الفولطاضوئية الزراعية: الطاقة الشمسية فوق المحاصيل

وتحتاج مزارع الطاقة الشمسية إلى أراض، وأفضل الأراضي للطاقة الشمسية، المفتوحة والمسطحة والمشمسة، هي في كثير من الأحيان الأراضي الزراعية. وهذا يخلق صراعاً هادئاً بين الغذاء والطاقة. وتحاول الفولطاضوئية الزراعية (التي تسمى أيضاً الفولطاضوئية الزراعية أو التقاسم الشمسي) حل هذه المشكلة: ألواح على دعامات طويلة أو في صفوف متباعدة بصورة واسعة، مع وجود محاصيل أو رعي تحتها وفيما بينها.

والخلاصة الصادقة: من المؤكد أن الطاقة الفولطاضوئية الزراعية تعمل على زيادة الناتج الإجمالي للهكتار، وغالباً بنسبة تتراوح بين 50% إلى 80%، ولكنها تتنازل دوماً عن بعض الكهرباء مقارنة بالمزرعة الشمسية العادية، وكثيراً ما تتنازل عن بعض غلة المحاصيل مقارنة بالحقل المفتوح، وتتكلف أكثر من أي منهما. وهي تفوز حيثما يساعد الظل المحصول، أو حيثما تكون الأرض قيمة بدرجة لا يمكن التخلي عنها، أو حيثما تقتضي القواعد مواصلة الزراعة.

ما هو

هناك ثلاثة تصميمات واسعة (Fraunhofer ISE, 2024):

• نظم فوق الرأس (مثبتة على دعامات). ألواح على إطار يتراوح ارتفاعه بين أربعة وستة أمتار، بحيث يمكن للجرارات وآلات الحصاد أن تمر تحتها. وأفضل مثال تم دراسته هو هيغلباخ في جنوب ألمانيا.
• نظم الفضاء الخارجي. صفوف من الألواح على ارتفاع طبيعي مع قطاعات زراعية عريضة بينها. وتشكل الألواح الرأسية ذات الجانبين (ثنائية الوجه) الموجهة نحو الشرق والغرب إحدى الصيغ: ففي إيبلبورن - ديرمنغين في ألمانيا، يترك نظام رأسي بقوة 2 ميغاواط ما لا يقل عن 90 في المائة من الأرض قابلة للزراعة.
• موئل الرعي والتلقيح في إطار المزارع الشمسية التقليدية. وتشيع زراعة الأغنام تحت الألواح؛ والقيمة الزراعية للهكتار أقل، ولا يعتبر بعض الخبراء هذا الأمر من مجالات الطاقة الفولطاضوئية الزراعية على الإطلاق.

وتقع بين هذه الأنواع الدفيئات ذات الأسقف والألواح الشمسية فوق البساتين والكروم والتوت (حيث يمكن أن تحل محل شبكات البرد والغطاء البلاستيكي).

كيف يعمل

Light is shared, not doubled. Sunlight on a field is a fixed budget: about 1,000 to 2,000 kWh per square metre a year in most farming regions. الألواح تعترض جزءا منه والمحصول يحصل على الباقي والخدعة هي أن العديد من المحاصيل لا يمكنها استخدام أشعة الشمس الصيفية الكاملة. ويرتفع التمثيل الضوئي في الأوراق مع الضوء ثم يتسطيح عند نقطة التشبع بالضوء؛ وعلاوة على ذلك، فإن الضوء الإضافي يزيد من الإجهاد الحراري والمائي بدلا من النمو. والمحاصيل التي تتحمل الظل مثل الخضروات ذات الأوراق، وعشب الثوم، والعديد من الفواكه والتوت تشبعت مبكرا ولا تفقد الكثير عندما يتم إزالة جزء من الضوء (Fraunhofer ISE, 2024). وتفقد المحاصيل التي تتعطش إلى الشمس مثل الذرة أو القمح في السنة الباردة المزيد من الحرارة.

