با تشدید رقابت جهانی برای انرژیهای تجدیدپذیر، یک آزمایش پیشگامانه در نیوجرسی در حال آزمایش یک فرضیه حیاتی است: اینکه انرژی خورشیدی و دامداری میتوانند در یک قطعه زمین با هم همزیستی داشته باشند. با ادغام پنلهای خورشیدی عمودی با مراتع چرای دام، محققان به دنبال راهی برای حل تنش فزاینده بین زیرساختهای انرژی پاک و بهرهوری کشاورزی هستند.
آزمایش نیوجرسی: گاوها و برق بدون کربن
ایستگاه آزمایش کشاورزی نیوجرسی در دانشگاه Rutgers در حال حاضر در حال انجام یک مطالعه پیچیده تحت برنامه Agrivoltaics خود است. برخلاف مزارع خورشیدی سنتی که از آرایههای مایل استفاده میکنند و بخشهای وسیعی از زمین را میپوشانند، این پروژه از پنلهای خورشیدی عمودی و دوطرفه (bifacial) استفاده میکند. این پنلها برای جذب نور خورشید از هر دو طرف طراحی شدهاند و جهت ایستاده آنها اجازه میدهد تا نوارهای پهنی از مرتع بین ردیفها قرار گیرد.
این مطالعه شامل گروه خاصی از گاوها، از جمله گاوهای Angus (شامل Ideal، Queen، Fizzle و Blossom) و Hereford (شامل Misty و Flurry) است که به عنوان سوژههای زنده در این آزمایش علمی عمل میکنند. محققان از نظارت دوربینهای با فرکانس بالا — با ثبت عکس در هر پنج دقیقه — برای ردیابی رفتار حیوانات استفاده میکنند. هدف این است که مشخص شود آیا گاوها سایه ایجاد شده توسط پنلها را ترجیح میدهند یا اینکه پنلها در الگوهای طبیعی چرای آنها و استراحتشان اختلال ایجاد میکنند.
مهندسی برای چشماندازهای چندمنظوره
این پروژه صرفاً اجازه دادن به حیوانات برای پرسه زدن نیست؛ بلکه یک تست مهندسی و بیولوژیکی بسیار کنترلشده است. سایت آزمایشی به سه بلوک تکرار شونده تقسیم شده است که به دانشمندان اجازه میدهد چیدمانهای مختلف خورشیدی را با مراتع «کنترلشده» که هیچ پنلی ندارند، مقایسه کنند.
متغیرهای مورد آزمایش عبارتند از:
- فاصله پنلها: اینکه فاصله بین ردیفها چگونه بر حرکت گاوها و دسترسی ماشینآلات کشاورزی تأثیر میگذارد.
- فاصله از زمین: تعیین اینکه چه مقدار فضا در زیر پنلها برای جلوگیری از انسداد مورد نیاز است.
- سلامت پوشش گیاهی: نظارت بر اینکه چگونه باندهای متغیر سایه بر رطوبت خاک، دما و ارزش تغذیهای علفهای خوراک دام تأثیر میگذارد.
اگر این مطالعه ثابت کند که کیفیت مرتع تحت سایه پنلهای عمودی بالا باقی میماند، نقشهای برای "Agrivoltaics" (کشاورزی خورشیدی) ارائه میدهد — مدلی که در آن زمین دیگر یک بازی با حاصلجمع صفر بین توسعهدهندگان انرژی و کشاورزان نیست.
مدیریت رقابت جهانی برای زمین
تنش اصلی که این تحقیق به آن میپردازد، رقابت فزاینده برای زمینهای حاصلخیز است. با گذار کشورها به سمت انرژی سبز، تأسیسات عظیم خورشیدی اغلب مستلزم تبدیل خاکهای کشاورزی حاصلخیز هستند که امنیت غذایی و معیشت جوامع روستایی را تهدید میکند. Agrivoltaics یک مداخله تکنولوژیک «برد-برد» ارائه میدهد که اجازه تولید انرژی غیرمتمرکز را بدون قربانی کردن توانایی تغذیه جمعیت رو به رشد فراهم میکند.
