الزراعة الشمسية

تُركّب معظم الأنظمة التقليدية ألواحاً شمسية مائلة على البيوت الزجاجية ، ^{[ 26 ]} فوق المحاصيل الحقلية أو بينها. ^{[ 27 ]}

يمكن تركيب الأنظمة الرأسية ذات الوحدات ثنائية الوجه على الأسوار أو على دعامات منفصلة. ^{[ 28 ]} عادةً ما تُركّب وحدة واحدة بين أعمدة السياج. تبلغ كفاءة اللوحة الرأسية المواجهة للجنوب 76%، مما يؤدي غالبًا إلى انخفاض التكلفة الإجمالية . ^{[ 28 ]} أشارت إحدى الدراسات إلى أن أداء المحولات الدقيقة كان أفضل عندما كان طول السياج المتقاطع أقل من 30 مترًا أو عندما كان النظام صغيرًا، بينما كانت محولات السلسلة أفضل للأسوار الأطول. ^{[ 29 ]} أفادت دراسة محاكاة أن المسافة بين صفوف الوحدات تؤثر بشكل كبير على إنتاجية اللوحة. ^{[ 27 ]} يمكن صنع رفوف خشبية مفتوحة المصدر مصنوعة من مواد مستدامة باستخدام أدوات يدوية. توفر هذه الرفوف عمرًا افتراضيًا يصل إلى 25 عامًا ليتناسب مع الألواح، ويمكنها تحمل سرعات الرياح العالية وأحمال الثلوج الكثيفة. ^{[ 30 ]}

يمكن لنظام متكامل يستخدم الهيدروجيل أن يعمل كمولد للمياه من الغلاف الجوي ، حيث يقوم بتكثيف بخار الماء ليلاً للري أو لتبريد اللوحة. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

أُنشئ أول نظام زراعي كهروضوئي في اليابان باستخدام ألواح مثبتة على أنابيب رفيعة على قواعد بدون أساسات خرسانية. كان هذا النظام قابلاً للفك وخفيف الوزن، ويمكن نقل الألواح أو تعديلها على مدار الفصول. كما أن التباعد الواسع بينها يقلل من مقاومة الرياح. ^{[ 15 ]}

بدلاً من ذلك، يمكن لنظام تتبع الشمس أن يُحسّن تلقائيًا اتجاه الألواح الشمسية لتعزيز الإنتاج الزراعي أو إنتاج الكهرباء. ^{[ 33 ]} على سبيل المثال، يمكن وضع أجهزة التتبع أحادية المحور على مسافات متباعدة وتوجيهها عموديًا لتمكين المعدات الزراعية من العمل بشكل طبيعي بينها مع التقاط كمية كبيرة من الطاقة (على سبيل المثال، سيحتاج الأمر إلى أقل من 0.5% من الأراضي الزراعية في الولايات المتحدة مع هذه الأجهزة لتغطية جميع احتياجات الطاقة لمراكز البيانات ). ^{[ 34 ]}

في عام ٢٠٠٤، اقترح تشالون نظام تتبع مزودًا برفوف حبال. ويمكن إعادة توجيه الألواح. بُني النموذج الأولي الأول في عام ٢٠٠٧ في النمسا. ^{[ ٣٥ ]} قامت شركة REM TEC بنشر مزارع مجهزة بأنظمة تتبع ثنائية المحور في إيطاليا والصين. وقد طورت نظامًا مماثلًا للبيوت الزجاجية. ^{[ ٣٦ ]}

تعمل شركتا Sun'R وAgrivolta على تطوير أنظمة تتبع أحادية المحور تتضمن نماذج نمو النبات، وتوقعات الطقس، وبرامج الحساب والتحسين. يُجهز جهاز Agrivolta بألواح مواجهة للجنوب قابلة للإزالة بواسطة نظام انزلاقي. ^{[ 37 ]} وقد طورت شركة يابانية نظام تتبع منفصل. ^{[ 38 ]}

تعمل شركة إنسولايت على تطوير وحدات شفافة مزودة بنظام تتبع مدمج يسمح لها بالبقاء ثابتة. تستخدم الوحدة عدسات لتركيز الضوء على الألواح ونظام نقل ديناميكي لضبط كمية الضوء المار. ^{[ 39 ]}

قام أرتيجيانفر بتطوير دفيئة كهروضوئية يتم تركيب ألواحها الشمسية على مصاريع متحركة. ^{[ 40 ]}

طوّر الباحثون وحدات كهروضوئية تسمح بمرور كمية من الضوء باستمرار إلى النباتات. ومن المفترض أن تسمح هذه الوحدات بمرور الأطوال الموجية التي تحتاجها النباتات الداخلية، بينما تستخدم الأطوال الموجية الأخرى لتوليد الكهرباء. وفي المستقبل، قد تُستخدم هذه الوحدات في البيوت الزجاجية .

