خلاصه مدیریتی:

در شرایطی که کشور با بحران منابع آبی، محدودیت زمین‌های قابل‌کشت و نیاز فزاینده به انرژی پاک روبه‌رو است، فناوری فتوکشت (Agrivoltaics) به‌عنوان راهکاری نوآورانه و بین‌رشته‌ای برای بهره‌برداری همزمان از زمین در دو حوزه‌ی کشاورزی و تولید برق خورشیدی پیشنهاد می‌شود. این فناوری با استفاده بهینه از فضا و آب، نه‌تنها به ارتقای بهره‌وری زمین منجر می‌شود، بلکه امکان درآمدزایی دوگانه برای کشاورزان را فراهم می‌سازد و می‌تواند در سیاست‌گذاری منابع آب، انرژی و غذا نقش‌آفرین باشد.

پنل‌های خورشیدی با ایجاد سایه، تأثیر مستقیمی بر رشد و عملکرد محصولات کشاورزی دارند. میزان سایه به عواملی همچون زاویه و ارتفاع نصب، فاصله ردیف‌ها و جهت‌گیری پنل ارتباط دارد. همچنین علاوه بر اثر مستقیم بر میزان نور دریافتی گیاهان، حضور پنل­های خورشیدی اثرات جانبی من‌جمله کاهش تبخیر سطحی خاک، حفظ رطوبت و محافظت از گیاهان در برابر بادهای شدید دارد. پنل­های خورشیدی با حفظ رطوبت خاک به کاهش میزان مصرف آب برای فعالیت‌های کشاورزی کمک می‌کنند. همچنین، در پژوهش‌های پیشین نشان داده شده که سایه‌اندازی لزوماً اثر منفی بر رشد و نمو گیاهان ندارد بلکه برای برخی محصولات مانند انگور میزان تولید محصول بیشتری نیز نسبت به شرایط عدم وجود پنل گزارش شده است.

در مقابل، گیاهان نیز بر عملکرد پنل­های خورشیدی اثرگذار هستند. پوشش گیاهی باعث کاهش دمای محیط از طریق فتوسنتز، کاهش بازتاب نور از سطح خاک و در نتیجه کاهش دمای سطح پنل‌ها می‌شود. علاوه بر آن، گیاهان با جذب گردوغبار، آلودگی سطح پنل‌ها را کاهش داده و هزینه‌های نگهداری را پایین می‌آورند. البته فرآیند تعریق گیاهان می‌تواند رطوبت محیط پیرامون پنل­های خورشیدی را افزایش داده و در برخی شرایط بر بازده پنل‌ها اثر منفی بگذارد. درمجموع، انتخاب و طراحی مناسب نوع کشت در کنار سیستم تولید توان خورشیدی می‌تواند منجر به افزایش بازده کلی سامانه فتوکشت شود. مرور مطالعات پیشین نشان می‌دهد که عملکرد محصولات کشاورزی در سیستم فتوکشت علاوه بر نوع محصول به فصل کاشت، نوع کشت (دیم یا آبی) و رقم محصول نیز بستگی دارد (به‌عنوان‌مثال عملکرد متفاوتی از چند رقم کاهو ثبت شده است).

این تعامل دوسویه میان گیاه و پنل، اهمیت طراحی دقیق سامانه فتوکشت را برجسته می‌سازد. استفاده از این فناوری در ایران منجر به کاهش مصرف آب، خلق ارزش افزوده و کاهش پرت زمین شود، مطالعات میدانی برای محصولات بومی ایران نظیر زعفران، پسته، صیفی‌جات (هندوانه و خربزه)، حبوبات (عدس و ماش) و گیاهان دارویی (پونه، آویشن، گل محمدی) با توجه به صادراتی بودن این محصولات، گامی ضروری برای تحقق ظرفیت‌های واقعی فتوکشت در کشور خواهد بود.