معنای این موضوع برای هند
برای کشوری مانند هند که با چالش دوگانه تأمین اهداف عظیم انرژی تجدیدپذیر و در عین حال محافظت از پایه کشاورزی وسیع خود روبروست، این توسعه پیامدهای استراتژیک مهمی دارد:
- محافظت از امنیت غذایی: با گسترش ظرفیت خورشیدی هند برای دستیابی به اهداف اقلیمی، اتخاذ مدلهای Agrivoltaic میتواند از جابجایی کشاورزان جلوگیری کرده و تضمین کند که مراتع و زمینهای زراعی حاصلخیز در برابر زیرساختهای انرژی از دست نمیروند.
- بهینهسازی استفاده از زمین در ایالتهای پرجمعیت: در ایالتهایی با تراکم جمعیت بالا و دسترسی محدود به زمین، فناوریهای خورشیدی عمودی و دوطرفه میتواند اجازه سیاستهای «استفاده دوگانه» از زمین را بدهد و خروجی اقتصادی در هر هکتار را به حداکثر برساند.
- تابآوری اقلیمی برای کشاورزان: سایه ایجاد شده توسط پنلهای خورشیدی پتانسیل ایجاد ریزاقلیمهایی را دارد که تبخیر خاک و استرس گرمایی برای دام را کاهش میدهد و راهی برای تثبیت بازده کشاورزی در مواجهه با افزایش دمای هند ارائه میدهد.
محققان دانشگاه Rutgers ردیفهایی از پنلهای خورشیدی عمودی و دوطرفه را در یک مرتع فعال در نیوجرسی نصب کردهاند و گله کوچکی از گاوهای Angus و Hereford را در حالی که پنلها در حال تولید برق هستند، تحت نظر دارند. این آزمایش از این جهت اهمیت دارد که آزمایش میکند آیا زیرساختهای انرژی تجدیدپذیر میتوانند با چرای دام همزیستی داشته باشند یا خیر — سوالی که میتواند نحوه محافظت اقتصادهای در حال رشد سریع از تولید برق و تولید غذا را شکل دهد.
چرا این آزمایش اکنون اهمیت دارد
دولتها در سراسر جهان برای افزودن گیگاواتها ظرفیت خورشیدی در حال رقابت هستند، اما مزارع در مقیاس بزرگ اغلب مجبورند برای جای دادن آرایههای مایل، از خاک حاصلخیز چشمپوشی کنند. این سبک از معامله، امنیت غذایی و معیشت جوامع روستایی را تهدید میکند. آگریولتائیک (Agrivoltaics) — قرار دادن جمعآوریکنندههای خورشیدی در میان محصولات کشاورزی یا مراتع — راهی برای «فعال نگه داشتن» زمین برای هر دو بخش انرژی و کشاورزی ارائه میدهد.
آزمایش میدانی در نیوجرسی
برنامه آگریولتائیک ایستگاه آزمایش کشاورزی نیوجرسی، سه بلوک تکرار شده را در یک مزرعه تحقیقاتی مستقر کرد. هر بلوک شامل پیکربندی متفاوتی از پنلهای ایستاده است، در حالی که بلوک چهارم که به عنوان «کنترل» در نظر گرفته شده، هیچ پنلی ندارد. پنلها روی قابهای فولادی قرار دارند، هر دو سمت شمال و جنوب را پوشش میدهند و نوارهای پهنی از علف را بین ردیفها باقی میگذارند تا گاوها بتوانند آزادانه حرکت کنند.
تعدادی از احشام — چهار گاو آنگوس به نامهای Ideal، Queen، Fizzle و Blossom، به علاوه دو گاو هریفورد به نامهای Misty و Flurry — سوژههای زنده این آزمایش هستند. دوربینهای با فرکانس بالا هر پنج دقیقه یک تصویر میگیرند و دادههای مربوط به الگوهای چرا، استفاده از سایه و رفتار استراحت را به یک پلتفرم تحلیلی مرکزی ارسال میکنند. محققان همچنین موارد زیر را اندازهگیری میکنند:
- فاصله پنلها – اینکه فاصله بین ردیفها چگونه بر حرکت گاوها و توانایی عبور تراکتورها تأثیر میگذارد.