في عام ٢٠١٥، اقترح وين ليو ألواحًا زجاجية منحنية مغطاة بغشاء بوليمر ثنائي اللون ينقل بشكل انتقائي أطوال الموجات الزرقاء والحمراء لعملية التمثيل الضوئي للمحاصيل. أما باقي أطوال الموجات فتنعكس وتُركّز على الخلايا الشمسية لتوليد الطاقة باستخدام نظام تتبع مزدوج. وبذلك، يتم التخلص من تأثيرات الظلال لأن المحاصيل تتلقى أطوال الموجات اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. وقد حاز هذا الابتكار على العديد من الجوائز، منها جائزة R&D100 (٢٠١٧). ^{[ ٤١ ] [ ٤٢ ]}

يتطلب اختيار درجة اللون والشفافية الأمثلين لإنتاجية المحاصيل وتوليد الكهرباء إجراء تجارب. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} تستخدم الألواح شبه الشفافة أغطية خلفية شفافة لتعزيز إنتاج الغذاء تحتها. في هذا الخيار، تسمح الألواح الثابتة للشمس بتوجيه أشعة الشمس إلى النباتات الموجودة أسفلها، مما يقلل من التعرض المفرط لها. ^{[ 46 ]}

تتضمن الرعي الشمسي ^{[ 47 ]} رعي الماشية تحت الألواح الشمسية للسيطرة على الغطاء النباتي الذي قد يحجب أشعة الشمس عن الألواح. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} وقد بدأت هذه الممارسة في بريطانيا خلال العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين. ^{[ 51 ]}

تُعدّ الأغنام الخيار الأكثر شيوعًا للرعي. ^{[ 52 ] [ 49 ]} في مقابل السيطرة على نمو النباتات، تحصل الأغنام أو الماعز على العلف والظل. ^{[ 53 ]} عادةً ما يستأجر مشغلو النظام الأغنام، وهو ما قد يكون أقل تكلفة من جزّها. أشارت الدراسات إلى زيادة في كتلة المحصول ^{[ 54 ]} أو انخفاض في الكتلة مع جودة علف أعلى، مما يحقق إنتاجًا مشابهًا لحملان الربيع مقارنةً بالمراعي المفتوحة. ^{[ 55 ] [ 53 ]} يمكن أن يُنتج الرعي الشمسي في أستراليا كمية ونوعية أكبر من الصوف . ^{[ 56 ]} لا تُستخدم الماشية بكثرة، ويعود ذلك جزئيًا إلى المخاوف من إتلافها للبنية التحتية. ^{[ 52 ]}

في الولايات المتحدة، انتشرت فكرة الرعي الشمسي بفضل الجمعيات المدنية، مما عزز التعاون بين مربي الماشية وشركات الطاقة الشمسية. ^{[ 57 ] [ 47 ]} وفي الصين، تتفاوض مبادرات حكومية واسعة النطاق وحكومات محلية مع المزارعين وشركات الطاقة الشمسية لإنشاء مشاريع زراعية للطاقة الشمسية. وتُعدّ العديد من مشاريع الرعي الشمسي جزءًا من برامج مكافحة الفقر . ^{[ 47 ]}

لا تُحسّن أنظمة الزراعة الكهروضوئية نمو النباتات إلا في حالة النباتات التي تحتاج إلى الظل، حيث لا يُمثّل ضوء الشمس عاملاً مُحدداً. مع ذلك، لا تُمثّل محاصيل الظل سوى نسبة ضئيلة من إجمالي الإنتاج. ^{[ 2 ]} أما بالنسبة للمحاصيل الأخرى، فقد يُؤدي استخدام الضوء بواسطة الألواح الشمسية إلى تقليل نمو النباتات. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن محاصيل القمح تُنتج محصولاً أقل في بيئة ذات إضاءة منخفضة. ^{[ 2 ]}

