DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94251-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40189625
تاريخ النشر: 2025-04-06
المؤلف: Mahmoud A. Abdelhamid وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزراعة الحضرية والاستدامة
نظرة عامة
تتناول الأبحاث التحديات الحضرية الكبيرة مثل المساحات الخضراء المحدودة، ندرة المياه، التلوث البيئي، وانبعاثات الحرارة العالية، خاصة في الدول النامية التي تنمو بسرعة. تقترح نظام ري ذكي يعمل بالطاقة الشمسية للزراعة بالنعناع، والذي يتضمن كل من إعدادات الري بالتنقيط التقليدية والذكية المدعومة بألواح الطاقة الشمسية (PV). يتضمن النظام الذكي مراقبة في الوقت الحقيقي للمتغيرات الحرجة مثل رطوبة التربة، الرطوبة النسبية، درجة حرارة الألواح الشمسية، والمعايير الكهربائية. تشمل مقاييس الأداء التي تم تقييمها استهلاك المياه والطاقة، كفاءة استخدام المياه، إنتاجية الطاقة، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تشير النتائج إلى أن النظام الذكي يقلل من استهلاك المياه والطاقة بنسبة 28.1% ويخفض انبعاثات CO₂ إلى 0.181 كجم CO₂/m²/سنة مقارنة بـ 0.252 كجم CO₂/m²/سنة للنظام التقليدي. تكشف التحليل الاقتصادي عن فترة استرداد تبلغ 5.6 سنوات، مما يوضح جدوى النظام المالية.
في الختام، تسلط هذه الدراسة الضوء على التكامل المبتكر لأنظمة الري الذكية التي تعمل بالطاقة الشمسية كحل مستدام للزراعة الحضرية، مع التأكيد على الحفاظ على المياه، كفاءة الطاقة، وتقليل انبعاثات الكربون. لا يحقق نظام الري على الأسطح المقترح فقط تخفيضات كبيرة في استخدام المياه وانبعاثات CO₂، بل يساهم أيضًا في الربط الأوسع بين المياه والطاقة والغذاء، مما يعالج التحديات الحضرية الحرجة. إن الجدوى الاقتصادية للنظام، جنبًا إلى جنب مع فوائده البيئية، تجعله خيارًا جذابًا لأصحاب المصلحة في الزراعة الحضرية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تعزيز كفاءة النظام من خلال أجهزة استشعار متقدمة، دمج مصادر الطاقة المتجددة الإضافية، واستكشاف قابلية التوسع عبر بيئات حضرية متنوعة، مما يعزز دور الري الذكي الذي يعمل بالطاقة الشمسية في تعزيز الزراعة الحضرية المستدامة.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” المواد والمنهجيات المستخدمة في البحث. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، أدوات، أو برامج، ويصف تصميم التجربة، بما في ذلك اختيار العينات، إجراءات جمع البيانات، والتقنيات التحليلية. يركز القسم على دقة وقابلية تكرار الطرق، مما يضمن إمكانية التحقق من النتائج وتكرارها من قبل باحثين آخرين.
بالإضافة إلى ذلك، قد تشمل الطرق تحليلات إحصائية تم تطبيقها على البيانات، مع تحديد أي برامج أو خوارزميات تم استخدامها لمعالجة وتفسير النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوفير إطار شامل لفهم كيفية إجراء البحث، مما يدعم صحة الاستنتاجات المستخلصة في الدراسة.
النتائج
تركز نتائج هذه الدراسة على تحليل أداء وحدة الطاقة الشمسية (PV) المدمجة مع نظام الري بالتنقيط، القابلة للاستخدام في حدائق الأسطح والزراعة. تشير البيانات المجمعة في يوم من يونيو 2023 إلى أن أقصى قدرة إنتاجية للوحة الشمسية بلغت 105 واط عند الساعة 13:00، متوافقة مع ذروة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة. استخدمت الدراسة وحدة تحكم Arduino لمراقبة جهد الوحدة، التيار، ودرجة الحرارة، مع تسجيل البيانات في الوقت الحقيقي في جدول بيانات Excel.
بينما تعتبر الكفاءة الكهربائية أمرًا حيويًا لتقييم أداء نظام الطاقة الشمسية، تلاحظ الدراسة أن التغيرات العابرة في الكفاءة على مدار اليوم تتأثر بتقلبات متزامنة في الإشعاع الشمسي والقدرة الإنتاجية. وبالتالي، تم تحديد متوسط القدرة الإنتاجية للوحة الشمسية لتكون 87.5 واط، مع كفاءة كهربائية تبلغ 18.6%. يبرز هذا التحليل أهمية النظر في المتوسطات اليومية لتقييم أداء النظام بدقة تحت ظروف بيئية متنوعة.
المناقشة
ركزت الأبحاث التي أجريت في جامعة عين شمس، مصر، على تنفيذ نظام ري ذكي يعمل بالطاقة الشمسية لزراعة النعناع على الأسطح. استخدمت الدراسة نظامين للري: طريقة الري اليدوية التقليدية ونظام ذكي آلي مزود بأجهزة استشعار لرطوبة التربة. أظهر النظام الذكي كفاءة كبيرة في الموارد، حيث قلل من استهلاك المياه والطاقة بنسبة تقارب 28.1% مقارنة بالطريقة التقليدية. وقد تم عزو هذه الكفاءة إلى المراقبة في الوقت الحقيقي والري الآلي بناءً على مستويات رطوبة التربة، مما أدى إلى تحسين توصيل المياه دون التأثير على إنتاجية المحاصيل.
