زاد اتجاه العلماء إلى أبحاث استعمال الألواح الشمسية في الزراعة بصفتها وسيلة للحدّ من انبعاثات الكربون الناتجة عن نمو المحاصيل، ضمن الجهود العالمية المبذولة لخفض الانبعاثات في جميع القطاعات.
في هذا السياق، أظهر بحث جديد -اطّلعت عليه وحدة أبحاث الطاقة ومقرّها واشنطن- أن الخلايا الشمسية يمكنها المساعدة في تحسين إنتاج المحاصيل وإنتاج الكهرباء النظيفة في وقت واحد.
كما يمكن لاستعمال الألواح الشمسية في الزراعة أن يخلّص قطاعَي الزراعة والغابات من انبعاثاتهما، خاصةً أنهما يُعدّان ثاني أكثر القطاعات تلويثًا للبيئة بعد قطاع الطاقة.
وتبلغ انبعاثات قطاعي الزراعة والغابات وحدهما قرابة 22% من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم، بحسب بيانات البحث.
استعمال الألواح الشمسية في الزراعة
أشار تقرير حديث صادر عن الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) إلى أن دمج الألواح الشمسية في الزراعة يقدّم حلولًا واعدة لتقليص انبعاثات الكربون مع تعزيز إنتاج الغذاء وزيادة الطاقة المتجددة.
وأوضح الخبير بجامعة سوانسي، أوستن كاي، أن استغلال الخلايا الشمسية في نمو المزروعات، يعدّ تجربة مبتكرة لتوليد الكهرباء النظيفة، ويمكنه المساعدة في إزالة الانبعاثات الناجمة عن نمو المنتجات الزراعية.
وإذا غُطّيت نسبة 1% فقط من مساحات الأراضي الزراعية في الاتحاد الأوروبي بالألواح الشمسية، فيمكن للاتحاد تحقيق مستهدفاته لزيادة قدرة الكهرباء لعام 2030 بهذه الألواح وحدها، دون التأثير سلبًا في منتجات المحاصيل، بحسب الخبير.
ورغم ذلك، فليست كل الألواح الشمسية مناسبة للزراعة، فالخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون أكثر كفاءة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، لكنها ليست شفافة وتحجب الضوء؛ ما يحدّ من تطبيقها في البيئات الزراعية.
على العكس من ذلك، يمكن دمج الخلايا الشمسية العضوية المصنوعة من مركبات كربونية بالأساس؛ لأنها شبه شفافة ولا تحجب الضوء؛ ما يجعلها قادرة على السماح بمرور الضوء إلى المساحات المزروعة، بحسب نتائج البحث المنشور على موقع أدفانسيد ساينس نيوز (Advanced Science News).
ويشير قائد فريق البحث أردالان أرمين إلى أن الخصائص البصرية للخلايا الشمسية العضوية يمكن تصميمها بسهولة أكبر وتعديل تركيبها الكيميائي؛ ما يسمح بتخصيص الألواح المثالية تبعًا لمتطلبات إضاءة كل محصول، كما تتميز بخفّة الوزن والمرونة.
ووجد الباحثون المشاركون أن الألواح الشمسية الحديثة المصنوعة من السيليكون غير العضوي تولّد كهرباء أكثر لكل متر مربع من نظيرتها العضوية شبه الشفافة، لكن عوامل -مثل تغطيتها ووزنها ومرونتها- قد تسمح لها بالتنافس مع الأنظمة غير العضوية القديمة.
انتشار الخلايا الشمسية السيليكونية
تنتشر الخلايا الشمسية السيليكونية في الأسواق، رغم أنها تتطلب -عادةً- درجات حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية في أثناء التصنيع؛ ما يجعلها ضارة بالمناخ، بينما يمكن تصنيع الخلايا الشمسية العضوية والبيروفسكايت عند درجات حرارة أقل بكثير، باستعمال تقنيات مثل طباعة الصحف.
وتجاوزت كفاءة الخلايا الشمسية العضوية حاجز 20% هذا العام (2024) فقط، كما صُنعَت في الماضي نماذج منها يصل عمرها التشغيلي إلى 30 عامًا، على حدّ قول الباحث كاى.
ويأمل كاى في رؤية مشروعات زراعية واسعة النطاق تستعمل الخلايا الشمسية العضوية شبه الشفافة بفضل التحسينات المستمرة وانخفاض تكاليف تخليق الجزيئات العضوية، وتراجع المشروعات المعتمدة على الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية.
وسعى كاي وفريقه من المتعاونين في البحث إلى تقييم توليد الكهرباء السنوي باستعمال الألواح الشمسية في الزراعة من مختلف أنواع الخلايا الشمسية، مع مراعاة عدّة عوامل، مثل كثافة الخلايا، والموقع الجغرافي، والمحصول المناسب.
وساعدت النتائج التي توصلوا إليها في تطوير أنظمة شمسية أكبر تراعي احتياجات المحاصيل والعوامل البيئية، مع التركيز على كفاءة الطاقة ومبادئ الحركة الحرارية.
واعتمد فريق البحث على قاعدة بيانات الإشعاع الشمسي الوطنية المقدّمة من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، لاستقراء النتائج المتحصَّل عليها في المختبر لسيناريوهات العالم الواقعي.
ويتطلب استعمال الألواح الشمسية في الزراعة معرفة دقيقة بكيفية امتصاص الضوء أو انعكاسه من هذه الخلايا، ومدى كفاءتها بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، مع إدارة درجات الحرارة لتناسب المزروعات.
كما يتطلب دراسة الموقع الجغرافي والأوقات المناسبة على مدار العام، والعوامل المناخية والزراعية المرتبطة، فعلى سبيل المثال: عادةً ما يتاح الضوء بكميات أقل للمحاصيل على مدار العام عند خطوط العرض العليا، وقد لا يحتاج إلى استعمال الألواح الشمسية في مثل هذه الحالات لنفاذ قوي للضوء.
على العكس من ذلك، لا تظهر مشكلة الضوء عند خطوط العرض المنخفضة؛ لأن تأثيرات التظليل قد تكون مرغوبة، خاصة في أثناء ارتفاع درجات الحرارة، بحسب الدراسة.
موضوعات متعلقة ..
اقرأ أيضًا ..
المصادر:
نتائج بحث استعمال الألواح الشمسية في الزراعة من أدفانس ساينس نيوز.