گسترش انرژی‌های تجدید پذیر و توجه کشورهای پیشرفته به کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی موجب شده که فنّاوری‌هایی چون سیستم خورشیدی راه خود را به کشاورزی مدرن بازکرده و روشی تحت عنوان فتوکشاورزی مطرح شود. در این مقاله به بررسی کاربرد پنل های خورشیدی در کشاورزی مدرن خواهیم پرداخت.
فهرست مطالب مقاله
فتوکشاورزی یا کشاورزی خورشیدی چیست؟
کشاورزی فتوولتائیک یا فتوکشاورزی یکی از روش‌های توسعه پایدار در صنعت کشاورزی است. معضل جهانی انرژی و مشکلات ناشی از سوخت‌های فسیلی، استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر را پراهمیت‌تر کرده است. یکی از این انرژی‌های همیشه در دسترس به‌ویژه در جغرافیای ایران، انرژی خورشیدی است. در کشورهای پیشرفته از انرژی خورشیدی به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم استفاده میشود.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای انرژی خورشیدی، تبدیل آن به انرژی الکتریکی به کمک سیستم‌های حرارتی و سیستم فتوولتائیک است. در سیستم فتوولتایی انرژی خورشیدی بدون بهره‌گیری از مکانیزم های متحرک، به‌صورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. انرژی الکتریکی تولیدشده، می‌تواند توان موردنیاز موتور یک الکتروپمپ را تأمین نماید.
کاربردهای سیستم فتوولتائیک در کشاورزی
سیستم‌های فتوولتائیک به دلیل تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی کاربردهای بسیاری در همه حوزه‌ها ازجمله کشاورزی دارند. به‌طورکلی کاربردهای سیستم فتوولتائیک را چنین می‌توان برشمرد:
- تأمین برق مصرفی مناطق دورافتاده
- پمپاژ آب
- تولید برق در شبکه
- تأمین روشنایی اماکن
طبق اطلاعات موجود تا سال 1393، بیش از 60 هزار پمپ خورشیدی با توان مختلف در روستاهای فاقد برق در سراسر جهان نصب‌شده است.
کاربردهای این سیستم در بخش کشاورزی بدین شرح است:
- پمپ خورشیدی ( استحصال آب از چاه و پمپاژ به زمین کشاورزی)
- آب‌گرم‌کن خورشیدی ( تأمین گرمای موردنیاز گلخانه‌ها در فصول سرد)
- خشک‌کن‌های خورشیدی (جهت خشک نمودن محصولات کشاورزی)
- چراغ‌های خورشیدی ( جهت تأمین نور موردنیاز در زمین‌های کشاورزی و باغات)
- سیستم سرمایش خورشیدی (برای نگهداری از محصولات کشاورزی)
- آب‌شیرین‌کن خورشیدی
یکی از مهم‌ترین کاربردهای این سیستم در کشاورزی، تأمین انرژی موردنیاز برای پمپ‌های خورشیدی است. پمپ‌های خورشیدی جهت استخراج آب از چاه و پمپاژ آن به زمین‌های کشاورزی مورداستفاده قرار می‌گیرد. پمپ‌های خورشیدی قابلیت استحصال آب از چاه‌ها، دریاچه‌ها، برکه‌ها و رودخانه‌ها را به‌منظور تأمین آب موردنیاز دارا هستند.
سندبادسِل، پلتفرمی مطمئن برای خرید و فروش محصولات
اجزاء سیستم فتوولتائیک
یک سیستم فتوولتائیک دارای اجزا مختلفی است. در این بخش باهدف آشنایی خوانندگان، تنها به معرفی این اجزاء بسنده شده است. اجزا این سیستم عبارت‌اند از:
- پنل خورشیدی
- کنترل‌کننده شارژ
- ذخیره کننده باتری
- مبدل
- بار DC
- بار AC
پمپ خورشیدی در کشاورزی
کشاورزی یکی از مشاغل مرسوم در بسیاری از مناطق ایران است. در حال حاضر حدود 12 درصد از مساحت ایران تحت عملیات کشاورزی است و 63 درصد زمین‌ها با ظرفیت کشت همچنان دست‌نخورده باقیمانده است. از علل عدم توسعه کشاورزی در مناطق قابل‌کشت را می‌توان وجود برخی مشکلات در تأمین برق و آب موردنیاز بیان نمود. در بسیاری از مناطق دسترسی به شبکه برق سراسری مقدور نیست و از سوی دیگر مشکلات موجود در تأمین برق سراسری خود مزید بر علت است. نبود برق، استحصال آب از چاه و سفره‌های زیرزمینی و پمپاژ آن به زمین‌ها را غیرممکن می‌سازد.