أشارت النتائج إلى أن كلا النظامين للري أنتجا كميات مماثلة من النعناع، مما يبرز أن كفاءة النظام الذكي لم تؤثر سلبًا على الإنتاجية. بالإضافة إلى ذلك، ساهم النظام الذكي في تقليل انبعاثات CO2، مما يبرز فوائده البيئية. كشف التحليل الاقتصادي عن تكلفة دورة حياة تبلغ 775 دولارًا للنظام الذكي، مع فترة استرداد تبلغ 5.6 سنوات، مما يبرز جدواه كممارسة زراعية مستدامة. بشكل عام، توضح الدراسة إمكانيات دمج تقنيات الطاقة المتجددة في الزراعة الحضرية لتعزيز إدارة الموارد وتعزيز الاستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94251-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40189625
Publication Date: 2025-04-06
Author(s): Mahmoud A. Abdelhamid et al.
Primary Topic: Urban Agriculture and Sustainability
Overview
The research addresses significant urban challenges such as limited green spaces, water scarcity, environmental pollution, and high heat emissions, particularly in rapidly growing developing countries. It proposes a solar-powered smart rooftop irrigation system for peppermint cultivation, which features both conventional and smart drip irrigation setups powered by photovoltaic (PV) panels. The smart system includes real-time monitoring of critical variables such as soil moisture, relative humidity, PV panel temperature, and electrical parameters. Performance metrics evaluated include water and energy consumption, water use efficiency, energy productivity, and carbon dioxide emissions. The findings indicate that the smart system reduces water and energy consumption by 28.1% and lowers CO₂ emissions to 0.181 kg CO₂/m²/year compared to 0.252 kg CO₂/m²/year for the conventional system. The economic analysis reveals a payback period of 5.6 years, demonstrating the system’s financial viability.
In conclusion, this study highlights the innovative integration of solar-powered smart irrigation systems as a sustainable solution for urban agriculture, emphasizing water conservation, energy efficiency, and reduced carbon emissions. The proposed rooftop irrigation system not only achieves significant reductions in water usage and CO₂ emissions but also contributes to the broader water-energy-food nexus, addressing critical urban challenges. The economic viability of the system, coupled with its environmental benefits, positions it as an attractive option for urban agriculture stakeholders. Future research directions include enhancing system efficiency through advanced sensors, integrating additional renewable energy sources, and exploring scalability across various urban environments, thereby solidifying the role of solar-powered smart irrigation in promoting sustainable urban agriculture.
Methods
The “Methods” section outlines the materials and methodologies employed in the research. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, or software, and describes the experimental design, including sample selection, data collection procedures, and analytical techniques. The section emphasizes the rigor and reproducibility of the methods, ensuring that the findings can be validated and replicated by other researchers.
Additionally, the methods may include statistical analyses applied to the data, specifying any software or algorithms utilized for processing and interpreting the results. Overall, this section serves to provide a comprehensive framework for understanding how the research was conducted, thereby supporting the validity of the conclusions drawn in the study.
Results
The results of this study focus on the performance analysis of a photovoltaic (PV) module integrated with a drip irrigation system, applicable for rooftop gardens and agricultural use. Data collected on a June day in 2023 indicates that the maximum output power of the PV panel reached 105 W at 13:00, aligning with peak solar radiation and ambient temperature. The study utilized an Arduino controller to monitor the module’s voltage, current, and temperature, with real-time data logged in an Excel spreadsheet.
While electrical efficiency is crucial for evaluating PV system performance, the study notes that transient variations in efficiency throughout the day are influenced by simultaneous fluctuations in solar irradiation and output power. Consequently, the average output power of the PV panel was determined to be 87.5 W, with an electrical efficiency of 18.6%. This analysis underscores the importance of considering daily averages to accurately assess the system’s performance under diverse environmental conditions.
Discussion
The research conducted at Ain Shams University, Egypt, focused on the implementation of a solar-powered smart irrigation system for cultivating peppermint on rooftops. The study utilized two irrigation systems: a conventional manual irrigation method and an automated smart system equipped with soil moisture sensors. The smart system demonstrated significant resource efficiency, reducing water and energy consumption by approximately 28.1% compared to the conventional method. This efficiency was attributed to real-time monitoring and automated irrigation based on soil moisture levels, which optimized water delivery without compromising crop yield.
The findings indicated that both irrigation systems yielded similar amounts of peppermint, emphasizing that the smart system’s efficiency did not negatively impact productivity. Additionally, the smart system contributed to a reduction in CO2 emissions, further underscoring its environmental benefits. An economic analysis revealed a lifecycle cost of $775 for the smart system, with a payback period of 5.6 years, highlighting its viability as a sustainable agricultural practice. Overall, the study illustrates the potential of integrating renewable energy technologies into urban agriculture to enhance resource management and promote sustainability.