سؤالاتی که این گزارش به آن پاسخ می‌دهد:

فتوکشت (اگروولتائیک) چیست؟

فتوکشت از ترکیب دو واژه‌ی فتوولتائیک (تولید برق خورشیدی) و کشاورزی و به‌عنوان معادلی برای واژه Agrivoltaics – ترکیبی از Agriculture و Photovoltaics – پیشنهاد شده است و به استفاده همزمان از یک قطعه زمین برای تولید محصول کشاورزی و توان خورشیدی اشاره دارد (شکل 1). این راهکار نوآورانه اولین بار در سال ۱۹۸۱ در آلمان غربی مطرح شد ]1[ اما تا سال‌ها به دلیل هزینه‌های سنگین تولید توان خورشیدی مورد اقبال قرار نگرفت. موج جدیدی از تحقیقات علمی در این حوزه از سال ۲۰۱۳ در کشور فرانسه آغاز شد ]2[. در زمان تهیه این گزارش، کشورهای ژاپن، فرانسه و آلمان پیشگام در این حوزه محسوب می‌شوند و ایالات‌متحده آمریکا، هند و چین درحال‌توسعه زیرساخت‌های پژوهشی برای گسترش این فناوری هستند.

شکل 1 نمونه‌ای از فناوری فتوکشت – حضور گیاهان و پنل­های خورشیدی به‌صورت همزمان

انواع روش‌های طبقه‌بندی فتوکشت چیست و چه دسته‌هایی را می‌توان برای آن تعریف کرد؟

با توجه به ماهیت بین‌رشته‌ای فتوکشت، می‌توان انواع سیستم‌های فتوکشت را از جنبه‌های مختلف طبقه‌بندی کرد:

الف. بر اساس هدف:

محصول محور: هدف اصلی تولید محصول کشاورزی

توان محور: هدف اصلی تولید توان خورشیدی

دو هدفه: استفاده از نقطه بهینه تعادلی بین تولید کشاورزی و توان خورشیدی

ب. از نظر نوع کاربری کشاورزی (شکل 2):

محصولات زراعی مانند گندم، جو

محصولات باغی، سبزی‌ها، صیفی‌جات و گیاهان دارویی مانند سیب، کاهو، هندوانه، گل محمدی

محصولات گلخانه‌ای

کاربری چراگاه یا تولید عسل

ج. از نظر نحوه نصب پنل خورشیدی:

مایل: بالاترین میزان تولید توان خورشیدی

افقی: به‌صورت سایه­بان و مناسب برای محصولاتی همچون انگور و محصولات با ارتفاع زیاد

عمودی: معمولاً با استفاده از پنل­های دوطرفه یا Bifacial و مناسب برای محصولات نیازمند به ادوات کشاورزی مانند گندم (شکل 4)

لازم به ذکر است که می‌توان پنل­های مایل را در سطح زمین یا در ارتفاع نصب کرد که اثرات متفاوتی بر پتانسیل کشاورزی خواهد داشت. بدیهی است این تقسیم‌بندی‌ها صرفاً جهت تسهیل تحلیل و پژوهش تبیین شده‌اند و در عمل می‌توان از ترکیبی از این رویکردها استفاده کرد.

اثر تولید توان خورشیدی بر فعالیت‌های کشاورزی چیست؟

اصلی‌ترین اثر نصب پنل خورشیدی بر فعالیت‌های کشاورزی، سایه‌اندازی و کاهش نور دریافتی گیاهان زیر این تجهیزات است ]4[. کمیت‌های اثرگذار بر میزان سایه ایجاد شده عبارتند از:

عرض جغرافیایی محل نصب، ابعاد پنل، زاویه شیب نصب پنل (از صفر درجه به معنای نصب افقی تا 90 درجه به معنای نصب عمودی)، جهت‌گیری پنل (شمالی-جنوبی، شرقی-غربی یا همراه با زاویه نسبت به این محورها)، ارتفاع نصب پنل و فاصله بین ردیف‌های پنل.

