DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114515
تاريخ النشر: 2024-05-16
المؤلف: Shu-Ngwa Asa’a وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية والاستدامة
نظرة عامة
تتطلب الزيادة السكانية العالمية التركيز المزدوج على إنتاج الغذاء والطاقة، بما يتماشى مع أهداف التنمية المستدامة (SDGs). تقدم الزراعة الكهروضوئية (AV) حلاً واعدًا من خلال دمج أنظمة الطاقة الكهروضوئية (PV) مع الممارسات الزراعية، مما يعزز كفاءة استخدام الأراضي. تسلط هذه المراجعة متعددة التخصصات الضوء على أنه بينما تهيمن تقنية السيليكون البلوري (c-Si) على أنظمة AV الحالية، فإن التقدم في تغيير الطيف وطلاءات الانتشار يقدم إمكانيات مستقبلية. كما تؤكد المراجعة على العلاقة المعقدة بين تظليل PV وأداء المحاصيل، مشيرة إلى أنه بينما يمكن أن يؤدي التظليل إلى خسائر في العائد، إلا أنه قد يوفر أيضًا فوائد وقائية ضد الطقس القاسي ويحسن جودة المحاصيل في بعض المناخات.
تعد اتجاهات البحث المستقبلية ضرورية لتحسين أنظمة AV. تشمل المجالات الرئيسية إنشاء معايير تقييم دورة الحياة لـ AV، واستكشاف ممارسات الرعي الشمسي، وتطوير استراتيجيات إدارة المياه لمعالجة أنماط هطول الأمطار المتغيرة. بالإضافة إلى ذلك، تدعو الدراسة إلى تحسين النماذج الخاصة بالتلوث وتدهور PV، فضلاً عن تنفيذ تتبع الأشعة المحللة طيفيًا لتحسين تصميم AV. كما أن وجود إطار قانوني شامل يشمل مختلف أصحاب المصلحة ضروري أيضًا لتسهيل دمج AV في الأنظمة الزراعية. بشكل عام، بينما تعتبر أنظمة AV حاليًا قابلة للتطبيق لمحاصيل ومناطق معينة، لا يزال هناك إمكانات كبيرة لتوسعها وتكيفها عبر المناظر الطبيعية الزراعية المتنوعة، مما يساهم في إنتاج غذاء وطاقة مستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لزيادة إنتاج الغذاء لتلبية الطلبات المتزايدة لسكان عالمي متوقع يبلغ 9.8 مليار بحلول عام 2050، مما يتطلب زيادة بنسبة 70% في إنتاج الغذاء. يشكل تغير المناخ، المدفوع بنمو السكان والأنشطة البشرية، تهديدات كبيرة للزراعة وإمدادات المياه، مما يتفاقم بسبب ارتفاع درجات الحرارة العالمية والأحداث المناخية المتطرفة. استجابةً لذلك، تُقدم مصادر الطاقة المتجددة، وخاصة الطاقة الشمسية، كبدائل قابلة للتطبيق للوقود الأحفوري، مع زيادة ملحوظة في قدرة الطاقة الكهروضوئية (PV) لوحظت في السنوات الأخيرة. ومع ذلك، فإن المنافسة على الأراضي بين الزراعة وتركيبات الطاقة المتجددة تتطلب حلولًا مبتكرة.
تظهر الزراعة الكهروضوئية (AV) كنهج واعد لتحسين استخدام الأراضي من خلال دمج إنتاج الطاقة الشمسية مع زراعة المحاصيل. تم تقديم هذا المفهوم لأول مرة في عام 1981، وقد أظهر فوائد اقتصادية، بما في ذلك زيادة إنتاجية استخدام الأراضي والعائدات. يمكن أن تعزز أنظمة AV من غلة المحاصيل من خلال توفير الظل في المناطق الجافة وحماية المحاصيل الضعيفة من الضغوط البيئية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تحسن أنظمة AV من إنتاجية المياه من خلال تقليل التبخر والاحتياجات المائية. تناقش الورقة أيضًا التأثيرات المناخية الدقيقة لـ AV على نمو المحاصيل، مشيرة إلى كل من الفوائد والعيوب المحتملة، مثل تقليل التعرض للضوء الذي يؤثر على الغلات. تهدف الدراسة إلى تقديم مراجعة شاملة للتقنيات الحالية لـ AV، وأداء المحاصيل، ونماذج النمذجة، مع تحديد الفجوات البحثية والفرص المستقبلية في هذا المجال.
