استخدام الخلايا الكهروضوئية في البيوت الزجاجية المائية التجارية: دراسة جدوى

تؤدي محدودية المياه والأراضي إلى زيادة الطلب على الصوبات الزراعية المائية. تستخدم هذه الأماكن الطاقة الشمسية لزراعة المحاصيل في بيئة مغلقة، ولكن لهذه الطاقة جوانب مختلفة أيضًا. ستسلط الدراسة التي نوقشت اليوم الضوء على الجوانب البيئية والطاقة لاستخدام الطاقة الكهروضوئية في الصوبات الزراعية المائية في محافظة البرز.

الدفيئات تحظى هذه المحاصيل بشعبية عالمية بفضل أدائها المتميز وقدرتها على التكيف مع مختلف البيئات. لذا، ونظرًا للظروف الجغرافية والمناخ الجاف وشبه الجاف، يُركز القطاع الزراعي في إيران على تطوير البيوت المحمية.

من حيث استهلاك المياه والأسمدة، تُعد الصوبات الزراعية المائية أكثر كفاءة من الصوبات التقليدية. كما أنها تُنتج محاصيل أعلى، إلا أنها تتطلب استهلاكًا وتكاليف طاقة أعلى نسبيًا. وهذا يُمثل مشكلة زراعية رئيسية خلال المواسم الباردة.

في العقود الأخيرة، استخدمت العديد من البيوت الزجاجية مصادر الطاقة غير المتجددة مثل الغاز الطبيعي والنفط، مما يؤدي إلى تلوث البيئة بغازات الاحتباس الحراري، الاحترار العالمي، وتغير المناخ.

دراسة الخلايا الكهروضوئية للبيوت البلاستيكية المائية

جمع الباحثون بيانات من بيت زجاجي بمساحة 3000 متر مربع. بلغ إجمالي مدخلات الطاقة في هذا البيت الزجاجي حوالي 2 جيجاجول/هكتار، وكان الغاز الطبيعي والكهرباء المصدرين الرئيسيين. بلغت إنتاجية الطاقة المحسوبة 8652.20 كجم جيجاجول/هكتار، وبلغت نسبة الطاقة 1.

استخدم تقييم دورة الحياة تظهر نتائج (LCA) أن كان التأثير الأكبر من الغاز الطبيعيتُحسّن الخلايا الشمسية المؤشرات البيئية والطاقة في الدفيئة. بالنسبة للدفيئة التي نوقشت في البحث، حوالي نحتاج إلى 120 متر مربع من الخلايا الشمسية التي تغطي فقط 2% من السطح.

أهداف دراسة الخلايا الكهروضوئية للبيوت البلاستيكية المائية

يهدف البحث الذي نناقشه هنا إلى ما يلي:

• التحقيق - التأثيرات البيئية وأنماط استخدام الطاقة لإنتاج الفراولة في الدفيئة خلال فترة الزراعة.
• محاكاة نظام الطاقة الكهروضوئية لحساب المساحة الدقيقة التي تحتاجها الألواح لتزويد الدفيئة المائية بالكهرباء، مع مراعاة ميل الألواح المناسب.
• تحليل مقارن - تحليل الأحمال البيئية في البيوت البلاستيكية المائية مع أو بدون نظام الطاقة الشمسية.
• الماء إنتاجية فهرس وقد تم التحقيق في هذه الدراسة أيضًا.
• الإشعاع الكلي على السطح المائلتم حساب متوسط ​​الإشعاع اليومي الشهري المُستقبَل على الأسطح المائلة للألواح، وذلك بأخذ الإشعاع المُستقبَل على سطح أفقي في الاعتبار.

تفاصيل المنطقة المدروسة

أُجريت هذه الدراسة في بيت زجاجي تجاري مائي للفراولة بمساحة 3000 متر مربع. يقع البيت الزجاجي في محافظة البرز بإيران. يبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي حوالي 2 ملم، ويبلغ متوسط ​​درجة الحرارة المسجلة 252 درجة مئوية سنويًا. علاوة على ذلك، يقع هذا الموقع على ارتفاع 14.1 متر فوق مستوى سطح البحر، مما يُساعد في توضيح المناظر الداخلية للبيت الزجاجي لأغراض الدراسة.

معايير استخدام الطاقة التي تم أخذها في الاعتبار

من خلال الزيارات المباشرة وقياسات المدخلات المستهلكة، أصبح من الممكن جمع بيانات فترة الإنتاج 2021-2022. باستخدام معاملات طاقة المدخلات، تم حساب إجمالي مدخلات الطاقة. فيما يلي المدخلات المادية وما يعادلها من الطاقة من موقع الدراسة.