در این میان، برخی عوامل نظیر عرض جغرافیایی، وابسته به محل نصب و غیرقابل تغییر هستند، درحالی‌که سایر متغیرها وابسته به طراحی سیستم و قابل بهینه‌سازی هستند. همچنین، دو کمیت ابعاد پنل و ارتفاع نصب آن، تأثیر مستقیمی بر میزان توان تولیدی ندارند اما بر سایه‌اندازی پنل­های خورشیدی و در نتیجه فعالیت‌های کشاورزی اثرگذارند.

در پژوهش‌های پیشین، نشان داده شده که سایه‌اندازی لزوماً اثر منفی بر رشد و نمو گیاهان ندارد بلکه برای برخی محصولات مانند انگور میزان تولید محصول بیشتری نیز نسبت به شرایط عدم وجود پنل گزارش شده است ]5[.

میزان تولید علاوه بر نحوه نصب پنل و سایه ایجاد شده به سبب آن و نوع محصول کشاورزی، به نوع کشت (دیم یا آبی)، فصل کاشت (بهاره، تابستانه، پاییزه و یا زمستانه) و رقم محصول (مثلاً انگور عسگری، دانه زرد، ریش بابا و غیره) نیز وابسته است. به‌عنوان‌مثال، پژوهشی در فرانسه نشان داد که کشت چندین رقم مختلف کاهو زیر پنل­های خورشیدی بسته به فصل کاشت (زمستانه و تابستانه) منجر به نتایج متفاوتی شده است ]2[.

وجود سایه، علاوه بر اثر مستقیم بر نور دریافتی، اثرات جانبی دیگری نیز بر گیاهان دارد من‌جمله کاهش تبخیر سطحی خاک و در نتیجه حفظ رطوبت آن‌که منجر به کاهش میزان مصرف آب برای فعالیت‌های کشاورزی می‌گردد. همچنین، وجود سازه‌های نگهدارنده پنل­ها باعث حفاظت از گیاهان در مقابل بادهای شدید می‌شود ]6[.

اثر فعالیت‌های کشاورزی بر تولید توان در پنل­های خورشیدی چیست؟

می‌دانیم که دما و رطوبت محیط، دمای سطح پنل­های خورشیدی و میزان گردوغبار روی سطح آن‌ها بر میزان تولید توان خورشیدی اثر مستقیمی دارند. وجود گیاهان زیر پنل­ها و یا در فاصله ردیف پنل­ها باعث اثرات زیر می‌شود (شکل 3):

الف. کاهش دمای محیط: فرآیند فتوسنتز در گیاهان – که طی آن انرژی خورشیدی به ترکیبات شیمیایی تبدیل می‌شود – یک فرآیند گرماگیر است؛ بنابراین، در حضور گیاهان، دمای محیط اطراف پنل‌ها نسبت به شرایط بدون پوشش گیاهی کاهش می‌یابد.

ب. کاهش دمای سطح پنل: گیاهان با جلوگیری از بازتاب نور خورشید از سطح خاک به پشت پنل‌ها، موجب کاهش دمای سطح آن‌ها می‌شوند. این کاهش دما در پنل‌های یک رو می‌تواند عملکرد آن‌ها را بهبود بخشد؛ اما در پنل‌های دوطرفه (Bifacial)، بازتاب نور به سطح پشتی مطلوب تلقی می‌شود و اثر پوشش گیاهی در کاهش بازتاب از سطح خاک منفی خواهد بود.

ج. افزایش رطوبت محیط: فرآیند تعریق در گیاهان – که طی آن آب و مواد معدنی از ریشه به برگ‌ها منتقل شده و رطوبت اضافی از طریق برگ‌ها به محیط آزاد می‌شود – می‌تواند منجر به افزایش رطوبت محیطی گردد و ممکن است باعث کاهش میزان تولید توان خورشیدی شود.

د. کاهش گردوغبار: گیاهان با جذب ذرات معلق و جلوگیری از بلند شدن گردوغبار به‌واسطه‌ی باد، باعث کاهش آلودگی سطح پنل‌ها شده و نیاز به شست‌وشوی مکرر پنل­ها را کاهش می‌دهند

 ه. کاهش فرسایش خاک: حضور گیاهان باعث حفظ رطوبت و کاهش فرسایش خاک می‌شود. این امر سبب جلوگیری از آسیب به سازه نگهدارنده پنل­های خورشیدی شده، بر هزینه‌های تعمیر و نگهداری پنل­های خورشیدی اثرگذار است.