الطرق
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بإجراء تحقق من النموذج باستخدام بيانات تجريبية تم جمعها من ميلكاسا، إثيوبيا، خلال فترة النمو الكاملة تحت ظروف تظليل متغيرة بنسبة 50% و75%. أظهرت النتائج انخفاضًا ملحوظًا في كل من الإنتاج والعائد الحيوي بسبب التظليل. على وجه التحديد، أدى تطبيق تظليل بنسبة 50% إلى تقليل بنسبة 44% في الكتلة الحيوية و56% في العائد مقارنةً بالظروف الضابطة. علاوة على ذلك، كشفت التحليلات عن عدم وجود فرق كبير في تأثيرات تظليل 50% مقابل 75% على العائد والكتلة الحيوية، مما يشير إلى أن مستويات التظليل الأعلى قد لا تزيد من تفاقم هذه الانخفاضات.
المناقشة
تسلط المناقشة حول الزراعة الكهروضوئية (AV) الضوء على الإمكانية لزيادة كفاءة استخدام الأراضي من خلال دمج الأنظمة الزراعية والكهروضوئية (PV). تعتبر نسبة المعادل الأرضي (LER) مؤشر أداء رئيسي، مما يظهر أن أنظمة AV يمكن أن تتفوق على أنظمة المحاصيل وPV التقليدية المنفصلة إذا تم تحقيق عتبات معينة للعائد. أفادت الدراسات بأن قيم LER تتجاوز 1.5 لمجموعة متنوعة من المحاصيل، مما يشير إلى تحسينات كبيرة في إنتاجية الأراضي، مع بعض التقديرات التي تقترح زيادة عالمية في الإنتاجية بنسبة 35-73% بسبب تنفيذات AV. تؤثر التباينات في تصميمات أنظمة AV، بما في ذلك التكوينات العلوية والرأسية، على المناخات الدقيقة للمحاصيل ونتائج العائد، حيث تظهر الأنظمة الرأسية ثنائية الوجه نتائج واعدة من حيث توزيع الضوء وتقليل تقلبات العائد الموسمي.
تناقش الورقة أيضًا التقدم في تقنيات PV المناسبة لتطبيقات AV، مع التركيز على مزايا الوحدات شبه الشفافة وثنائية الوجه. يمكن أن تعزز هذه التقنيات من نمو المحاصيل من خلال السماح باختراق الضوء أثناء توليد الطاقة. تقدم تقنيات خلايا الشمس الناشئة، مثل PV العضوي وخلايا الشمس الحساسة للصبغة، فوائد إضافية ولكن تواجه تحديات تتعلق بالقدرة على التوسع والاستقرار. السوق العالمي لـ AV يتوسع بسرعة، مع مشاريع كبيرة في مناطق مثل آسيا والمحيط الهادئ، مما يعرض تطبيقات متنوعة من مزارع الكروم إلى تربية الأحياء المائية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الإمكانات العملية لأنظمة AV لتحسين استخدام الأراضي وإنتاج الطاقة مع معالجة التحديات الزراعية المتعلقة بالمناخ.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114515
Publication Date: 2024-05-16
Author(s): Shu-Ngwa Asa’a et al.