• العمل البشري:تم حساب مدخلاتهم من الطاقة من خلال ساعات عملهم خلال فترة الإنتاج جنبًا إلى جنب مع المعاملات ذات الصلة.
• المعدات الثابتةتم حساب قيمة الطاقة بناءً على وزن المعدات. استخدم الباحثون متوسط ​​القيمة لكل كيلوغرام وسنة المعدات الثابتة (8-10 ميجا جول/كجم/سنة).
• الكهرباء والغاز الطبيعيساعد عداد الطور وعداد الغاز في تسجيل إجمالي استهلاك كلا المصدرين للمعدات الثابتة والإضاءة وغيرها من الأغراض خلال فترة الإنتاج. ثم، باستخدام معاملات الطاقة، حسب الباحثون مكافئ الطاقة.
• الأسمدة الكيميائية والمبيدات الحيويةنظراً لقدرتها على مكافحة الأمراض، ازداد الطلب على هذه المواد. حُسب إجمالي الأسمدة الكيماوية (العناصر الغذائية الأولية والثانوية) والمبيدات الحيوية (مبيدات الفطريات والحشرات) المستخدمة خلال فترة الإنتاج، مع مكافئها من الطاقة.
• نايلونيُستخدم لتغطية الدفيئة من الخارج، كما يُستخدم من الداخل. استُخدم وزنه وعمره الافتراضي لحساب كمية النايلون المسجلة (الوزن) خلال فترة الإنتاج. كان معامل الطاقة المستخدم في الحساب 60 ميجا جول/كجم.
• الناتج:كانت كمية الفراولة المُنتَجة هي التي أُخذ وزنها في الاعتبار مع مُعامل الطاقة. وقد ساعد ذلك في حساب كمية الطاقة المُخرَجة.
• مؤشر إنتاجية المياه:كمية المياه المستخدمة لكل متر مكعب لإنتاج 5 كجم من الفراولة المائية.

أبرز النقاط: نمط استخدام الطاقة في البيوت الزراعية المائية في العراق

• العمل البشري: 19,200 ساعة هكتار−1
• غاز طبيعي: 119,693 م3 هكتار−1
• الأسمدة النيتروجينية: 423 كجم هكتار−1
• إجمالي الطاقة المطلوبة (للعمليات المختلفة داخل الدفيئة): 8652 جيجاجول هكتار-1 (لفترة الإنتاج بأكملها)
• متوسط ​​إنتاج الفراولة: 120 طن هكتار−1
• إجمالي الطاقة الناتجة: 228 جيجاجول هكتار−1
• إجمالي الكهرباء المستهلكة: 159,300 ميجا جول (44,250 كيلوواط ساعة)
• استهلاك الطاقة المدخلة (الغاز الطبيعي): 5925 جيجاجول هكتار−1 (68% من إجمالي الطاقة المدخلة).
• كهرباء:تتطلب كل 10 وحدات يتم توليدها بواسطة الألواح وحدة واحدة من الطاقة، 1 ميجا جول (القيمة الكهروضوئية) = 1 ميجا جول

تظهر مؤشرات الطاقة (إنتاج الفراولة) في ظل الظروف الجديدة في العمود الأخير من الجدول أدناه. من الواضح أن الطاقة الكهروضوئية تُحسّن جميع مؤشرات الطاقة في الدفيئة. بلغت نسبة الطاقة في الوضع الجديد 0.033، وتزداد هذه النسبة باستخدام الألواح الشمسية.

مؤشرات الطاقة	الوحدات	بدون نظام شمسي	مع النظام الشمسي
ER	-	0.026	0.033
NE	جي جي ها-1	-8424.2	-6717.6
EP	كجم جيجاجول-1	13.87	17.28
WP	كجم م-3	5.13	5.13

أسباب استخدام الطاقة غير المتجددة في البيوت الزجاجية

في إيران، أسعار الوقود منخفضة، مما يؤدي إلى سوء استخدامه في مختلف الصناعات. وهذا هو السبب الرئيسي لارتفاع استهلاك الغاز الطبيعي. أنظمة التدفئة في الدفيئة قيد الدراسة منخفضة الكفاءة، ولا تعتمد على نظام تدفئة ذكي، مما يؤدي إلى هدر كميات كبيرة من الغاز. بشكل عام، تستهلك تدفئة الدفيئات كميات هائلة من الطاقة.