چه محصولاتی برای استفاده در فناوری فتوکشت مورد تحقیق قرارگرفته‌اند؟

عموم پژوهش‌ها بر محصولاتی متمرکز است که کشت آن‌ها در ایران محدود است. انگشت‌شمار پژوهش‌های قابل استفاده برای شرایط کشور محدود به تحقیقاتی بر گندم، کاهو و انگور است. در این موارد، نوع کشت (دیم یا آبیاری)، زمان کاشت (تابستانه یا زمستانه)، رقم محصول و نوع نصب پنل و تراکم آن تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر افزایش یا کاهش بار محصول تولیدی دارد.

به‌عنوان‌مثال، در پژوهشی در فرانسه، 7 رقم کاهو متفاوت در بهار و زمستان کشت شده است]2[. به‌طور میانگین، عملکرد محصول (وزن کل محصول تولیدی) در کشت بهاره تحت شرایط سایه کامل (Full shade) و نیم سایه (Half shade) برابر با 79% و 99% عملکرد در شرایط عدم حضور پنل خورشیدی بوده است؛ به عبارت دیگر، چنانچه تمام فضا با پنل پوشیده شده و سایه کامل باشد، به‌صورت میانگین در بین 7 رقم کاهو مورد مطالعه 21% کاهش بار نسبت به شرایط بدون پنل مشاهده شده است درحالی‌که در حالت نیم سایه میزان تولید عملاً برابر با شرایط بدون پنل است.

در مورد گندم و جو، با جود تحقیقات گسترده، به دلیل تفاوت‌های ذکر شده در عوامل مؤثر (مربوط به پنل خورشیدی و یا بخش کشاورزی)، ارائه نتیجه‌گیری کلی دشوار است. به‌عنوان‌مثال، در یک مطالعه در کشور سوئد، استفاده از پنل‌های دوطرفه (Bifacial) نصب‌شده به‌صورت عمودی در کنار کشت جو، منجر به افزایش عملکرد جو نسبت به شرایط بدون پنل شد (شکل 4) [7]. در مقابل، پژوهشی دیگر در کشور اتریش کاهش عملکرد گندم بهاره تا 25% در حضور پنل‌های خورشیدی را گزارش کرده است ]8[.

آیا فناوری فتوکشت در ایران کاربرد دارد؟

با توجه به آثار مثبت فتوکشت بر دو حوزه حیاتی کشاورزی و تولید برق و با در نظر گرفتن چالش‌های کشور در این دو حوزه، استفاده از فناوری فتوکشت می‌تواند منجر به مزایای زیر شود:

الف. کاهش پرت زمین‌های کشاورزی مجهز به پنل

ب. تولید ارزش افزوده با کشت محصولات کشاورزی در مزارع خورشیدی

ج. کاهش مصرف آب در تولید محصولات کشاورزی

همچنین در بخش‌هایی از کشور که زمین‌های قابل‌کشت محدود است – مناطق بیابانی مرکزی – فتوکشت به‌واسطه‌ی ظرفیت تولید دوگانه‌ی خود (برق و محصول کشاورزی)، می‌تواند اثری افزوده و راهبردی ایفا کند.

بر مبنای اطلاعات منتشره توسط دانشگاه ایالتی اوهایو در آمریکا ]9[، هر کیلووات توان خورشیدی تولیدی در این کشور حدوداً 2/9 مترمربع فضا نیاز دارد. با توجه به پژوهش جناب آقای مهندسی فائزی در سال 1403 در رابطه با وضعیت چاه‌های آب کشاورزی در استان خراسان رضوی ]10[، میانگین توان مصرفی الکتروپمپ‌های الکتریکی چاه‌های مجاز در این استان برابر با 78 کیلووات می‌باشد که به این ترتیب، 717 مترمربع صرفاً برای تأمین توان الکتروپمپ مورد نیاز است – زمینی که در غیر این صورت می‌توانست در کشت محصولات کشاورزی به کار گرفته شود. بدیهی است خرده مالکان و کشاورزان کوچک در صورت حرکت به سمت نصب توان خورشیدی برای تأمین نیاز خود، در آینده با مشکل کاهش سطح زیر کشت مواجه خواهند شد. در این فضا، فناوری فتوکشت می‌تواند راه‌حلی مؤثر برای حل مشکلات کشاورزان و کمک به سیاست‌گذاران باشد.