النسبة المكافئة للأراضي. الطريقة القياسية للحكم على حقل مشترك هي LER = Y_crop,shared / Y_crop,alone + Y_power,shared / Y_power,alone. بكلمات بسيطة: أضف حصة المحصول الطبيعي الذي ما زلت تحصل عليه إلى حصة الكهرباء التي تحصل عليها من مزرعة شمسية طبيعية. ويعني معامل تقليل الانبعاثات البالغ 1.0 أن التقاسم ليس أفضل من تقسيم الأرض إلى قسمين؛ ويعني عامل تقليل الانبعاثات البالغ 1.6 أن هكتاراً مشتركاً يقوم بعمل 1.6 هكتارات منفصلة. Modelling by Dupraz and colleagues predicted 1.35 to 1.73 for wheat and solar in southern France (Dupraz et al., 2011).

الظل يغير المناخ الصغير وتظل التربة تحت الألواح باردة في الربيع والصيف، ويتبخر قدر أقل من المياه، وفي الفترات الحارة والجافة يمكن للمحصول أن يحقق أداء أفضل مما هو عليه في الحقل المفتوح (بارون - غافورد وآخرون، 2019; مؤسسة فراونهوفر الدولية للتكنولوجيا، 2019). وتستفيد الألواح أيضاً من الهواء الرطب فوق النباتات الذي يجعلها باردة قليلاً مقارنة بالألواح الموجودة فوق الأرض العارية.

الكهرباء لكل هكتار تنخفض. يجب أن تكون الصفوف مبعدة للضوء والآلات، لذا فإن عدد الألواح أقل. في هيجلباخ كانت القدرة المركبة لكل هكتار أقل بنسبة 25% من مزرعة شمسية تقليدية، ولكن الألواح ذات الجانبين العالية عن الأرض التقطت ضوءاً إضافياً معكساً، وبالتالي كانت الكهرباء لكل هكتار 83% من المزرعة العادية.

الحدود

نظري ويجري تقاسم ضوء الشمس: فكل كيلووات ساعة من الضوء التي تستهلكها الألواح لا يحصل عليها المحصول. ولا يمكن للتكنولوجيا الفولطاضوئية الزراعية أن تتفوق على الاستخدام المنفصل للأراضي إلا عندما لا يستخدم المحصول كل الضوء الذي يتلقاه (أو يتضرر منه). وفي حالة ارتفاع كثافة الألواح، ينكمش كل من المحصولين: فمزرعة شمسية عادية تغطي مساحة أكبر بكثير من الأرض مما يمكن لأي محصول أن يتحمله.

عملي

• اختيار المحاصيل. وتبلغ تكلفة النظم العلوية في سنة ألمانية عادية للقمح والبطاطس والكرنب 18 إلى 19 في المائة من غلة هذه المحاصيل. ولا يكون ذلك مقبولاً إلا إذا عوضت عائدات الكهرباء عنها وظل المحصول أعلى مما يعتبره المزارعون قابلاً للتسويق (حوالي 80 في المائة).
• تكاليف الهيكل. وتحتاج الأطر الطويلة التي تغطي حصاداً مجمعاً إلى المزيد من الصلب وأسس أعمق: ويقدر فراونهوفر 372 يورو لكل كيلووات ساعة لتركيب النظم فوق الأرض مقابل 76 يورو للأنظمة الشمسية المركبة على الأرض ().معهد فراونهوفر للتكنولوجيا، 2024).
• الضوء والأمطار غير متساوية. تتحرك خطوط الظل والتنقيط على مدار اليوم، وبالتالي تنمو المحاصيل بشكل غير متساوٍ، وتجري الأمطار من حواف الألواح في خطوط ما لم يتم جمعها أو توزيعها.
• العمل في المزرعة. وتقف الدعمات في الطريق؛ وفي هيجلباخ، أخذت الشريحة المحيطة بها 8% من الحقل خارج الإنتاج.
• القواعد والأرض. وفي العديد من البلدان، يفقد الحقل المغطى بالألواح وضعه الزراعي أو إعاناته ما لم تحدد القواعد ما يعتبر استخداماً مزدوجاً حقيقياً، كما هو الحال في المعيار DIN SPEC 91434 الألماني والمناقصات الفرنسية المخصصة للطاقة الفولطاضوئية الزراعية ().معهد فراونهوفر للتكنولوجيا، 2024).