Primary Topic: Photovoltaic Systems and Sustainability
Overview
The increasing global population necessitates a dual focus on food and energy production, aligning with the Sustainable Development Goals (SDGs). Agrivoltaics (AV) presents a promising solution by integrating photovoltaic (PV) systems with agricultural practices, thereby enhancing land-use efficiency. This multidisciplinary review highlights that while crystalline silicon (c-Si) technology dominates current AV systems, advancements in spectral shifting and diffusion coatings offer future potential. The review also emphasizes the complex relationship between PV shading and crop performance, noting that while shading can lead to yield losses, it may also provide protective benefits against extreme weather and improve crop quality in certain climates.
Future research directions are essential for optimizing AV systems. Key areas include the establishment of life cycle assessment standards for AV, exploration of solar grazing practices, and the development of water management strategies to address changing precipitation patterns. Additionally, the study calls for improved models for soiling and PV degradation, as well as the implementation of spectrally resolved ray tracing to optimize AV design. A comprehensive legal framework involving various stakeholders is also necessary to facilitate the integration of AV into agricultural systems. Overall, while AV systems are currently viable for specific crops and regions, there remains significant potential for their expansion and adaptation across diverse agricultural landscapes, contributing to sustainable food and energy production.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for increased food production to meet the demands of a projected global population of 9.8 billion by 2050, necessitating a 70% rise in food output. Climate change, driven by population growth and human activities, poses significant threats to agriculture and water supply, exacerbated by rising global temperatures and extreme weather events. In response, renewable energy sources, particularly solar energy, are presented as viable alternatives to fossil fuels, with a notable increase in photovoltaic (PV) capacity observed in recent years. However, the competition for land between agriculture and renewable energy installations necessitates innovative solutions.
Agrivoltaics (AV) emerges as a promising approach to optimize land use by integrating solar energy production with crop cultivation. The concept, first introduced in 1981, has demonstrated economic benefits, including increased land-use productivity and revenue. AV systems can enhance crop yields by providing shade in arid regions and protecting vulnerable crops from environmental stressors. Additionally, AV systems can improve water productivity by reducing evapotranspiration and irrigation needs. The paper also discusses the microclimatic effects of AV on crop growth, noting both potential benefits and drawbacks, such as reduced light exposure impacting yields. The study aims to provide a comprehensive review of existing AV technologies, crop performance, and modeling approaches, while identifying research gaps and future opportunities in the field.
Methods
In this study, the authors conducted model validation using experimental data collected from Melkassa, Ethiopia, during the full growing period under varying shade conditions of 50% and 75%. The results indicated a notable decrease in both yield and biomass production due to shading. Specifically, the application of 50% shade resulted in a 44% reduction in biomass and a 56% reduction in yield compared to control conditions. Furthermore, the analysis revealed no significant difference in the effects of 50% versus 75% shading on yield and biomass, suggesting that higher levels of shading may not further exacerbate these reductions.
Discussion
The discussion on agrivoltaics (AV) highlights the potential for increased land use efficiency through the integration of agricultural and photovoltaic (PV) systems. The land equivalent ratio (LER) serves as a key performance indicator, demonstrating that AV systems can outperform traditional separate crop and PV systems if certain yield thresholds are met. Studies have reported LER values exceeding 1.5 for various crops, indicating significant improvements in land productivity, with some estimates suggesting a global productivity increase of 35-73% due to AV implementations. Variations in AV system designs, including overhead and vertical configurations, influence crop microclimates and yield outcomes, with vertical bifacial systems showing promising results in terms of light distribution and reduced seasonal yield variability.
The paper also discusses the advancements in PV technologies suitable for AV applications, emphasizing the advantages of semitransparent and bifacial modules. These technologies can enhance crop growth by allowing light penetration while generating energy. Emerging solar cell technologies, such as organic PV and dye-sensitized solar cells, offer additional benefits but face challenges related to scalability and stability. The global AV market is rapidly expanding, with significant projects in regions like Asia-Pacific, showcasing diverse applications from vineyards to aquaculture. Overall, the findings underscore the practical potential of AV systems to optimize land use and energy production while addressing climate-related agricultural challenges.