از جنبه‌ای دیگر، با مرور پژوهش‌های صورت گرفته، جای خالی مطالعات کاربردی بر محصولات بومی کشورمان کاملاً محسوس است. محصولاتی از قبیل پسته، زعفران، صیفی‌جات (مانند هندوانه و خربزه)، حبوبات (مانند ماش، عدس، نخود)، درختان میوه (مانند انار) و گیاهان دارویی (مانند آویشن، گل­گاوزبان، پونه و گل محمدی). بسیاری از این محصولات جزو اقلام صادراتی کشور بوده و در صورت اثربخشی و عملکرد مناسب تحت سایه پنل­های خورشیدی در سامانه‌های فتوکشت، می‌تواند منجر به هم‌افزایی و تولید ارزش افزوده قابل توجه برای کشور شود. به‌عنوان‌مثال، ظرفیت اجرای فتوکشت در جنوب خراسان رضوی برای دو محصول عمده پسته و زعفران و یا گل محمدی در شهرستان کاشان در استان اصفهان می تواند گزینه های مناسبی جهت آزمون استفاده از سامانه های فتوکشت در کشور باشد.

ظرفیت‌های قانونی این فناوری در ایران چیست؟ و چگونه می­توان قانون را در سایه فتوکشت اجرا نمود؟

ذیل ماده 28 قانون اصلاح الگو مصرف ابلاغی سال 1389 آمده است: «وزارتخانه‌های نفت و نیرو موظفند با همکاری وزارت جهاد کشاورزی، سازمان محیط‌زیست و مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران معیار و استاندارد مصرف انرژی برای هر واحد سطح زیر کشت زراعی و باغی را برحسب شرایط اقلیمی، استحصال مجاز آب و با توجه به نوع محصول و با استفاده از شیوه‌های پربازده استحصال آب و روش‌های نوین آبیاری تدوین نمایند. مصرف‌کنندگان انرژی در بخش کشاورزی که معیار و استاندارد فوق را رعایت ننمایند، قیمت انواع انرژی را با تشخیص وزارتخانه‌های نفت و نیرو تا دو برابر قیمت حامل‌های انرژی می‌پردازند.» حسب اطلاع نویسندگان، تاکنون این بخش از قانون به مورد اجرا گذارده نشده است.

طبق مصوبه 26743/ت59790 مورخ 24/2/1401 هیئت وزیران «وزارت نیرو مکلف است با همکاری وزارت جهاد کشاورزی نسبت به قطع الکتروپکپ­های کشاورزی به میزان پنج ساعت روزانه و در دوره محدودیت اقدام و بهای برق این مشترکین را در سایر ساعات به‌صورت رایگان محاسبه نماید». در صورت احداث و بهره‌برداری از نیروگاه تجدیدپذیر با ظرفیت نامی برابر با 80% دیماند مصرفی، مصرف‌کننده از برنامه‌های محدودیت بار خارج می‌شود. همچنین تولیدکنندگان توان در صورت داشتن مازاد تولید در ایام گرم سال و کل توان تولیدی در سایر ایام سال می‌توانند نسبت به عرضه توان تولیدی در تابلوی سبز بورس اقدام نمایند.

کشاورزان می‌توانند با استفاده از فناوری فتوکشت و استفاده از قوانین موجود از یکسو بهره‌وری زمین‌های خود را افزایش دهند و از سوی دیگر برق چاههای آب خود را تأمین کنند و از برنامه خاموشی خارج شوند. این سیستم‌ها نه‌تنها امکان تولید همزمان انرژی پاک و محصولات کشاورزی را فراهم می‌کنند، بلکه با بهینه‌سازی مصرف آب و انرژی و بعضا افزایش محصول تولیدی، درآمد مضاعفی برای کشاورزان ایجاد می‌نمایند.