الحلول المقترحة

• لتقليل استهلاك الغاز الطبيعيينبغي استخدام أنظمة تدفئة عالية الكفاءة، فهي تُنتج تلوثًا أقل.
• لتقليل استهلاك الطاقةيُنصح باستخدام ستائر حرارية. باستخدامها، تُقلّص المساحة المحيطة بالنباتات داخل الدفيئة، ما يُقلّل الحاجة إلى التدفئة الليلية. كما يُحسّن استخدام الوقود.
• لمنع فقدان الحرارة وتحسين العزل:يجب استخدام المواد ذات انتقال الحرارة المنخفض أثناء بناء جدران وأسقف الدفيئة.
• لتوفير التدفئة اللازمةيُنصح باستخدام مُجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية نظرًا لتقنيتها منخفضة التكلفة. كما يُعدّ مُجمِّع الهواء الأرضي الطريقة الأمثل والأكثر فعالية من حيث التكلفة لتدفئة الدفيئة.
• لتخزين الحرارة:بفضل مواد تغيير الطور، من السهل تخزين الحرارة ليلاً.

تشير الدراسة إلى مسار أكثر نظافة للسيطرة على المياه وتحويل الغازات المسببة للاحتباس الحراري

محاكاة النظام الشمسي على سطح الدفيئة

كما ذُكر سابقًا، يُمكن استبدال إجمالي الكهرباء المُستخدمة في إنتاج الفراولة بموارد مُتجددة. بناءً على قيمة استهلاك الكهرباء (44,250 كيلوواط/ساعة)، يُمكن حساب مساحة سطح اللوحة المطلوبة. ويتم ذلك باستخدام الإشعاع الخارجي (Ho) والإشعاع الكلي (H) على سطح أفقي، بالإضافة إلى المعادلات المذكورة.

النتائج:

• متوسط ​​إجمالي الإشعاع اليومي (السطح الأفقي): 10.9 ميجا جول م−2
• الإشعاع (H) المرصود في شهر يونيو: حوالي 29 ميجا جول م−2 (الأعلى)
• الإشعاع (H) المرصود في ديسمبر: حوالي 9 ميجا جول م−2 (الأدنى)
• مؤشر متوسط ​​الوضوح السنوي: 63٪
• استنفاد الإشعاع الشمسي: 27٪

المنحدر المطلوب

يوضح العمود الأخير متوسط ​​الإشعاع الشهري الساقط لكل متر مربع من الخلية الشمسية المركبة في الدفيئة المدروسة. كان ذلك عند منحدر 2°35ˊ جنوبًا. وبناءً على ذلك، يمكن استقبال 48 ميجا جول من الطاقة الشمسية سنويًا لكل متر مربع من سطح اللوح. مع هذا المنحدر، هناك احتمالية... زيادة الإشعاع الشمسي المستقبل بنسبة 12%.

توليد الكهرباء

كما ذكرت الدراسة، الاستهلاك السنوي للكهرباء هو 159,300 ميجا جوللإنتاج هذه الكمية، يلزم حوالي ١٢٠ مترًا مربعًا من مساحة الألواح، أي ما يعادل ٤٪ من مساحة السقف. هذا دون المساس بالإضاءة والتدفئة داخل الدفيئة.

إذا كنت تخطط لتثبيت الألواح الشمسية، اكتشف إنتاج لوحة شمسية بقدرة 100 واط في يوم غائم.

دراسات سابقة مختلفة

جرّب الباحثون أساليب وطرقًا مختلفة لدراسة أداء الطاقة في الصوبات الزراعية المجهزة بخلايا الطاقة الشمسية. وفيما يلي استنتاجاتهم:

دراسة # 1

في اليابان، لاحظ الباحثون كيف يؤثر تظليل مصفوفات الألواح الشمسية الكهروضوئية على نمو البصل الويلزي؟ تم اختبار نوعين من ترتيبات الألواح الشمسية. وجد الباحثون أن ترتيب مصفوفة رقعة الشطرنج لم يُظهر أي تأثير يُذكر على نمو المحصول. بينما كان للترتيب المستقيم تأثير إيجابي، ووفر احتياجات الطاقة للدفيئة من خلال مصادر متجددة.

دراسة # 2

هنا حاول الباحثون العثور على تأثير الصوبات الزراعية المُدمجة بالألواح الشمسية على إنتاج المحاصيل. كانت النتائج إيجابية، إذ أظهرت أن الألواح الكهروضوئية لا تُوفر الكمية المطلوبة من الكهرباء فحسب، بل تُقلل أيضًا من متطلبات الري للمحاصيل.