المشاريع الفعلية، المقيسة

المشروع	ما هو	ما تم قياسه أو الإبلاغ عنه	المصدر
هيغلباخ، ألمانيا (2016 وما بعدها)	194 كيلووات من الألواح المزدوجة الجانب على دعامات طولها 5 أمتار على مساحة تزيد عن ثلث هكتار؛ الصفوف بفاصل 9.5 أمتار؛ القمح، البطاطا، الكرنب، عشب الثوم	2017: clover −5.3%, other crops −18 to −19%; land use efficiency 160%. 2018 (hot, dry): celeriac +12%, potatoes +11%, wheat +3%, clover −8%; land use efficiency 186%. Light on the crop 30% lower. Electricity 1,266 kWh per kW in the first year and 1,285 kWh per kW in 2018 (249,857 kWh), against a German average of about 950	Fraunhofer ISE، 2017؛ 2019
موقع اختبار المحيط الحيوي 2، أريزونا، الولايات المتحدة	محاصيل الخضار المزروعة تحت الألواح في مناخ جاف، مقارنة بالمساحات المفتوحة ومصفوفة شمسية عادية	خفّض الظل من إجهاد النباتات بسبب الجفاف وزاد إنتاج الأغذية لبعض المحاصيل؛ وكانت الألواح الموضوعة فوق النباتات أبرد مما كانت عليه على الأرض العارية	بارون - غافورد وآخرون، 2019
جيلسدوف، ألمانيا (2021)	258 كيلووات من الألواح شبه الشفافة فوق بساتين التفاح العضوية، بالمقارنة مع شبكات مكافحة البرق والأغطية البلاستيكية	بحوث بشأن الضوء وحماية المحاصيل وقبول الجمهور (النتائج قيد الإعداد)	معهد فراونهوفر للتكنولوجيا، 2024
حافة صحراء غوبي، الصين	700 ميغاواط كهربائي فوق مزارع التوت، ويقصد بها أيضاً إبطاء التصحر	أبلغ عن القدرة؛ ولم تنشر بيانات مستقلة عن المحاصيل	معهد فراونهوفر للتكنولوجيا، 2024
اليابان، “تقاسم الطاقة الشمسية”	More than 3,000 small systems since 2013 subsidies	عدد النظم المبلغ عنها	معهد فراونهوفر للتكنولوجيا، 2024

وهناك درسان بارزان. فأولا، أدى نفس النظام إلى نتيجة بلغت 160% في عام ما و186% في العام التالي، لأن الطقس غير ما يعنيه الظل بالنسبة للمحاصيل: فلابد من الحكم على الطاقة الكهربائية الزراعية على مدار مواسم كثيرة. ثانيا، إن أكبر النظم في العالم تنشر أقل البيانات عن المحاصيل. ولا تزال أقوى الأدلة تأتي من حفنة من مواقع البحوث.

ما هي تكلفتها

الخيار	تكلفة الكهرباء	السنة والمصدر
نظم زراعية فلطية علوية عالية (أكثر من 4 أمتار)، ألمانيا	حوالي 0.08 يورو لكل كيلووات ساعة في المتوسط (8.15 سنتات أوروبية)، حوالي 50% فوق الطاقة الشمسية الأرضية	2024, المبادئ التوجيهية لمعهد فراونهوفر للتكنولوجيا
Interspace Agrovoltaics، ألمانيا	حوالي 0.06 يورو لكل كيلووات/ساعة في المتوسط (6.03 سنتات من اليورو)، أعلى قليلاً من الطاقة الشمسية الأرضية	2024، المصدر نفسه
الطاقة الفولطاضوئية الزراعية عموما	0.06 إلى 0.10 يورو لكل كيلووات/ساعة	2024، المصدر نفسه
تكلفة إضافية لتركيب مزرعة أرضية للطاقة الشمسية، الولايات المتحدة	$0.07 to $0.80 لكل واط (أعلى مستوى للمحاصيل تحت الهياكل العالية)	2020, NREL، وHorowitz وآخرون
الطاقة الشمسية على نطاق المرافق، الولايات المتحدة	$0.04 to $ 0.10 لكل كيلووات ساعة	حزيران/يونيه 2026 Lazard LCOE+ الإصدار 19
المعيار المرجعي: الطاقة الشمسية على سطح مبنى	حوالي 0.19 دولار المركزي	لنا نموذج الحائط المروحي
الطاقة الشمسية التجارية والمجتمعية على الأسطح، الولايات المتحدة	$0.09 to $ 0.20 لكل كيلووات/ساعة	حزيران/يونيه 2026، لازارد