نتیجه‌گیری و پیشنهادهای عملیاتی خانه هم‌افزایی:

• پیشنهاد می‌شود پژوهش‌هایی در زمینه ارزیابی فنی و اقتصادی اجرای فتوکشت با محصولاتی همچون پسته و زعفران در دستور کار قرار گیرد.
• پیشنهاد می‌شود مزارع خورشیدی در سطح کشور که از پنل­های یکرو (غیر بایفیشیال) استفاده می‌کنند، کاشت گیاهان را در دستور کار خود قرار داده، به این ترتیب علاوه بر ارزش‌آفرینی، هزینه‌های تعمیر و نگهداری خود را کاهش دهند.
• پیشنهاد می‌شود تهیه و ابلاغ الگوی مصرف بخش کشاورزی در اولویت قرار گیرد.
• پیشنهاد می‌شود مصوبه هیئت وزیران به‌گونه‌ای اصلاح شود تا کشاورزانی که از فناوری فتوکشت استفاده می‌کنند، در صورت اثبات افزایش بهره‌وری در سطح زمین ثابت و کاهش مصرف آب و بدون نیاز به تحقق 80% دیماند مصرفی، از شمول برنامه‌های مدیریت بار خارج شده و مجاز به عرضه توان تولیدی در تابلو عرضه سبز بورس در ایام محدودیت بهاری و تابستانی باشند.

مراجع:

[1] A. Goetzberger and A. Zastrow. “On the coexistence of solar-energy conversion and plant cultivation.” International Journal of Solar Energy, vol. 1, no. 1, pp. 55–69, 1982.

[2] H. Marrou, J. Wéry, L. Dufour, and C. Dupraz. “Productivity and radiation use efficiency of lettuces grown in the partial shade of photovoltaic panels.” European Journal of Agronomy, vol. 44, pp. 54–66, 2013.

[3]Meehan, S. (2024, November 26). Clean Energy to Communities Agrivoltaics 101 resources provide a guide toward implementation. National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/news/detail/program/2024/clean-energy-to-communities-agrivoltaics-101-resources-provide-a-guide-toward-implementation

[4] H. Dinesh and J. M. Pearce. “The potential of agrivoltaic systems.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 54, pp. 299–308, 2016.

[5] A. Magarelli, A. Mazzeo, and G. Ferrara. “Fruit crop species with agrivoltaic systems: A critical review.” Agronomy, vol. 14, no. 4, p. 722, 2024.

[6] H. Marrou, L. Dufour, and J. Wery. “How does a shelter of solar panels influence water flows in a soil–crop system?” European Journal of Agronomy, vol. 50, pp. 38–51, 2013.

[7] S. M. Lu, S. Zainali, T. E. K. Zidane, T. Hörndahl, S. Tekie, A. Khosravi, … and P. E. Campana. “Data on the effects of a vertical agrivoltaic system on crop yield and nutrient content of barley (Hordeum vulgare L.) in Sweden.” Data in Brief, vol. 57, p. 110990, 2024.

[8] S. Thaler, K. Berger, J. Eitzinger, A. Mahnaz, V. Shala-Mayrhofer, S. Zamini, and P. Weihs. “Radiation limits the yield potential of main crops under selected agrivoltaic designs—A case study of a new shading simulation method.” Agronomy, vol. 14, no. 11, p. 2511, 2024.

[9] A. F. Krall, “Considerations for solar site placement: Energy and land use trade-offs,” Ohio State University Extension, (accessed May 24, 2025). https://ohioline.osu.edu/factsheet/CDFS-4102

]10 [ا. فائزی و همکاران. مديريت آب؛ همبست آب، انرژی و محیط‌زیست. تهران 1403. انتخاب به سفارش شرکت آب منطقه‌ای خراسان رضوی.