- فاصله از زمین – حداقل ارتفاع مورد نیاز زیر پنلها برای جلوگیری از لگدمال شدن یا ایجاد مانع.
- سلامت پوشش گیاهی – رطوبت خاک، دما و ارزش تغذیهای علوفه در نوارهای سایهدار در مقابل نوارهای در معرض آفتاب.
تیم امیدوار است با مقایسه سه چیدمان پنل با مرتع کنترل، طرحی را شناسایی کند که خروجی توان را به حداکثر برساند و در عین حال کیفیت علوفه و رفاه حیوانات را حفظ کند.
پیامدهای گستردهتر
- امنیت انرژی – پنلهای عمودی دوطرفه (bifacial) از هر دو طرف برق تولید میکنند.
- امنیت غذایی – نگه داشتن زمینهای چرا در چرخه تولید، از نیاز به تبدیل زمینهای زراعی یا مراتع به مزارع خورشیدی جلوگیری میکند؛ موضوعی که برای مناطقی که زمینهای قابل کشت در آنها از قبل کمیاب است، یک نگرانی حیاتی محسوب میشود.
نکات متقابل و چالشها
منتقدان اشاره میکنند که سایهاندازی میتواند فتوسنتز را کاهش دهد و در صورتی که پنلها بیش از حد متراکم باشند، پتانسیل کاهش رشد علف را دارد. تیمهای تعمیر و نگهداری نیز با مانع لجستیکی سرویسدهی به آرایههای بلند و ایستاده در یک مرتع فعال روبرو هستند. گسترش این مدل فراتر از یک مزرعه تحقیقاتی، مستلزم پاسخهای روشن به این پرسشهای مربوط به هزینه-فایده خواهد بود.
آنچه هند میتواند بیاموزد
هند قصد دارد در دهه آینده صدها گیگاوات ظرفیت خورشیدی نصب کند، با این حال بخش کشاورزی این کشور همچنان سهم بزرگی از نیروی کار را به خود اختصاص داده و اکثر سطح زمین آن را اشغال کرده است. چارچوبهای سیاستی باید به موضوعاتی نظیر تأمین مالی، قراردادهای اجاره زمین و آموزش کشاورزان برای مدیریت تأسیسات ترکیبی (hybrid) بپردازند.
آنچه باید در آینده زیر نظر داشت
- نتایج فصل کامل – تیم Rutgers قصد دارد پس از یک چرخه کامل چرا، مجموعهدادهای جامع شامل خروجی توان، کیفیت علوفه و شاخصهای سلامت حیوانات منتشر کند.
- تحلیل هزینه – مقایسه دقیق هزینه چرخه عمر بین آگریولتائیک عمودی و مزارع خورشیدی متداول، قابلیت اقتصادی آن را روشن خواهد کرد.
- پایلوتهای سیاستی – پذیرندگان اولیه در مناطقی با محدودیتهای شدید زمین ممکن است برنامههای آزمایشی راه بیندازند و از دادههای Rutgers به عنوان یک الگوی فنی استفاده کنند.
- بهبود فناوری – پیشرفت در مواد پنل، سیستمهای ردیابی و حسگرهای نظارت بر دام میتواند هزینهها را کاهش داده و سرعت پذیرش را افزایش دهد.
اگر مدل آگریولتائیک عمودی ثابت کند که گاوها میتوانند به راحتی زیر یک چتر تولیدکننده برق چرا کنند، این مدل مسیری ملموس برای کشورهایی مانند هند فراهم میکند تا بدون قربانی کردن زمینی که مردمشان را تغذیه میکند، به اهداف انرژی تجدیدپذیر خود دست یابند. آزمایش در نیوجرسی میتواند به الگویی برای نسل جدیدی از مزارع تبدیل شود که همزمان با تولید برق پاک، تولید مواد غذایی را نیز در همان قطعه زمین حفظ میکنند.