بهره‌گیری از سیستم فتوولتائیک برای راه‌اندازی پمپ خورشیدی، کلید حل مشکلات در زمین‌های زراعیِ به‌دوراز شبکه توزیع برق است. استفاده از چنین سیستم‌هایی راه‌حلی برای مشکلات زیر است:
- هزینه بالای انتقال برق شبکه سراسری و نگهداری آن
- افت فشار و قطع برق شبکه سراسری
- هزینه بالای خرید و نصب ژنراتورها و پمپ‌های موتوری
- مشکلات و هزینه‌های تأمین سوخت ژنراتورها و انتقال سوخت
- هزینه بالای تعمیر و نگهداری موتورهای آب و ژنراتورهای دیزلی
مجموعه مزایای پمپ خورشیدی را چنین می‌توان برشمرد:
- دسترسی به منبع انرژی رایگان
- هزینه نگهداری پایین
- صرفه اقتصادی بیشتر در بلندمدت
- قابلیت اطمینان بیشتر
- قابلیت نصب و راه‌اندازی آسان در همه نقاط
- قابل‌استفاده در اندازه‌های مختلف ( متناسب با گستردگی زمین‌های کشاورزی)
پنل های خورشیدی در مزارع کشاورزی
یکی از موانع بالقوه در احداث پروژه‌های خورشیدی، آفتاب‌گیری پنل ها است. ازاین‌رو راه‌اندازی سیستم فتوولتائیک در زمین‌های کشاورزی با حداقل درختان ( به‌ویژه درختان بلندقامت) موفق‌تر خواهد بود. شاید این سؤال مطرح شود که احداث یک پروژه خورشیدی، موجب از دست رفتن بخشی از زمین کشاورزی خواهد شد؟ آیا تأمین و تولید برق ارجحیت دارد یا کشاورزی؟ آیا فتوکشاورزی راه‌حلی برای برون‌رفت از مشکلات برخی از مشکلات در بخش کشاورزی است؟
در پژوهشی که اخیراً در مجله Nature منتشر شد، وضعیت زمین‌هایی که علاوه بر کشاورزی، تولید برق خورشیدی نیز می‌نمایند، موردبررسی قرار گرفت. نتایج این بررسی در دودسته بندی «تأثیر پنل ها بر کشاورزی» و «تأثیر کشاورزی بر پنل ها» منتشر گردید که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
تأثیر پنل های خورشیدی بر کشاورزی
به‌طورکلی تأثیر سه عامل بر تولیدات کشاورزی و رشد گیاهان در فتوکشاورزی مطرح است:
- دمای هوا
- نور مستقیم خورشید
- آب موردنیاز
اما ببینم هر یک از این سه عامل چه ارتباطی با پروژه خورشیدی دارند. سایه ی ایجادشده توسط پنل های خورشیدی، موجب کاهش دمای محیط در روز و افزایش دما در شب میشود. از سوی دیگر به دلیل افزایش فشار بخارآب در سیستم‌های فتوکشاورزی، محل موردنظر از رطوبت بیشتری برخوردار خواهد بود.
طبق تحقیقات انجام‌شده برخی از محصولات کشاورزی در چنین شرایطی، عملکرد بسیاری بهتری داشته‌اند. برای مثال برخی از انواع فلفل تا سه برابر و گوجه‌فرنگی تا دو برابر بیشتر از روش سنتی، بازدهی دارند. همچنین برای داشتن حجم تولید یکسان درروش سنتی و فتوکشاورزی، میزان آب کمتری در فتوکشاورزی مصرف میشود؛ چراکه رطوبت باقیمانده در خاک تا 15 درصد بیشتر از روش سنتی و در هوای آزاد است.
تأثیر کشاورزی بر پنل های خورشیدی
تأثیرات مثبت فتوکشاورزی دوسویه است. عملکرد نیروگاههای خورشیدی با وجود محصولاتی که در زیر آن رشد می‌نمایند، ارتقاء می‌یابد. همان‌گونه که می‌دانید بازدهی نیروگاه خورشیدی با دمای محیط رابطه معکوس دارد. به‌عبارت‌دیگر وقتی دمای محیط افزایش می‌یابد، بازدهی پنل های خورشیدی کاهش می‌یابد. کشت محصولات کشاورزی زیر پنل های خورشیدی به کاهش دمای زیر پنل ها کمک می‌نماید و این امر افزایش انرژی تولیدی را به همراه دارد.
تنفس گیاهان زیر پنل ها باعث انتشار بخارآب و ایجاد قطرات آب و درنهایت منجر به خنک شدن صفحات خورشیدی میشود.
به‌عبارت‌دیگر سیستم‌های فتوکشاورزی، روشی برد-برد برای افزایش تولید محصولات کشاورزی و همچنین راندمان نیروگاههای خورشیدی است.