ماذا يقول الجدول: في مقابل النقطة المرجعية على سطح الموقع، فإن الطاقة الفولطاضوئية الزراعية كهرباء رخيصة؛ وفي مقابل مزرعة شمسية عادية، فهي أكثر تكلفة. وحالتها ليست أرخص كيلوواط-ساعة ولكن الكيلووات-ساعة التي لا تكلف حصاداً. ويلاحظ فراونهوفر أن مزرعة تستخدم طاقتها الخاصة، بدلا من شراء الكهرباء بسعر يتراوح بين 14 و 16 سنتا يورو لكل كيلووات ساعة، فإنها توفّر ما بين 7 و 9 سنتات يورو عن كل كيلووات ساعة تولدها.

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• Hot, dry and sunny regions, where shade and lower evaporation help crops and cut irrigation.
• الفاكهة والتوت والكروم والخضروات التي تحتاج بالفعل إلى شبكات لحماية أشجارها من البرق أو أغطية للمطر أو قماش للظل: فاللوحات تحل محل تكلفة يدفعها المزارع على أي حال.
• المحاصيل والمراعي التي تتحمل الظل مثل عشبة الثوم والخس والسبانخ والعديد من الأعشاب.
• الأماكن التي تحمى فيها الأراضي الزراعية وﻻ يسمح بإنشاء مزرعة شمسية عادية، أو حيث تعترض المجتمعات المحلية على فقدان الحقول.
• المزارع التي تستخدم طاقتها الخاصة لضخ المياه، أو التخزين البارد، أو الحلب، أو التجفيف أو الآلات الكهربائية.

لا يمكن أن يفوز:

• على أرخص الكهرباء وحدها. المزرعة الشمسية العادية على الأرض لا أحد يرغب في الزراعة ستكون دائما أرخص.
• مع محاصيل متعطشة للشمس في مناخات باردة وغائمةحيث كل نقطة ضوء تؤثر على المحصول
• حيث يجب أن تعمل الآلات الكبيرة بحرية, ما لم يكن الهيكل طويلاً وعريضاً وهذا بالضبط ما يجعله مكلفاً
• حيث تجعل الإعانات أو القواعد منها مزرعة شمسية مقنعة. إن رعي بعض الأغنام تحت ألواح كثيفة مفيد، ولكنه ليس المكاسب التي تحققها هذه الصفحة من خلال تقاسم الأرض.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

أثبتت: أن الأراضي المشتركة يمكن أن تصل إلى نسبة مكافئة للأراضي أعلى بكثير من 1 (160 في المائة و186 في المائة مقيسة في هيغلباخ)؛ وأن الظل يقلل غلة المحاصيل التي تتعطش للشمس في السنوات العادية بنحو الخُمس عند انخفاض الضوء بنسبة 30 في المائة؛ وأن الظل يساعد بعض المحاصيل في الظروف الحارة والجافة؛ وأن الهياكل الطويلة ترفع تكلفة الكهرباء.

Plausible: that agrivoltaics improves crop resilience to heat and drought as the climate warms (supported by trials and modelling, such as simulated rainfed maize in northern Italy that yielded more and more steadily under panels (Amaducci et al., 2018)); that panels can replace hail nets and plastic covers in fruit growing; that Germany alone has room for about 1,700 GW of agrivoltaics on suitable crops (Fraunhofer ISE, 2024).

Speculative: large global estimates such as “less than 1% of cropland could offset global energy demand” (Adeh et al., 2019), which ignore storage, grids and crops; long-term effects on soil and farm economics over 25 to 30 years; how crops respond under very different panel geometries that have not been field-tested.