تُساهم الألواح الشمسية في ترشيد استهلاك المياه. فقد أظهرت تجارب أُجريت في أستراليا أن الألواح الشمسية قادرة على ري العشب من خلال تكثف الماء أسفلها. ^{[ 56 ]} وفي صحراء كاليفورنيا ، وُجد انخفاض في معدلات التبخر بنسبة تتراوح بين 14 و29% بفضل الألواح الشمسية، وذلك بالنسبة للمحاصيل المقاومة للظل مثل الخيار والخس التي تُروى بالري. ^{[ 2 ]} وأظهرت دراسة مماثلة في صحراء أريزونا توفيرًا في المياه بنسبة 50% لبعض المحاصيل. ^{[ 62 ]}

في مناخات خطوط العرض الشمالية، يُتوقع أن تُغير الزراعة الكهروضوئية المناخ المحلي للمحاصيل بطرق إيجابية وسلبية دون فائدة صافية، إذ تُقلل من الجودة بزيادة الرطوبة وانتشار الأمراض، وتتطلب إنفاقًا أكبر على المبيدات، ولكنها تُخفف من تقلبات درجات الحرارة وبالتالي تزيد من المحاصيل. أما في البلدان ذات معدلات هطول الأمطار المنخفضة أو غير المنتظمة، وتقلبات درجات الحرارة العالية، وقلة فرص الري الاصطناعي، فيُتوقع أن تُؤثر هذه الأنظمة إيجابًا على جودة المناخ المحلي. ^{[ 63 ]}

تُساهم الألواح الشمسية في خفض درجة حرارة المحاصيل. في إحدى الدراسات، ظل الهواء أسفل الألواح ثابتًا، لكن سُجّلت درجات حرارة أقل للأرض والمحاصيل. ^{[ 2 ]} في كندا، ألحق صيف شديد الحرارة أضرارًا بالغة ببعض محاصيل الخس، لكن الخس المُظلل بأنظمة الطاقة الشمسية الزراعية ظلّ أبرد بأكثر من 20 درجة مئوية. في هذه الحالة، زادت أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية الوزن الطازج للخس الروماني العضوي بأكثر من 400% مقارنةً بالنباتات غير المُظللة، وبأكثر من 200% مقارنةً بمتوسط ​​الإنتاج الوطني. ^{[ 64 ]}

لوحظت زيادة في إنتاجية المحاصيل لعدد من المحاصيل:

• الأمارانث ^{[ 65 ]}
• الريحان ^{[ 43 ]}
• البروكلي ^{[ 66 ]}
• الكرفس ^{[ 67 ]}
• فلفل تشيلتيبين ^{[ 68 ]}
• الذرة ^{[ 69 ]} / الذرة الصفراء ^{[ 70 ]}
• الخس ^{[ 71 ] [ 72 ]}
• عشب المراعي ^{[ 73 ]}
• البطاطس ^{[ 74 ]}
• السبانخ ^{[ 43 ]}
• الفراولة ^{[ 75 ] [ 76 ]}
• الطماطم ^{[ 68 ]}
• اللفت ^{[ 77 ]}
• القمح ^{[ 78 ]}

قد يُسهم الاستخدام المزدوج للأراضي في الزراعة وإنتاج الطاقة في زيادة الإنتاجية الإجمالية للأراضي. وهذا بدوره قد يُخفف من حدة التنافس على موارد الأراضي، ويُقلل الضغط على تحويل الأراضي الزراعية أو المناطق الطبيعية إلى مزارع للطاقة الشمسية، أو على تحويل المناطق الطبيعية إلى المزيد من الأراضي الزراعية. ^{[ 24 ]} وقد أشارت محاكاة أولية أجراها دوبراز وآخرون عام 2011 إلى أن كفاءة استخدام الأراضي قد ترتفع بنسبة 60-70% (وذلك بشكل رئيسي من حيث الاستفادة من الإشعاع الشمسي). ^{[ 2 ] [ 12 ]} وتشمل الفرص الاجتماعية والسياسية الرئيسية للزراعة الكهروضوئية تنويع مصادر دخل المزارعين، وتعزيز العلاقات المجتمعية وقبول مطوري أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وخفض الطلب على الطاقة والانبعاثات لسكان العالم. ^{[ 3 ] [ 79 ]}