دراسة # 3

هذه الأبحاث التي تركز على نمو النبات وكفاءة إنتاج الطاقة ألواح السقف. دُرِسَ نوعان من وضعيات التركيب: التركيب الثابت وتتبع الشمس. أظهرت النتائج أن وضع تتبع الشمس يُولِّد كهرباءً أكثر من الوضع الثابت، ما يُمكِّنه من توفير كمية جيدة من الطاقة للبيت الزجاجي.

تم اكتشاف مؤخرا أن يقول باحثون من جامعة نبراسكا الوطنية في برمنغهام إن البكتيريا الجديدة قد تقلل من انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري في القطاع الزراعي

دراسة # 4

آخر دراسة من كندا درس الباحثون تأثير الألواح الشمسية شبه الشفافة المُركّبة على أسطح البيوت الزجاجية. وأظهرت النتائج أن الألواح الشمسية تُوفّر تظليلًا داخليًا، كما تُوفّر 43.7% من الكهرباء اللازمة للبيت الزجاجي لأغراض الإضاءة.

دراسة # 5

وفي أحد الأبحاث، استخدم الباحثون مجمعات الهواء الشمسية باستخدام مادة تغيير الطور (PCM) لتدفئة الدفيئة. وخلص الباحثون إلى أن درجة الحرارة الداخلية للدفيئات ظلت أعلى، خاصةً أثناء الليل. وكان ذلك أفضل من نظام التدفئة الشمسية التقليدي.

دراسة # 6

في شيراز، إيران، الظروف الحرارية البيئية دُرست دفيئة مُجهزة بألواح شمسية. وُضعت حوالي 14 تشكيلة مختلفة من الألواح. وخلصت الدراسة إلى عدم وجود تأثير يُذكر على إضاءة الدفيئة حتى مع تغطية 19.2% من سطحها بالألواح. بل إن ذلك أدى إلى انخفاض كبير في استهلاك الغاز الطبيعي وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

لذا، ركزت العديد من الأبحاث التي تناولت تقنيات الطاقة الشمسية على جانب واحد، وهو أدائها وتأثيرها على البيوت الزجاجية. وفي الغالب، لم تُولَ الآثار البيئية لهذه التقنيات اهتمامًا كبيرًا في هذه الدراسات.

تشبه 5 طرق سهلة لحماية الألواح الشمسية من الطيور سوف تجعل حياتك أسهل.

خاتمة

هدف هذا البحث إلى تقييم نمط استهلاك الطاقة، بالإضافة إلى تحليل بيئي للموقع المدروس. وقد أظهرت الدفيئة المائية في محافظة البرز جدوى استخدام الخلايا الكهروضوئية لتوليد الكهرباء، بدلاً من الموارد غير المتجددة. وبناءً على نتائج الدراسة الحالية، توصل الباحثون إلى الاستنتاجات التالية.

تم الحصول على معظم الطاقة المدخلة من الغاز الطبيعي والكهرباء.

• تشير مؤشرات الطاقة إلى أن إنتاج الفراولة في البيوت البلاستيكية المائية يتطلب طاقة مكثفة.
• تُظهر نتائج تحليل دورة الحياة أن الضرر الذي يلحق بالنظام البيئي وصحة الإنسان ناتج عن المعدات الثابتة والكهرباء. كما يُعد الغاز الطبيعي المساهم الأكبر في فئة أضرار الموارد.
• أظهرت نتائج دراسة جدوى استخدام الطاقة الشمسية في الدفيئة أن حوالي 120 مترًا مربعًا من الخلايا الشمسية قادرة على توفير الكمية المطلوبة من الكهرباء. كما أن تركيبها على السطح لن يؤثر على الإضاءة داخل الدفيئة.
• مع أنظمة الطاقة الكهروضوئية في البيوت الزجاجية، يمكن تقليل استهلاك الطاقة والآثار البيئية السلبية بشكل كامل.

بفضل تقنيات الطاقة الكهروضوئية وأساليب تحسين الطاقة، يمكن للبيوت الزجاجية المائية أن تصبح أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. لذا، يبدو أن هذا البحث الذي يُظهر فعالية الخلايا الكهروضوئية في البيوت الزجاجية المائية مؤثر.

مصدر: استخدام الخلايا الكهروضوئية في الدفيئة المائية التجارية