دلایل استفاده محدود از انرژی خورشیدی در بخش کشاورزی ایران
متأسفانه با تمامی نکات مثبتی که از سیستم‌های فتوکشاورزی گفته شد، این سیستم‌ها در صنعت کشاورزی ایران جایگاه خود را نیافته‌اند. در حال حاضر در موارد محدودی در گلخانه‌ها، واحدهای دامداری، مرغداری‌ها و زنبورداری‌ها از سیستم‌های خورشیدی استفاده میشود. هرچند تحقیقات علمی در خصوص کاربردها و مزایای سیستم‌های خورشیدی در صنعت کشاورزی ایران انجام‌شده اما متأسفانه این تحقیقات به سطح تجاری و کاربردی راه پیدا نکرده است. مجموعه دلایل راه نیافتن سیستم‌های خورشیدی به صنعت کشاورزی ایران را چنین می‌توان برشمرد:
- هزینه اولیه بالای احداث یک سیستم خورشیدی
- فقدان بومی‌سازی فناوری سیستم‌های خورشیدی
- ارزان بودن حامل‌های انرژی در ایران و مصرفِ بی‌رویه آن
- نبود حمایت‌های دولتی لازم
شاید هزینه اولیه احداث یک سیستم خورشیدی بالا باشد، اما در بلندمدت مقرون‌به‌صرفه بوده و با بازگشت سرمایه همراه خواهد بود. بهره‌گیری از سیستم‌های فتوکشاورزی راه‌حلی برای صیانت از منابع ملی و جلوگیری از آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از سوخت‌های فسیلی است.
جالب است بدانید در کشور هند از پنل های خورشیدی برای پوشش کانال‌های آب مزارع کشاورزی استفاده میشود. این روش هم مانع از تبخیر آب‌شده و هم تولید برق را به همراه دارد.
چرایی استفاده از سیستم های خورشیدی
به اعلام موسسه منابع جهان، با تغییر رویکرد تولید برق از سوخت فسیلی به انرژی خورشیدی تجدیدپذیر می‌توان در مصرف آب صرفه جویی قابل توجهی داشت. بنابر گزارش بانک جهانی، در فرآیند خنک سازی نیروگاههای سوخت فسیلی، اغلب از آب استفاده می شود؛ توجه به این موضوع در کشورهایی با تنش کم آبی بایستی در دستور کار قرار گیرد. پنلهای خورشیدی نیازمند آب اندک برای نصب و نگهداری هستند یا بعضا به آب نیاز ندارند.
کشت هیدروپونیک، راهی برای مدیریت مصرف آب در بخش کشاورزی
طبق برآورد مرکز تحقیقات منابع آب، جهت تامین روشنایی یک لامپ ۶۰ واتی به مدت ۱۲ ساعت طی یک سال، بین ۳۰۰۰ تا ۶۰۰۰ گالن آب مصرف می شود. به تحلیل کارشناسان، به یک مصرف کننده با مبلغ قبض حدود 26 هزار تومان، حدود 185 هزار تومان یارانه برق پرداخت میشود. این درحالی است که هزینه احداث نیروگاه خورشیدی خانگی، مبلغی حدود 10 میلیون تومان برآورد می شود، که چیزی معادل 5 سال یارانه پرداختی دولت است. به زعم کارشناسان، هزینه احداث نیروگاه خورشیدی خانگی طی مدت 5 سال به نقطه سر به سر رسیده و پس از آن صرفه جویی خالص برای هزینه های جاری دولت را در پی خواهد داشت.
راهکارهای نهادینه کردن سیستم خورشیدی در کشاورزی ایران
ازآنجاکه راه‌اندازی سیستم‌های خورشیدی برای بخش کشاورزی به هزینه اولیه قابل‌توجهی نیازمند است، ازاین‌رو حمایت‌ها و اقدامات دولت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. مجموعه اقداماتی که برای زیرسازی و بهره‌گیری از انرژی خورشیدی می‌توان برشمرد به شرح زیر است:
- برنامه‌ریزی برای کاهش مصرف انرژی در بخش کشاورزی
- تدوین نقشه راه استفاده از انرژی خورشیدی
- ایجاد همسویی بین وزارتخانه‌ها و سازمان‌های مسئول
- شفاف کردن پروژه‌های برق‌دار کردن چاه‌های آب کشاورزی برای عموم
- آموزش و آگاه سازی کاربردی
طبق اخبار منتشر شده، به تازگی شرکت مادرتخصصی تولید، انتقال و توزیع نیروی برق ایران با امضای تفاهم‌نامه ای با شرکت بهینه‌سازی مصرف سوخت کشور، امکان نصب رایگان پنلهای خورشیدی برای چاه‌های کشاورزی را فراهم نموده است . بر اساس این تفاهم نامه کشاورزان بابت خرید و نصب پنل خورشیدی و تجهیزات مورد نیاز شبکه، هزینه‌ای پرداخت نخواهند کرد و تنها برای خرید تجهیزات اختصاصی مانند ترانس هزینه خواهند نمود. طبق برنامه ریزی های انجام شده، طی سه سال آینده 60 هزار حلقه چاه کشاورزی از این طرح بهره مند خواهند شد.