من أبرز عيوب الطاقة الشمسية الكهروضوئية، والتي تُذكر عادةً كعامل مهم، استبدال الأراضي الزراعية المنتجة للغذاء بألواح الطاقة الشمسية. ^{[ 80 ] [ 63 ]} فالأراضي الزراعية هي نفسها التي تكون فيها ألواح الطاقة الشمسية أكثر كفاءة. ^{[ 80 ]} ورغم إمكانية ممارسة بعض الزراعة في محطات الطاقة الشمسية، إلا أن الزراعة الكهروضوئية قد تُصاحبها انخفاض في الإنتاج. ^{[ 63 ] [ 81 ]} ومع أن بعض المحاصيل في بعض الحالات، كالخس في كاليفورنيا، لا تتأثر بالتظليل من حيث المحصول، ^{[ 2 ] [ 80 ]} إلا أنه سيتم التضحية ببعض الأراضي لتركيب الهياكل ومعدات الأنظمة. ^{[ 63 ]}

لمعالجة تضارب استخدامات الأراضي بين تطوير الطاقة الشمسية وإنتاج الغذاء، طبّقت بعض الحكومات لوائح وحظراً على استخدام الأراضي. فعلى سبيل المثال، فرضت الصين قيوداً في عام 2023، حظرت بموجبها تركيب أنظمة الطاقة الشمسية على الأراضي الزراعية والمراعي ، بينما شجّعت في الوقت نفسه مشاريع جديدة، بما في ذلك مشاريع الطاقة الشمسية الزراعية، على المناطق الصحراوية القاحلة وغيرها من الأراضي المصنفة ذات قيمة بيئية منخفضة، لا سيما في المناطق الشمالية القاحلة من البلاد. ^{[ 47 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]}

يمكن للزراعة الشمسية التغلب على معارضة السكان المحليينأصبحت أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، التي تُعدّ تحديًا لمطوري الطاقة المتجددة، مشكلةً متزايدة الأهمية . ^{[ 85 ]} قيّمت دراسة استقصائية أمريكية ما إذا كان الدعم الشعبي لتطوير الطاقة الشمسية يزداد عند دمج إنتاج الطاقة والإنتاج الزراعي في نظام زراعي كهروضوئي، ووجدت أن 81.8% من المشاركين سيكونون أكثر ميلًا لدعم تطوير الطاقة الشمسية في مجتمعهم إذا ما دُمج الإنتاج الزراعي. ^{[ 86 ]} ويزعم نموذج دينيش وآخرون أن قيمة الكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية، مقترنةً بإنتاج محاصيل تتحمل الظل، قد أدت إلى زيادة تتجاوز 30% في القيمة الاقتصادية للمزارع التي تستخدم أنظمة الزراعة الكهروضوئية بدلًا من الزراعة التقليدية. ^{[ 87 ]} قد تكون أنظمة الزراعة الكهروضوئية مفيدة للمحاصيل الصيفية نظرًا للمناخ المحلي الذي تُنشئه، فضلًا عن تأثيرها الجانبي المتمثل في التحكم في الحرارة وتدفق المياه. ^{[ 88 ]} تُعدّ أنظمة الزراعة الكهروضوئية متفوقة بيئيًا على الزراعة التقليدية أو أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. أظهرت دراسة تحليل دورة الحياة أن نظام الزراعة الكهروضوئية القائم على المراعي يتميز بتآزر مزدوج ينتج عنه انخفاض بنسبة 69.3% في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وانخفاض بنسبة 82.9% في استهلاك الطاقة الأحفورية مقارنة بالإنتاج غير المتكامل. ^{[ 89 ]}

تُعدّ البيوت الزجاجية الزراعية الكهروضوئية أقل كفاءة من أنظمة الطاقة الشمسية التقليدية. في إحدى الدراسات، تمت محاكاة بيوت زجاجية مغطاة بنصف سقفها بألواح شمسية، مما أدى إلى انخفاض إنتاج المحاصيل بنسبة 64% وإنتاج الألواح بنسبة 84%. ^{[ 90 ]}