أسئلة البحث المفتوحة

• ما هي المحاصيل، وفي أي مناخات، التي تحتفظ بما لا يقل عن 80% من غلة محصولها في ظلّ يتراوح بين 20 و40% على مدى عشرة مواسم، وليس موسماً واحداً أو فصلين؟
• هل يمكن لللوحات المتتبعة التي تدور لتسمح بالضوء في المراحل الحرجة من المحصول أن تتفوق على اللوحات الثابتة بما يكفي لتبرير تكلفتها؟
• :: كيف ينبغي جمع مياه الأمطار من الألواح وتوزيعها بحيث تساعد بدلاً من أن تتآكل؟
• ما هي التكلفة الحقيقية للحفاظ على الهياكل الطويلة لمدة تزيد عن 30 عاماً في المزارع العاملة، وكيف تؤثر هذه الهياكل على التأمين والآلات؟
• كيف تحسب القواعد الزراعة “الحقيقة” تحت الألواح دون دعوة مزارع الطاقة الشمسية المقنعة؟
• :: من يملك القيمة: المزارع أم مالك الأرض أم مستثمر الطاقة؟

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

وبالنسبة لفكرة جديدة للطاقة الفولطاضوئية الزراعية (هيكل جديد، استراتيجية جديدة للتتبع، نظام جديد للمحاصيل)، فإن النموذج العامل يعني محصولاً حقيقياً وألواحاً حقيقية تقاس على قطعة مرجعية بدون ألواح لمدة موسم كامل واحد على الأقل.

المرحلة	العمل	ماذا يثبت	التكلفة الإجمالية	الوقت
0. Design study	محاكاة الضوء والظل على مدى السنة، ونموذج المحصول للمحصول المختار، وهيكله وتقديرات تكاليفه	التصميم يحافظ على ضوء كاف للمحصول على الورق	$10k to $30 ألف	2 to 3 months
1- اختبار قطع الأرض الصغيرة	بضعة كيلووات من الألواح فوق قطعة مزدوجة مع قطعة مرجعية مفتوحة؛ وأجهزة استشعار الضوء، ورطوبة التربة، والمحصول عند الحصاد، وقياس الكهرباء	غلة المحاصيل والكهرباء المقيسة، نسبة مكافئ الأرض الأول	$40k to $120 ألف	1 growing season
2- التجربة الميدانية المتعددة المواسم	50 إلى 200 كيلووات على حقل عمل مع مزارع، موسمان أو أكثر، أخذ عينات بقيادة خبير زراعي	التباين من سنة إلى أخرى، إمكانية الحصول على الآلات، قبول المزارعين	$250k to $600 ألف	2 to 3 years
3 - المشروع التجاري التجريبي	التصاريح، الربط بالشبكة، التصديق الهيكلي، التأمين على المحاصيل	مشروع قابل للتمويل المصرفي	يتوقف على الحجم	1 to 2 years

المراحل من 0 إلى 2 تكلف حوالي $300,000 to $750,000، معظمها للفولاذ وسنوات الزراعة. هذه هي تقديراتنا، وليس اقتباسات.

من نحتاجه

• أخصائي زراعي أو فيزيولوجي للمحاصيل :: اختيار المحاصيل، وتصميم قطع أرضية مكررة، وقياس الغلة والنوعية.
• مصمم نظام ضوئي :: إلمام بنظم الوجهتين والتتبع ونمذجة الظلال.
• مهندس هياكل (ب) للهياكل الطويلة والممتدة تحت حمولات الرياح والثلوج.
• شريك مزارع مع حقل، والآلات والصبر لمحاولة متعددة السنوات.
• أخصائي هيدرولوجيا (ب) توزيع الأمطار ورطوبة التربة ووفورات الري.
• أخصائي اقتصادي زراعي ومحام في مجال استخدام الأراضي (ب) اختبار الجدوى التجارية والقواعد.

