پنل‌های خورشیدی می‌توانند گرمای مزارع را کاهش دهند

ترکیب کشاورزی با تولید برق خورشیدی می‌تواند فراتر از صرفه‌جویی در زمین، مزایای دیگری هم داشته باشد. مدل‌سازی جدیدی نشان می‌دهد پنل‌های خورشیدی نصب‌شده بر فراز زمین‌های کشاورزی می‌توانند دمای گیاهان و محیط کار کشاورزان را کاهش دهند و حتی خود پنل‌ها را خنک‌تر و کارآمدتر نگه دارند.

انتظار می‌رود انرژی خورشیدی فتوولتائیک تا میانه‌ی قرن حاضر سهم بسیار بزرگ‌تری از تولید برق جهان داشته باشد. بااین‌حال، گسترش نیروگاه‌های خورشیدی به زمین نیاز دارد و در برخی مناطق ممکن است زمین مناسب برای تولید انرژی با زمین موردنیاز کشاورزی رقابت کند.

یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی، رویکرد کشاورزی-خورشیدی (اگری‌ولتاییک) است، یعنی روشی که در آن پنل‌های خورشیدی و محصولات کشاورزی به‌جای اشغال زمین‌های جداگانه، در یک محدوده قرار می‌گیرند. محصولات می‌توانند زیر یا میان ردیف‌های پنل رشد کنند و به این ترتیب، یک قطعه زمین هم برای تولید غذا و هم برای تولید برق به کار رود.

پژوهش‌های قبلی نشان داده‌اند سایه‌ی پنل‌های خورشیدی در بعضی شرایط می‌تواند از محصولات در برابر گرمای شدید محافظت کند و با کاهش تبخیر، رطوبت بیشتری در خاک باقی بگذارد. بااین‌حال، بیشتر مطالعات تاکنون فقط بخشی از این سیستم، مثلاً میزان نور دریافتی یا رشد محصول، را بررسی کرده‌اند و شبیه‌سازی هم‌زمان تعامل میان گیاه، خاک، پنل خورشیدی و هوای اطراف دشوار بوده است.

مدل پژوهشگران انتقال انرژی، جرم و اندازه‌حرکت را در مجموعه‌ای متشکل از پنل‌های خورشیدی، گیاهان، خاک، هوا و آب دنبال می‌کند و فرایندهایی مانند جذب دی‌اکسیدکربن توسط گیاه را نیز در نظر می‌گیرد.

پژوهشگران برای بررسی دقت مدل، خروجی آن را با داده‌های واقعی چند سایت کشاورزی-خورشیدی مقایسه کردند. ازجمله‌ی این داده‌ها می‌توان به اندازه‌گیری دمای برگ گیاهان در دیویس کالیفرنیا و دمای خاک در شیکاگو سیتی مینه‌سوتا اشاره کرد.

سپس پژوهشگران مزرعه‌ی فرضی گوجه‌فرنگی مجهز به پنل‌های خورشیدی را شبیه‌سازی کردند. شرایط آب‌وهوایی این آزمایش براساس یک روز گرم و مرطوب در پرینستون نیوجرسی تنظیم شد. این منطقه به‌عنوان نمونه‌ای از ناحیه‌ی پرجمعیت میانی اقیانوس اطلس آمریکا انتخاب شد که در آن تقاضا برای غذا و انرژی هر دو بالاست.

نتایج نشان داد گوجه‌فرنگی‌هایی که زیر پنل‌های خورشیدی قرار داشتند، در طول روز به‌طور متوسط برگ‌هایی ۱٫۸۴ درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از گیاهان مزرعه‌ی بدون پنل داشتند. در گرم‌ترین ساعات بعدازظهر، اختلاف دمای برگ‌ها به ۷٫۵۶ درجه سانتی‌گراد می‌رسید. خنک‌ترشدن گیاهان مصرف آب را نیز کاهش داد. براساس شبیه‌سازی، میزان آبی که از طریق تبخیر و تعرق از دست می‌رفت، ۲۲٫۴ درصد کمتر از مزرعه‌ی روباز بود.

سایه‌ی ایجادشده به‌وسیله‌ی پنل‌ها هزینه‌ای هم داشت. محصولات زیر پنل‌ها ۴۷ درصد نور خورشید کمتری دریافت کردند. بااین‌حال، جذب دی‌اکسیدکربن گیاهان فقط ۳۱ درصد کاهش پیدا کرد. پژوهشگران می‌گویند کاهش تنش گرمایی در محیط خنک‌تر احتمالاً بخشی از اثر منفی کمبود نور را جبران کرده است.

مزیت این ترکیب فقط به محصولات محدود نبود. پنل‌های خورشیدی نصب‌شده در مزرعه نیز در طول روز تا ۵٫۶ درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از پنل‌هایی بودند که روی خاک بدون پوشش گیاهی قرار داشتند.

دمای پنل خورشیدی بر عملکرد آن اثر می‌گذارد و افزایش دما معمولاً بازده تبدیل نور خورشید به برق را کاهش می‌دهد. براساس مدل، خنک‌ترشدن پنل‌ها در سیستم کشاورزی-خورشیدی باعث شد حدود ۱۵ درصد از افت بازده ناشی از دمای بالا جبران شود.

نتایج مطالعه به این معنا نیست که نصب پنل روی هر مزرعه‌ای الزاماً باعث افزایش محصول یا کاهش مصرف آب خواهد شد. نتیجه به عواملی مانند نوع گیاه، فاصله و ارتفاع پنل‌ها، میزان تابش خورشید، دما، رطوبت و شرایط محلی بستگی دارد.

مدل جدید به پژوهشگران امکان می‌دهد ترکیب‌های مختلف محصول، اقلیم و طراحی پنل را پیش از اجرای واقعی بررسی کنند. چنین شبیه‌سازی‌هایی می‌توانند مشخص کنند در چه مناطقی استفاده‌ی هم‌زمان از زمین برای کشاورزی و تولید برق خورشیدی بیشترین فایده را دارد.

پژوهش در ژورنال Journal of Advances in Modeling Earth Systems منتشر شده است.