أشارت دراسة إلى وجود عوائق أمام تبني الزراعة الكهروضوئية بين المزارعين، وتشمل هذه العوائق: عدم اليقين بشأن إنتاجية الأرض، وإمكانات السوق، والتعويضات، والحاجة إلى مرونة النظام المصمم مسبقًا لاستيعاب مختلف الأحجام وأنواع العمليات وممارسات الزراعة المتغيرة. ^{[ 91 ]}

كما استُخدمت الزراعة الكهروضوئية لمكافحة التصحر واستصلاح الأراضي القاحلة المتدهورة، لتشكل جزءًا من مبادرات الطاقة الكهروضوئية البيئية الأوسع نطاقًا ونموذج "الطاقة الكهروضوئية + الاستصلاح البيئي". ^{[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]}

تُقدّم الصين مثالاً موثقاً جيداً، حيث تشمل مشاريع الطاقة الشمسية الزراعية الحديثة في مناطقها الصحراوية صحراء كوبوتشي ، حيث تُزرع الطماطم والأعشاب الصحراوية تحت الألواح الشمسية، ومقاطعة نينغشيا ، حيث تُزرع ثمار الغوجي في برامج تجريبية . ^{[ 95 ] [ 96 ]} في بعض الأراضي المتدهورة سابقاً، لوحظ أن تأثير الألواح الشمسية يشمل زيادة نمو الغطاء النباتي، والذي يُعزى إلى الظل الذي توفره الألواح الشمسية والذي يقلل من تبخر التربة وسرعة الرياح، مما يخلق بيئات مناخية محلية ملائمة لنمو النباتات. كما تتسرب المياه المستخدمة لتنظيف الألواح الشمسية إلى الأرض، لتغذي المحاصيل الموجودة تحتها. ^{[ 97 ]} ومع ذلك، فقد شكّل نمو الأعشاب غير المقصود مشكلةً، مثل حجب ضوء الشمس عن الألواح الشمسية، وللتغلب على هذه المشكلة، أدخل المشغلون الأغنام وغيرها من الماشية الرعوية لتكون بمثابة جزازات عشب طبيعية، بينما يساعد روثها في تخصيب التربة، مما يخلق حلقة تكافلية . ^{[ 11 ] [ 98 ] [ 99 ]}

قارنت دراسة محكمة نُشرت عام 2025 في مجلة "التقارير العلمية " ثلاثة نماذج لتجديد صحراء هوبك (صحراء كوبوكي)، التي لا تتلقى سوى حوالي 300 ملم من الأمطار سنويًا، ووجدت أن النشاط الميكروبي وجودة التربة وكثافة العناصر الغذائية تحسنت بشكل ملحوظ في ظل الزراعة الكهروضوئية، مقارنةً بالزراعات غير الشمسية والمنشآت التي تعمل بالطاقة الشمسية فقط. ^{[ 100 ] [ 101 ]}

تتطلب أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية استثمارًا أوليًا في صفوف الألواح، والآلات الزراعية، والبنية التحتية الكهربائية، وربما التأمين، مقارنةً بالأنظمة التقليدية. في ألمانيا، تجعل التكاليف الرأسمالية تمويل هذه الأنظمة أمرًا صعبًا. ^{[ 63 ]}

من أبرز معوقات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق العامة متطلبات استخدام الأراضي. فهي تتطلب مساحات سطحية شاسعة، يصعب توفيرها في المناطق المكتظة بالسكان أو المناطق الحضرية الكثيفة. ونتيجة لذلك، غالباً ما تُقام محطات الطاقة الشمسية واسعة النطاق، بما في ذلك محطات الطاقة الشمسية الزراعية، في المناطق الريفية أو على مسافة بعيدة عن المراكز السكانية الرئيسية، مما قد يستلزم بنية تحتية إضافية، مثل تحديث شبكة الكهرباء لاستيعاب خطوط نقل الجهد العالي لتوصيل الكهرباء إلى المراكز السكانية. ^{[ 102 ] [ 103 ]}

تُعدّ أنظمة الخلايا الكهروضوئية معقدة تقنياً وقد تتطلب مساعدة فنية متخصصة لصيانتها . في ألمانيا، كان من المتوقع أن تكون تكاليف العمالة أعلى بنحو 3% . ^{[ 63 ]}