هل لديك فكرة أفضل؟

ربما لديك هيكل أرخص، نظام زراعة يحب الظل، أو طريقة أذكى لتحريك الألواح خلال النهار. وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة Local Solar System اتصالات يمكن أن تسمع عن فكرة قوية للطاقة. ولكي تطرح فكرة ما، فإنها تحتاج إلى نموذج عملي في الحياة الواقعية ينتج بالفعل قوة تقاس على أداة، لا يُدعى أنها كذلك. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. وجمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يمكننا أن نعد بالتمويل أو العائدات أو الاستثمارات.

وفيما يتعلق بالطاقة الفولطاضوئية الزراعية، فإن أرخص قياس يُعتبر نموذجاً عاملاً هو (ب) موسم نمو واحد في قطعة صغيرة من الأرض تحت الألواح بجوار قطعة مفتوحة مماثلة، مع أجهزة استشعار للضوء، ووزن المحصول وقياس الكهرباء. وهذا يعطي أول نسبة مقيسة لمكافئ الأراضي. أرسلها عبر نموذج المساهمة، ولاحظ كيف تقارن مع الأفكار الأخرى على رادار الفكرة. نُهُج أخوة: الطاقة الشمسية العائمة تستخدم أسطح المياه بدلاً من الحقول، والأسقف الحرارية الفلطاضوئية تجعل الأسطح تؤدي مهمتين.

المصادر

1. سيف الدين عيسى (2017). حصاد الشمس من أجل الطاقة والمحاصيل: الزراعة الفولطاضوئية تزيد كفاءة استخدام الأراضي بأكثر من 60 في المائة. نشرة صحفية، نتائج السنة الأولى في هيجلباخ.
2. سيف الدين عيسى (2019). الطاقة الضوئية الزراعية: غلة عالية في صيف 2018 الساخن. نشرة صحفية.
3. ترومسدورف، م. وآخرون (2024). الطاقة الفولطاضوئية الزراعية: الفرص المتاحة للزراعة والتحول في مجال الطاقة. A guideline for Germany, 3rd edition. فريدريك إيه.
4. ويسليك، أ.، إيمان، أ.، زيكلي، س. (2019). النظم الفولطاضوئية الزراعية: التطبيقات والتحديات والفرص. استعراض. الزراعة من أجل التنمية المستدامة 39، 35.
5. دوبرا، س.، مارو، هـ.، تالبوت، ج. وآخرون (2011). الجمع بين الألواح الفولطاضوئية الشمسية والمحاصيل الغذائية من أجل استخدام الأراضي على النحو الأمثل: نحو مخططات جديدة للطاقة الفولطاضوئية الزراعية. الطاقة المتجددة 36(10)، 2725-2732.
6. أ.، بافاو - زوكرمان، م. أ.، مينور، ر. ل. وآخرون (2019). وتوفر الفولطاضوئية الزراعية منافع متبادلة في جميع جوانب العلاقة بين الأغذية والطاقة والمياه في الأراضي الجافة. Nature Sustainability 2، 848-855.
7. أمادوتشي، س.، ويين، إكس.، وكوﻻوزي، م. (2018). :: نظم زراعية فولطية لتحقيق الاستخدام الأمثل للأراضي لإنتاج الطاقة الكهربائية. الطاقة التطبيقية 220، 545-561.
8. ﻫ.، وغود، س. ب.، وكالاف، م.، وهيغينز، سي. (2019). وتبلغ إمكانات الطاقة الفلطاضوئية الشمسية أقصاها فوق الأراضي الزراعية. التقارير العلمية 9، 11442.
9. هوروفيتز، ك.، راماسامي، ف.، ماكنيك، ج.، مارغوليس، ر. (2020). التكاليف الرأسمالية للمنشآت الفولطاضوئية المزدوجة الاستخدام: معيار عام 2020 للنظم الفولطاضوئية الأرضية ذات النباتات والمراعي والمحاصيل الملائمة للتلقيح. NREL/TP-6A20-77811.
10. لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الإصدار 19: المرافق الشمسية $40 to $98 لكل ميغاواط/ساعة؛ والمجتمع المحلي والطاقة الشمسية C&I $88 to $197 لكل ميغاواط/ساعة.
11. Local Solar System مؤسسة (2026). The Fan Wall: open model، مقياس شمسي على السطح.