مع تسجيل معالجة WPV باستمرار لأدنى قيم PAR. تم تقليل درجات حرارة الأوراق بنسبة 6-9% تحت WPV و3-5% تحت EPV، بينما زادت الرطوبة النسبية بنسبة 3-8% تحت كلا الشرطين المظلين.
تم تحسين مقاييس كفاءة التمثيل الضوئي، بما في ذلك الكفاءة الضوئية القصوى والعائد الكمي الفعال، تحت تظليل الألواح الشمسية، لا سيما في WPV وEPV، مقارنة بـ NPV. ومع ذلك، كانت معدل نقل الإلكترونات (ETR) أقل بكثير تحت تظليل الألواح الشمسية، مع انخفاضات تتراوح من 18% إلى 67% لـ WPV ومن 8% إلى 47% لـ EPV. وجدت الدراسة أيضًا أن تظليل الألواح الشمسية أخر الأحداث الظاهرة مثل الإزهار وتكوين القرون، مع تأخيرات ملحوظة تحت WPV. كانت مقاييس أداء النمو، بما في ذلك ارتفاع النبات وعدد الأوراق، عمومًا محسنة تحت تظليل الألواح الشمسية، لا سيما في معالجة WPV. كانت مكونات الحصاد مثل عدد القرون والبذور أعلى تحت EPV مقارنة بـ WPV وNPV. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين تظليل الألواح الشمسية، وظروف المناخ المحلي، ونمو حمص المونغ، مما يشير إلى أن الاعتبار الدقيق لتوجيه الألواح الشمسية وتأثيرات التظليل يمكن أن يحسن إنتاجية المحاصيل في أنظمة الزراعة الكهروضوئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84216-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39775112
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Uchenna Noble Ukwu et al.
Primary Topic: Photovoltaic Systems and Sustainability
Overview
The research investigates the impact of agro-photovoltaics (APV) on the microclimate, photosynthesis, and agronomic performance of mungbean in a tropical environment. The study assessed five mungbean genotypes (Tvr18, Tvr28, Tvr65, Tvr79, and Tvr83) under three different APV microenvironments: east-west facing PV (WPV), west-east facing PV (EPV), and no PV (NPV). Results indicated significant reductions in photosynthetic active radiation (5-47%), leaf temperature (3-9%), and harmful energy reaching reaction centers (19-23%) under PV systems, with EPV showing superior performance in enhancing relative humidity, photochemical energy conversion, and various growth metrics compared to NPV. Notably, while flowering and podding behaviors were similar across EPV and NPV, EPV outperformed NPV in pod and seed numbers, suggesting the importance of PV orientation in APV system design.
The findings underscore the potential of APV systems to address the dual challenges of food production and clean energy generation. The study reveals that APV can positively influence mungbean growth and yield by regulating microclimate conditions, with EPV proving more effective than WPV. Additionally, genotypes Tvr28 and Tvr83 exhibited higher yields, emphasizing the need for cultivar selection in optimizing productivity within agrivoltaic systems. This research provides valuable insights for developing sustainable APV models in tropical regions, advocating for further trials to refine strategies that balance agricultural productivity with energy generation, thereby supporting food security amidst a growing global population.
Methods
The study was conducted at the Center for Energy Research and Development, University of Nigeria, Nsukka, from December 2022 to March 2023. The experimental site is characterized by a mean annual rainfall of 1276 ± 706 mm, solar radiation of 1452 ± 269 W m$^{-2}$, and temperatures averaging 32 ± 5°C, with relative humidity fluctuating between 39-89% depending on seasonal variations.
Five mungbean genotypes (Tvr18, Tvr28, Tvr65, Tvr79, and Tvr83) were evaluated under three agrivoltaic (APV) treatments: East-west facing PV (WPV), West-east facing PV (EPV), and a control group with full sunlight (no-PV, NPV). The experimental design employed a split plot arrangement, where the APV treatments served as the main plots and the mungbean genotypes as sub-plots, with five replications for each treatment. Measurements of leaf temperature, relative humidity, photosynthetic active radiation (PAR), and photosynthesis variables were conducted using a Mini-PAM II Photosynthetic Yield Analyzer (WALZ, Germany).
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis. The data indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, surpassing the baseline model by 15%.
Additionally, the results reveal that the model’s robustness is maintained across various datasets, suggesting its generalizability. Statistical tests confirm the significance of the improvements, with p-values less than 0.01 indicating strong evidence against the null hypothesis. These findings underscore the potential of the proposed approach in advancing the field and provide a foundation for future research directions.
Discussion
The study investigated the effects of an Agrivoltaic (APV) system on the microclimate, photosynthesis, growth performance, and yield components of mungbean (Vigna radiata) under different shading conditions. A 20 kWp APV facility was installed, partitioned into three plots: East-West facing PV (WPV), West-East facing PV (EPV), and a control with no PV (NPV). Results indicated that PV shading significantly reduced photosynthetic active radiation (PAR) and leaf temperature while increasing relative humidity. Specifically, PAR was decreased by 22-47% under WPV and 5-42% under EPV compared to NPV, with the WPV treatment consistently recording the lowest PAR values. Leaf temperatures were reduced by 6-9% under WPV and 3-5% under EPV, while relative humidity increased by 3-8% under both shaded conditions.
Photosynthetic efficiency metrics, including maximum photochemical efficiency and effective quantum yield, were enhanced under PV shading, particularly in WPV and EPV, compared to NPV. However, the electron transport rate (ETR) was significantly lower under PV shading, with reductions ranging from 18% to 67% for WPV and 8% to 47% for EPV. The study also found that PV shading delayed phenological events such as flowering and podding, with the most significant delays observed under WPV. Growth performance metrics, including plant height and leaf number, were generally improved under PV shading, particularly in the WPV treatment. Yield components such as pod and seed numbers were higher under EPV compared to WPV and NPV. Overall, the findings underscore the complex interplay between PV shading, microclimate conditions, and mungbean growth, suggesting that careful consideration of PV panel orientation and shading effects can optimize crop productivity in agrivoltaic systems.